CN107745743B - 一种基于功能安全的电动助力转向控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，包括电源、双核单片机、系统基础芯片、预驱动芯片、功率桥、电机继电器和与电机继电器相连的电机；双核单片机采集转向盘力矩和转角信号并通过CAN总线获得车速信号，按照既定的助力控制策略，计算出助力需求，传递给电机控制算法，电机控制算法生成门驱动信号，通过预驱动芯片来控制功率桥开闭，产生三相电流，驱动电机产生助力力矩。本发明安全性高，而且改善了现有技术只靠监控MCU与主MCU定时的通过通用串行数据总线接口进行通信校验难以检测到全部失效，诊断覆盖率低、以及使用两个单片机使得系统成本较高，尺寸和功耗都比较大的问题。

Description

一种基于功能安全的电动助力转向控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于功能安全的电动助力转向控制系统。
背景技术
目前，动力转向系统主要有三种形式：液压助力转向系统(Hydraulic PowerSteering，HPS)、电控液压助力转向系统(Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS)和电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)。
HPS可以提供较大的助力，因此在中大型汽车上得到了广泛的应用，但是它的转向特性单一，一旦设计完成就不能再进行调节与控制，很难协调转向轻便与保持路感之间的矛盾,另外它存在渗油、燃油经济性差等缺点。EHPS是在HPS的基础上，增加了电子控系统，实现了车速感应型助力特性的液压动力转向，但它仍然存在渗油、系统复杂、成本高、燃油经济性差等缺点。EPS利用电机作为助力来源，完全抛弃了传统的液压机构，避免了HPS和EHPS的很多缺点，能耗低、结构简单、低温性能好、环境污染少，而且能够根据车速和使用工况自动调节助力大小，比较好的解决了驾驶员不同车速下不同路感需求的问题。
但是伴随着EPS系统使用数量的提高，因为EPS系统故障而发生的召回数量也在增加，仅2015年之间大众、丰田、通用、现代、等汽车厂家都出现过EPS系统故障召回事件，受到影响的车辆达到200多万辆，造成了巨大人力、财力损失。EPS利用电机作为助力来源，提升了电子电气系统的复杂性。但由系统性和随机硬件失效导致的安全风险却随电子电气系统复杂性提高而增加。而ISO26262道路车辆功能安全标准恰当且可行地定义了电气、电子系统的使用安全性,主要定位在汽车行业中特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件,提供了一整套方法和流程，来保证汽车电子电气系统满足功能安全要求。现有技术：
传统的EPS系统通常包括用于传输汽车实时信号的传感器、用于采集所述传感器的信号和电机电流反馈信号并做出反应的电动助力转向控制器MCU、为主控制器供电的电源芯片、助力电机驱动电路、助力电机等几部分组成。但这并不满足ISO26262道路车辆功能安全标准中提出的对于更高安全功能的需求,EPS系统根据车辆的行驶工况，实时的调整助力大小、方向及驾驶员操纵方向盘时的手感，对驾驶员的转向动作进行干预,因此对于其安全性就提出了更多的要求。现有的EPS安全架构多是采用异构双处理器，包括一个执行控制程序的主单片机(主MCU)和一个执行安全应用的安全单片机(安全MCU)。
现有车辆EPS系统能够根据驾驶员意图，提供转向支持，具有主动回正功能，且能够通过CAN网络向车内其它系统提供转向角度。针对电动助力转向系统功能的改进更多的倾向于对电机性能的改善和对助力特性的优化上，忽视了EPS系统本身的可靠性，EPS系统根据车辆的行驶工况，实时的调整助力大小、方向及驾驶员操纵方向盘时的手感，对驾驶员的转向动作进行干预。然而EPS系统一旦失效，整个助力转向系统就会发生助力与驾驶员意愿不符甚至给出错误助力的现象，将直接威胁车辆的行驶安全以及驾驶员和乘员的人身安全。因此,竭尽所能的完善控制器的安全策略,提高控制器的安全等级成为了控制器软硬件设计时的重中之重。
