CN106945720B - 基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，包括EPS控制器、电源冗余模块、力矩和角度信号传感器和永磁同步电机模块，电源冗余模块包括电源控制模块、电源IC1、电源IC2和电源IC3，EPS控制器包括MCU1和MCU2，永磁同步电机模块包括永磁同步电机本体和电机位置传感器，永磁同步电机本体与电机位置传感器相连接，电源控制模块同时与电源IC1和电源IC2相连接，电源IC1和MCU1相连接，电源IC2同时与力矩和角度信号传感器、电机位置传感器相连接，电源IC3与MCU2相连接。电源冗余模块可以在车辆高速行驶过程中，因硬线IG信号或CAN IG信号丢失的情况下，继续保持EPS控制模块工作电源，EPS可以持续提供助力让车辆安全行驶。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电动助力转向系统领域，尤其是指基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元及控制方法。
背景技术
随着汽车进入智能化时代，汽车对电动转向系统的操控性、安全性及性能要求越来越高，现阶段各类汽车上使用的有刷电机助力转向系统将逐渐不适用于未来的发展需要，其存在助力不足，不能集成角度和力矩控制，更不能适应未来的自动驾驶需要。而集成角度和力矩控制的无刷电机EPS具有更多优点：
1、无刷电机EPS采用磁场换向，无直接接触噪音小，使用寿命长；电机性能好可满足大助力需求的车型。
2、无刷电机EPS扭矩波动小，调速范围广，动态响应及跟随性好。
3、无刷电机EPS集成电机角度、力矩控制，易开发车辆飘逸补偿、车道偏离报警、疲劳驾驶辅助、车道辅助，自动泊车，自动驾驶和多助力模式等高级功能。从而提高车辆的操控性和安全性。
因此无刷电机EPS控制系统将是未来的必然发展趋势。但是现有的无刷电机EPS控制系统存在安全性上的不足，实际操作的过程中会因为系统故障产生驾驶危险。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中无刷电机EPS控制系统存在安全性上的不足，实际操作的过程中会因为系统故障产生驾驶危险的缺点，提供一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元及控制方法。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，包括EPS控制器、电源冗余模块、力矩和角度信号传感器和永磁同步电机模块，电源冗余模块包括电源控制模块、电源IC1、电源IC2和电源IC3，EPS控制器包括MCU1和MCU2，永磁同步电机模块包括永磁同步电机本体和电机位置传感器，永磁同步电机本体与电机位置传感器相连接，电源控制模块同时与电源IC1和电源IC2相连接，电源IC1和MCU1相连接，电源IC2同时与力矩和角度信号传感器、电机位置传感器相连接，电源IC3与MCU2相连接，电源控制模块还与MCU1相连接，MCU2还与力矩和角度信号传感器相连接，电源IC1和MCU1还通过与门与电源IC3相连接。电源冗余模块可以在车辆高速行驶过程中，因硬线IG信号或CAN IG信号丢失的情况下，继续保持EPS控制模块工作电源，EPS可以持续提供助力让车辆安全行驶；冗余力矩和角度信号传感器保证力矩和角度信号的可靠性，为驾驶员提供正确的助力；在初始化检验中MCU1发现MCU2有助力故障时，MCU1将禁止电源IC3的输出，以提高安全性。
EPS控制器作为EPS系统的控制大脑，主要提供车辆信息交互和电机助力控制功能，其执行的目标（EPS系统助力）使驾驶者能够方便、平顺的控制车辆行驶方向。用一种可控的方法给转向系统提供动力以降低驾驶者进行车辆转向的操作力。通过接收车辆信息，提供适当的助力或控制转向盘转至特殊的角度位置，提供一些可调节因素以提高车辆的驾驶舒适性。该EPS控制器通过接收整车的发动机转速、车速信号以及力矩和角度传感器信号，结合内部控制策略（随速助力模块、阻尼控制模块、路面干扰抑制模块、主动回正模块、齿条末端保护模块、防飘逸补偿模块以及系统安全模块）最终输出系统助力目标值实施电机力矩控制。