现有技术主要具有以下缺点：
1)在产品开发时，针对两种单片机需要两套不同的开发工具，编程和调试环境较复杂，另外使用两个单片机使得系统成本较高，尺寸和功耗都比较大。
2)在电动助力转向系统中,通过直流电机实现助力、回正、阻尼控制的过程中,需要频繁启动、制动、正转、反转,长时间使用以后容易出现多种系统故障,只靠监控MCU与主MCU定时的通过通用串行数据总线接口进行通信校验难以检测到全部失效，诊断覆盖率低。
发明内容
本发明为了克服EPS系统因电子电气系统复杂性提高而带来的系统性失效和随机硬件失效，以及失效导致的安全风险；改善现有技术只靠监控MCU与主MCU定时的通过通用串行数据总线接口进行通信校验难以检测到全部失效，诊断覆盖率低、以及使用两个单片机使得系统成本较高，尺寸和功耗都比较大的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，包括电源、双核单片机、系统基础芯片、预驱动芯片、功率桥、电机继电器和与电机继电器相连的电机；
双核单片机采集转向盘力矩和转角信号并通过CAN总线获得车速信号，按照既定的助力控制策略，计算出助力需求，传递给电机控制算法，电机控制算法生成门驱动信号，通过预驱动芯片来控制功率桥开闭，产生三相电流，驱动电机产生助力力矩。
作为优选方式，相电流信号、电机转子位置信号回采到单片机，做电流跟随控制，以便产生理想的助力力矩。
作为优选方式，所述的系统基础芯片为系统基础芯片TPS65381，所述的预驱动芯片为预驱动芯片DRV3201，所述的双核单片机为MCU TMS570LS3137。
作为优选方式，电源为蓄电池，蓄电池与系统基础芯片内部的电压变换器相连，通过电压变换器给系统基础芯片、预驱动芯片以及功率桥供电。
作为优选方式，系统基础芯片向双核单片机、外部传感器以及CAN收发器供电；系统基础芯片内建系统监控机制模块能够对输出的电压高低、时钟、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发系统基础芯片内置的复位/使能输出发生器；系统基础芯片内置问答看门狗通过SPI与双核单片机进行问答通信，当双核单片机发生跑飞、死锁等故障无法“喂狗”时，系统基础芯片将触发复位/使能输出发生器；系统基础芯片的复位/使能输出发生器将复位双核单片机并输出使能信号关闭预驱动芯片和电机继电器。
作为优选方式，预驱动芯片带有系统监控机制模块，能够对时钟、供电电压、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发预驱动错误信号发生器；三相桥驱动模块欠压或过压、门驱动信号死区时间异常、驱动桥桥臂发生短路等故障，也会触发预驱动错误信号发生器；预驱动错误信号发生器将错误信号发给预驱错误信号监测模块，双核单片机接收到此错误信号后，将通过使能输出通道关闭预驱和电机继电器，保证系统处于安全状态。
作为优选方式，双核单片机内的CPUa和CPUb通过Lockstep技术对转向盘力矩信号、转向盘转角信号、电机转子信号、相电流信号CAN收发器传递过来的车速信号等进行相同处理，并将比对计算结果传给MCU错误信号发生器，同时MCU错误信号发生器还接收系统监控机制监测的时钟、电压、存储器故障；系统基础芯片内的MCU错误信号检测模块监测到MCU错误信号发生器发出的错误信号后，触发复位/使能输出发生器，复位MCU并输出使能信号关闭预驱和电机继电器。
作为优选方式，双核单片机通过控制输出回采模块对预驱动使能和电机继电器使能进行回采，并与系统基础芯片复位/使能输出发生器和MCU使能输出通道和发出的使能信号进行对比，增加对这两个使能信号的诊断覆盖，减少系统失效概率。
作为优选方式，双核单片机可以通过SPI通信对系统基础芯片和预驱动芯片进行配置，并获得诊断信息。
本发明的有益效果是：本发明采用的失效安全措施是关闭电机助力，关闭助力的方式是关闭预驱动芯片使能和关闭电机继电器。电机继电器使能关闭后，电机与三相桥或功率桥的连接将切断，电机失去动力，EPS助力被关闭，安全性高。本发明改善现有技术只靠监控MCU与主MCU定时的通过通用串行数据总线接口进行通信校验难以检测到全部失效，诊断覆盖率低、以及使用两个单片机使得系统成本较高，尺寸和功耗都比较大的问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，包括电源、双核单片机、系统基础芯片、预驱动芯片、功率桥、电机继电器和与电机继电器相连的电机；
双核单片机采集转向盘力矩和转角信号并通过CAN总线获得车速信号19，按照既定的助力控制策略，计算出助力需求，传递给电机控制算法，电机控制算法生成门驱动信号，通过预驱动芯片来控制功率桥MOSFET(如图1中的三相桥)开闭，产生三相电流，驱动电机产生助力力矩。
系统基础芯片内设置了电压变换器2、系统监控机制模块6、复位/使能输出发生器7、问答看门狗8、MCU错误信号检测模块22、诊断和配置信息模块和SPI，诊断和配置信息模块和SPI相连，各部分的连接关系如图1所示；
双核单片机包括使能输出13、使能输出14、控制输出回采模块23、PWM、MCU复位模块、预驱错误信号检测模块12、MCU错误信号发生器20、系统监控机制模块21、CPUa、CPUb和SPI，各部分的连接关系如图1所示；
预驱动芯片包括使能信号EN端、电压变换器3、三相桥驱动模块11、预驱错误信号发生器10、系统监控机制模块9、诊断和配置信息模块和SPI，各部分的连接关系如图1所示。
蓄电池1通过电压变化器2和3给系统基础芯片TPS65381、预驱动芯片DRV3201以及三相桥供电。
基础芯片TPS65381向MCU TMS570LS3137、以及外部传感器4和CAN收发器5供电。其内建系统监控机制6能够对输出的电压高低、时钟、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发复位/使能输出发生器7；系统基础芯片内置的问答看门狗8通过SPI与MCUTMS570LS3137进行问答通信，当MCUTMS570LS3137发生跑飞、死锁等故障无法“喂狗”时，系统基础芯片TPS65381将触发复位/使能输出发生器7。系统基础芯片的复位/使能输出发生器将复位MCU并输出使能信号关闭预驱和电机继电器。
预驱动芯片DRV3201带有系统监控机制9，能够对时钟、供电电压、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发预驱动错误信号发生器10；三相桥驱动模块11欠压或过压、门驱动信号死区时间异常、驱动桥桥臂发生短路等故障，也会触发预驱动错误信号发生器10。预驱动错误信号发生器10将错误信号发给预驱错误信号监测模块12，MCUTMS570LS3137接收到此错误信号后，将通过使能输出通道13和14关闭预驱和电机继电器，保证系统处于安全状态。
MCUTMS570LS3137内的CPUa和CPUb通过Lockstep技术对转向盘力矩信号15、转向盘转角信号16、电机转子信号17、相电流信号18、CAN收发器5传递过来的车速信号19等进行相同计算处理如相同的逻辑运算，并将比对计算结果当两者的结果一致时，不会触发信号发生器；当结果不一致时，触发错误信号发生器传给MCU错误信号发生器20，同时MCU错误信号发生器20还接收系统监控机制21监测的时钟、电压、存储器故障。系统基础芯片TPS65381内的MCU错误信号检测模块22监测到MCU错误信号发生器20发出的错误信号后，触发复位/使能输出发生器7，复位MCU并输出使能信号关闭预驱和电机继电器。
此外，还通过控制输出回采模块23对预驱动使能和电机继电器使能进行回采，并与系统基础芯片复位/使能输出发生器7和MCU使能输出通道13和14发出的使能信号进行对比，增加对这两个使能信号的诊断覆盖，减少系统失效概率。
MCU还可以通过SPI通信对系统基础芯片和预驱动芯片进行配置，并获得诊断信息。失效安全措施：
本发明采用的失效安全措施是关闭电机助力，关闭助力的方式是关闭预驱动芯片使能和关闭电机继电器。预驱动芯片使能由系统基础芯片的复位/使能输出发生器7和MCU的使能输出通道13通过与门控制。当系统基础芯片复位/使能信号和MCU使能输出信号都为高电平时，使能有效；任何一个信号为低电平，使能关闭，预驱动芯片不再向三相桥输出驱动信号，电机助力被关闭。电机继电器使能与预驱动芯片使能类似，由系统基础芯片的复位/使能输出发生器7和MCU的另一路使能输出通道14通过与门控制。使用另一路使能输出可以减少由于MCU使能输出引脚故障导致系统无法返回安全状态的失效概率。电机继电器使能关闭后，电机与三相桥的连接将切断，电机失去动力，EPS助力被关闭。