EPS控制器具有MCU 1和MCU 2，其中MCU1使用简单高效的软件架构实施电机控制，软件上预设固定的接口和标定参数与MCU2进行通讯，MCU2通过读取标定参数对电机控制进行标定。在产业化项目中，根据不同车型的配置，仅需修改MCU2软件和电机的标定参数值即可实现新车型的匹配工作，实现在不更改电机控制核心软件（MCU1软件）的情况下达到新车型应用，从而缩短软件的开发和验证周期。
作为一种优选方案，永磁同步电机模块还包括电机相线隔离模块、驱动桥和隔离继电器，隔离继电器包括第一继电器和第二继电器，MCU1和MCU2同时与电机相线隔离模块相连接，MCU1还与驱动桥相连接，驱动桥、第一继电器和第二继电器同时与永磁同步电机本体相连接，电机相线隔离模块与第一继电器和第二继电器相连接。电机相线隔离设计，确保MOSFET驱动桥不会因为控制器内部故障而短路，确保助力电机不会因为MOSFET短路而出现卡死现象，以提高系统的安全可靠性。
作为一种优选方案， MCU1还与MCU2相连接。MCU1和MCU2在运行过程中通过SPI进行的变量数据传输给对方，接收方用收到的数据进行算法运算，并将运算后的结果与收到的结果进行比对校核。
作为一种优选方案，MCU1和MCU2还连接有EPS控制器存储器。EPS控制器存储器用于存储故障信息供售后识别。
一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，电源冗余模块的电源控制模块接收到硬线信号或CAN总线信号时，电源控制模块内部逻辑电路输出一个高电平信号，使电源IC1和电源IC2输出信号，使MCU1、力矩和角度信号传感器和电机位置传感器得电；当MCU1检测电源控制模块的电压超过标定值时，MCU1向电源控制模块输出高电平信号，硬线信号或CAN总线信号和MCU1向电源控制模块输出的高电平信号并联输入至内部逻辑电路，使电源IC1和电源IC2正常输出；车辆行驶中发生硬线信号或CAN总线信号丢失时，MCU1向电源控制模块输出的高电平信号使内部逻辑电路可以持续输出信号使电源IC1和电源IC2正常供电。
作为一种优选方案，电源IC1连接至电源IC3的使能引脚，使电源IC1输出时即能使电源IC3输出；当MCU1和MCU2上电初始化检测完成，并且交互校验无故障后，MCU1对电源IC3保持高电平信号，如果在初始化检验中MCU1发现MCU2有助力故障时，MCU1将对电源IC3输出低电平信号，从而禁止电源IC3的输出。
作为一种优选方案，冗余力矩和角度信号传感器的工作过程为力矩和角度信号传感器使用双物理通道，MCU2在运行时将实时采集双物理通道的信号并进行比对校验，与此同时将检验后的信号输入软件虚拟通道供自学习算法进行参数调整，具体为：
当某一力矩物理通道信号出现故障时，MCU2采用虚拟通道信号值与另一力矩物理通道信号值进行校验，以保证力矩信号的可靠性，为驾驶员提供正确的助力，此时ECU仅记录故障代码，助力不受影响；
当两个力矩物理通道出现故障时，MCU2通过虚拟力矩通道和角度信号来虚拟出相应的力矩值，此时记录为严重故障，EPS提供受限制后的助力以供车辆跛行靠边或跛行回家；
当某一角度物理通道信号出现故障时，MCU2采用虚拟通道信号值与另一角度物理通道信号值进行校验，以保证角度信号的可靠性，为ECU提供正确的角度信号供其他功能使用，此时ECU仅记录故障代码，助力不受影响；
当两个角度物理通道出现故障时，MCU2通过自学习算法获得EPS的相对零点，结合无刷电机的相对角度信号算出EPS的绝对角度，为ECU提供正确的角度信号供其他功能使用，并记录相应的故障代码。
作为一种优选方案，MCU 1上电初始化时对内部软件、数据和驱动桥外围电路进行故障检测，仅当MCU 1检测无助力故障和驱动桥无驱动故障时MCU 1 输出RLY_HSD为低和RLY_LSD_PWM为高；MCU 2内部进行上电初始化检测，仅当MCU 2检测无助力故障且发动机处于运行状态是，RLY_DRV_DIS才输出为低；仅当RLY_HSD = 0、RLY_LSD_PWM = 1和RLY_DRV_DIS = 0时，电机相线隔离模块控制隔离继电器导通，否则隔离继电器不导通。
作为一种优选方案，MCU 1或MCU 2进行上电初始化检验，如果任何一方出现校验错误时，该MCU对错误进行等级分类，如果错误等级达到助力故障时，该MCU禁止隔离继电器的导通，防止意外助力的产生；如果MCU 1和MCU 2 上电初始化校验中的错误代码较低或无故障，隔离继电器导通，系统进入助力模式。
作为一种优选方案，在正常运行时如发现故障，EPS控制器对故障进行等级识别，等级1故障将作为故障信息被记录，系统助力不受影响，等级2故障的产生，将使EPS系统执行故障模式切换，系统进入限制助力模式后，控制器的系统助力将以限制百分比模式输出，且故障灯亮以提示驾驶员。
当点火开关关闭且车速小于标定值(包括车速信号丢失) 且发动机停止运(包括发动机信号丢失)， EPS控制器进入软件延时关闭模式。该模式下EPS控制器对助力实施逐渐降低至零控制，直至软件关闭完成。
软件延时关闭的时间可以标定，当该时间持续终止时，EPS控制器进入下电模式；
EPS控制器在上电自检过程中如发现故障即进入故障模式，控制器在该模式下不能提供助力，且故障灯亮以提示驾驶员；
正常运行时如发现故障，控制器对故障进行等级识别，等级故障为3时控制器切换进入故障模式，系统根据计算后的比例将助力缓慢降低至为零，该模式下不能提供助力，且故障灯亮以提示驾驶员；
故障模式下检测到点火开关关闭时，系统直接进入下电模式；
软件延时关闭时间未终止时如检测到点火开关打开，控制器将切换进入正常工作模式，正常提供助力。
本发明的有益效果是，电源冗余模块可以在车辆高速行驶过程中，因硬线IG信号或CAN IG信号丢失的情况下，继续保持EPS控制模块工作电源，EPS可以持续提供助力让车辆安全行驶；冗余力矩和角度信号传感器保证力矩和角度信号的可靠性，为驾驶员提供正确的助力；在初始化检验中MCU1发现MCU2有助力故障时，MCU1将禁止电源IC3的输出，以提高安全性。电机相线隔离设计，确保MOSFET驱动桥不会因为控制器内部故障而短路，确保助力电机不会因为MOSFET短路而出现卡死现象，以提高系统的安全可靠性。MCU1和MCU2协同监控，实时同步校验运算，当任一MCU出现故障时，控制器的双MCU进行故障模式降级同步并提示驾驶员，在保证车辆安全的情况下提供限制后的助力，确保车辆安全行驶到家。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理框图。
其中：1、EPS控制器，2、电源冗余模块，3、永磁同步电机模块，4、力矩和角度信号传感器，5、与门，11、MCU1，12、MCU2，21、电源控制模块，22、电源IC1，23、电源IC2，24、电源IC3，31、永磁同步电机本体，32、电机位置传感器，33、电机相线隔离模块，34、驱动桥，35、隔离继电器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，如图1所示，包括EPS控制器1、电源冗余模块2、力矩和角度信号传感器4和永磁同步电机模块3，电源冗余模块包括电源控制模块21、电源IC1 22、电源IC2 23和电源IC3 24，EPS控制器包括MCU1 11和MCU212，MCU1还与MCU2相连接，MCU1和MCU2还连接有EPS控制器存储器。