本发明提供一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，采用一个单片机双核架构，能够有效解决异构双处理器结构复杂、成本较高、尺寸和功率消耗较大的问题，并含有多重系统监控机制，具有诊断覆盖率高的优点，能够满足非常苛刻的功能安全要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：包括电源、双核单片机、系统基础芯片、预驱动芯片、功率桥、电机继电器和与电机继电器相连的电机；
双核单片机采集转向盘力矩和转角信号并通过CAN总线获得车速信号，通过预驱动芯片来控制功率桥开闭，产生三相电流，驱动电机产生助力力矩；
系统基础芯片向双核单片机、外部传感器以及CAN收发器供电；系统基础芯片内建系统监控机制模块能够对输出的电压高低、时钟、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发系统基础芯片内置的复位/使能输出发生器；系统基础芯片内置问答看门狗通过SPI与双核单片机进行问答通信，当双核单片机发生跑飞、死锁故障无法“喂狗”时，系统基础芯片将触发复位/使能输出发生器；系统基础芯片的复位/使能输出发生器将复位双核单片机并输出使能信号关闭预驱动芯片和电机继电器；
预驱动芯片带有系统监控机制模块，能够对时钟、供电电压、温度进行监测，过压或欠压、时钟异常、温度过高均会触发预驱动错误信号发生器；三相桥驱动模块欠压或过压、门驱动信号死区时间异常、驱动桥桥臂发生短路故障，也会触发预驱动错误信号发生器；预驱动错误信号发生器将错误信号发给预驱错误信号监测模块，双核单片机接收到此错误信号后，将通过使能输出通道关闭预驱和电机继电器，保证系统处于安全状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：相电流信号、电机转子位置信号回采到单片机，做电流跟随控制，以便产生理想的助力力矩。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：所述的系统基础芯片为系统基础芯片TPS65381，所述的预驱动芯片为预驱动芯片DRV3201，所述的双核单片机为MCU TMS570LS3137。
4.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：电源为蓄电池，蓄电池与系统基础芯片内部的电压变换器相连，通过电压变换器给系统基础芯片、预驱动芯片以及功率桥供电。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：双核单片机内的CPUa和CPUb通过Lockstep技术对转向盘力矩信号、转向盘转角信号、电机转子信号、相电流信号、CAN收发器传递过来的车速信号进行相同处理，并将比对计算结果传给MCU错误信号发生器，同时MCU错误信号发生器还接收系统监控机制监测的时钟、电压、存储器故障；系统基础芯片内的MCU错误信号检测模块监测到MCU错误信号发生器发出的错误信号后，触发复位/使能输出发生器，复位MCU并输出使能信号关闭预驱和电机继电器。
6.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：双核单片机通过控制输出回采模块对预驱动使能和电机继电器使能进行回采，并与系统基础芯片复位/使能输出发生器和MCU使能输出通道和发出的使能信号进行对比，增加对这两个使能信号的诊断覆盖，减少系统失效概率。
7.根据权利要求1所述的一种基于功能安全的电动助力转向控制系统，其特征在于：双核单片机可以通过SPI通信对系统基础芯片和预驱动芯片进行配置，并获得诊断信息。
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