永磁同步电机模块包括永磁同步电机本体31和电机位置传感器32，永磁同步电机本体与电机位置传感器相连接，电源控制模块同时与电源IC1和电源IC2相连接，电源IC1和MCU1相连接，电源IC2同时与力矩和角度信号传感器、电机位置传感器相连接，电源IC3与MCU2相连接，电源控制模块还与MCU1相连接，MCU2还与力矩和角度信号传感器相连接，电源IC1和MCU1还通过与门与电源IC3相连接。永磁同步电机模块还包括电机相线隔离模块33、驱动桥34和隔离继电器35，隔离继电器包括第一继电器和第二继电器，MCU1和MCU2同时与电机相线隔离模块相连接，MCU1还与驱动桥相连接，驱动桥、第一继电器和第二继电器同时与永磁同步电机本体相连接，电机相线隔离模块与第一继电器和第二继电器相连接。
EPS控制器作为控制大脑，主要提供车辆信息交互和电机助力控制功能，其执行的目标（EPS系统助力）使驾驶者能够方便、平顺的控制车辆行驶方向。用一种可控的方法给转向系统提供动力以降低驾驶者进行车辆转向的操作力。通过接收车辆信息，提供适当的助力或控制转向盘转至特殊的角度位置，提供一些可调节因素以提高车辆的驾驶舒适性。该EPS控制器通过接收整车的发动机转速、车速信号以及力矩和角度传感器信号，结合内部控制策略（随速助力模块、阻尼控制模块、路面干扰抑制模块、主动回正模块、齿条末端保护模块、防飘逸补偿模块以及系统安全模块）最终输出系统助力目标值实施电机力矩控制。
随速助力模块： 该模块结合方向盘力矩和车速从车辆动态基础助力曲线表中拟合出不同车速所对应的助力力矩，以提供基本助而以减轻转向力
齿条末端保护模块：该模块结合方向盘力矩、转角位置和车速从车辆动态齿条保护助力曲线表中拟合出不同车速、方向盘位置所对应的抑制助力力矩，旨在减少方向盘转向齿条机械末端时的动能冲击，以减少磨损，改善噪音及手感。
主动回正模块：该模块结合方向盘力矩、转角位置和车速从车辆动态回正助力曲线表中拟合出不同车速、方向盘位置所对应的回正助力力矩，以提高了车辆低速行驶的回正性，而降低了驾驶员的转向力。
防飘逸补偿模块：车辆高速行驶时由于受侧风或道路的不平的影响，驾驶员会意识到有一种转向力使车辆“拉”或“漂”离路面，该模块通过方向盘转速和车速计算出一个补偿力矩叠加到转向转矩控制器以用来抵销这种转向力。
阻尼控制模块：该模块结合方向盘转速和车速总车辆动态阻尼助力曲线表中拟合出不同车速所对应的阻尼力矩，以提供一种阻尼的转向路感，从而降低了车辆的横摆振动，使车辆更加稳定。
路面干扰抑制模块：该模块结合方向盘力矩和车速从车辆动态抑制助力曲线表中拟合出不同车速所对应的抑制力矩值，旨在抵抗由于车轮的不平衡及恶劣的道路所引起的脉冲干扰。
电源冗余模块的电源控制模块接收到硬线信号或CAN总线信号时，电源控制模块内部逻辑电路输出一个高电平信号，使电源IC1和电源IC2输出信号，使MCU1、力矩和角度信号传感器和电机位置传感器得电；当MCU1检测电源控制模块的电压超过标定值时，MCU1向电源控制模块输出高电平信号，硬线信号或CAN总线信号和MCU1向电源控制模块输出的高电平信号并联输入至内部逻辑电路，使电源IC1和电源IC2正常输出；车辆行驶中发生硬线信号或CAN总线信号丢失时，MCU1向电源控制模块输出的高电平信号使内部逻辑电路可以持续输出信号使电源IC1和电源IC2正常供电。
电源IC1连接至电源IC3的使能引脚，使电源IC1输出时即能使电源IC3输出；当MCU1和MCU2上电初始化检测完成，并且交互校验无故障后，MCU1对电源IC3保持高电平信号，如果在初始化检验中MCU1发现MCU2有助力故障时，MCU1将对电源IC3输出低电平信号，从而禁止电源IC3的输出。
冗余力矩和角度信号传感器的工作过程为力矩和角度信号传感器使用双物理通道，MCU2在运行时将实时采集双物理通道的信号并进行比对校验，与此同时将检验后的信号输入软件虚拟通道供自学习算法进行参数调整，当某一物理通道信号出现故障时，MCU2采用虚拟通道信号值与另一物理通道信号值进行校验，以保证力矩和角度信号的可靠性。
MCU 1上电初始化时对内部软件、数据和驱动桥外围电路进行故障检测，仅当MCU1检测无助力故障和驱动桥无驱动故障时MCU 1 输出RLY_HSD为低和RLY_LSD_PWM为高；MCU2内部进行上电初始化检测，仅当MCU 2检测无助力故障且发动机处于运行状态是，RLY_DRV_DIS才输出为低；仅当RLY_HSD = 0、RLY_LSD_PWM = 1和RLY_DRV_DIS = 0时，电机相线隔离模块控制隔离继电器导通，否则隔离继电器不导通。
MCU 1或MCU 2进行上电初始化检验，如果任何一方出现校验错误时，该MCU对错误进行等级分类，如果错误等级达到助力故障时，该MCU禁止隔离继电器的导通，防止意外助力的产生；如果MCU 1和MCU 2 上电初始化校验中的错误代码较低或无故障，隔离继电器导通，系统进入助力模式。
在正常运行时如发现故障，EPS控制器对故障进行等级识别，等级1故障将作为故障信息被记录，系统助力不受影响，等级2故障的产生，将使EPS系统执行故障模式切换，系统进入限制助力模式后，控制器的系统助力将以限制百分比模式输出，且故障灯亮以提示驾驶员。
Claims (10)
1.一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，其特征是，包括EPS控制器、电源冗余模块、力矩和角度信号传感器和永磁同步电机模块，电源冗余模块包括电源控制模块、电源IC1、电源IC2和电源IC3，EPS控制器包括MCU1和MCU2，永磁同步电机模块包括永磁同步电机本体和电机位置传感器，永磁同步电机本体与电机位置传感器相连接，电源控制模块同时与电源IC1和电源IC2相连接，电源IC1和MCU1相连接，电源IC2同时与力矩和角度信号传感器、电机位置传感器相连接，电源IC3与MCU2相连接，电源控制模块还与MCU1相连接，MCU2还与力矩和角度信号传感器相连接，电源IC1和MCU1还通过与门与电源IC3相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，其特征是，所述的永磁同步电机模块还包括电机相线隔离模块、驱动桥和隔离继电器，隔离继电器包括第一继电器和第二继电器，MCU1和MCU2同时与电机相线隔离模块相连接，MCU1还与驱动桥相连接，驱动桥、第一继电器和第二继电器同时与永磁同步电机本体相连接，电机相线隔离模块与第一继电器和第二继电器相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，其特征是，所述MCU1还与MCU2相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，其特征是，所述的MCU1和MCU2还连接有存储器。
5.一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，基于权利要求1所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制单元，其特征是，电源冗余模块的电源控制模块接收到硬线信号或CAN总线信号时，电源控制模块内部逻辑电路输出一个高电平信号，使电源IC1和电源IC2输出信号，使MCU1、力矩和角度信号传感器和电机位置传感器得电；当MCU1检测电源控制模块的电压超过标定值时，MCU1向电源控制模块输出高电平信号，硬线信号或CAN总线信号和MCU1向电源控制模块输出的高电平信号并联输入至内部逻辑电路，使电源IC1和电源IC2正常输出；车辆行驶中发生硬线信号或CAN总线信号丢失时，MCU1向电源控制模块输出的高电平信号使内部逻辑电路可以持续输出信号使电源IC1和电源IC2正常供电。
6.根据权利要求5所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，其特征是，电源IC1连接至电源IC3的使能引脚，使电源IC1输出时即能使电源IC3输出；当MCU1和MCU2上电初始化检测完成，并且交互校验无故障后，MCU1对电源IC3保持高电平信号，如果在初始化检验中MCU1发现MCU2有助力故障时，MCU1将对电源IC3输出低电平信号，从而禁止电源IC3的输出。
7.根据权利要求5所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，其特征是，所述的力矩和角度信号传感器的工作过程为力矩和角度信号传感器使用双物理通道，MCU2在运行时将实时采集双物理通道的信号并进行比对校验，与此同时将检验后的信号输入软件虚拟通道供自学习算法进行参数调整，具体为：
当某一力矩物理通道信号出现故障时，MCU2采用虚拟通道信号值与另一力矩物理通道信号值进行校验，以保证力矩信号的可靠性，为驾驶员提供正确的助力，此时ECU仅记录故障代码，助力不受影响；
当两个力矩物理通道信号出现故障时，MCU2通过虚拟力矩通道和角度信号来虚拟出相应的力矩值，此时记录为严重故障，EPS提供受限制后的助力以供车辆跛行靠边或跛行回家；
当某一角度物理通道信号出现故障时，MCU2采用虚拟通道信号值与另一角度物理通道信号值进行校验，以保证角度信号的可靠性，为ECU提供正确的角度信号供其他功能使用，此时ECU仅记录故障代码，助力不受影响；
当两个角度物理通道信号出现故障时，MCU2通过自学习算法获得EPS的相对零点，结合无刷电机的相对角度信号算出EPS的绝对角度，为ECU提供正确的角度信号供其他功能使用，并记录相应的故障代码。
8.根据权利要求5所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，无刷电动转向控制单元的永磁同步电机模块还包括电机相线隔离模块、驱动桥和隔离继电器，隔离继电器包括第一继电器和第二继电器，MCU1和MCU2同时与电机相线隔离模块相连接，MCU1还与驱动桥相连接，驱动桥、第一继电器和第二继电器同时与永磁同步电机本体相连接，电机相线隔离模块与第一继电器和第二继电器相连接，其特征是，MCU1上电初始化时对内部软件、数据和驱动桥外围电路进行故障检测，仅当MCU1检测无助力故障和驱动桥无驱动故障时MCU1 输出RLY_HSD为低和RLY_LSD_PWM为高；MCU2内部进行上电初始化检测，仅当MCU2检测无助力故障且发动机处于运行状态时，RLY_DRV_DIS才输出为低；仅当RLY_HSD = 0、RLY_LSD_PWM = 1和RLY_DRV_DIS = 0时，电机相线隔离模块控制隔离继电器导通，否则隔离继电器不导通。
9.根据权利要求5所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，无刷电动转向控制单元的永磁同步电机模块还包括电机相线隔离模块、驱动桥和隔离继电器，隔离继电器包括第一继电器和第二继电器，MCU1和MCU2同时与电机相线隔离模块相连接，MCU1还与驱动桥相连接，驱动桥、第一继电器和第二继电器同时与永磁同步电机本体相连接，电机相线隔离模块与第一继电器和第二继电器相连接，其特征是，MCU1或MCU2进行上电初始化检验，如果任何一方出现校验错误时，该MCU对错误进行等级分类，如果错误等级达到助力故障时，该MCU禁止隔离继电器的导通，防止意外助力的产生；如果MCU1和MCU2 上电初始化校验中的错误代码较低或无故障，隔离继电器导通，系统进入助力模式。
10.根据权利要求9所述的一种基于功能安全设计的无刷电动转向控制方法，其特征是，在正常运行时如发现故障，EPS控制器对故障进行等级识别，等级1故障将作为故障信息被记录，系统助力不受影响，等级2故障的产生，将使EPS系统执行故障模式切换，系统进入限制助力模式后，EPS控制器的系统助力将以限制百分比模式输出，且故障灯亮以提示驾驶员。
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