CN108702099B - 电子控制装置以及搭载了该电子控制装置的电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子控制装置，在该电子控制装置中，针对与BIST功能相关联的MCU，外部WDT总是可以正确地检测出异常(故障)，从而能够维持系统安全。本发明的电子控制装置是通过MCU并经由“由半导体开关元件来构成”的逆变器来控制的，其具备外部监视计时器(外部WDT)、重置电路和ON/OFF控制单元，其中，外部WDT检测出MCU的异常；重置电路在外部WDT检测出了MCU的异常的时候，对MCU进行重置；ON/OFF控制单元通过外部WDT来导通或关断(ON/OFF)半导体开关元件的栅极，在外部WDT处于无效状态的情况下，通过经由ON/OFF控制单元来关断栅极以便停止逆变器，在外部WDT处于有效状态并且没有检测出MCU的异常的情况下，通过经由ON/OFF控制单元来导通栅极以便驱动逆变器，在检测出了MCU的异常的情况下，通过重置电路以及ON/OFF控制单元来关断栅极，从而停止逆变器。

Description

电子控制装置以及搭载了该电子控制装置的电动助力转向 装置
技术领域
本发明涉及一种电子控制装置，本发明尤其涉及一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置通过MCU(Micro Controller Unit，微控制器单元)(CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)、MPU(Micro Processor Unit，微处理器单元)、微型计算机等)并且经由“由作为半导体开关元件的FET(场效应晶体管)的电桥来构成”的逆变器，来对车辆的辅助控制用电动机进行驱动控制。还有，本发明尤其涉及一种电子控制装置，在该电子控制装置中，MCU具有BIST(Built-In Self-Test(内置自检)：自我诊断电路)功能，或者，MCU与具有BIST功能的外部电路进行协作，通过设置于外部的WDT(Watch Dog Timer，监视计时器)来检测出MCU的异常(故障)，从而对半导体开关元件(例如，FET(Field EffectTransistor))的栅极进行导通或关断(ON/OFF)控制，即使在MCU发生了异常的情况下，通过关断栅极来停止逆变器的驱动，也能够维持系统的安全。
背景技术
搭载了电子控制装置，并且，利用电动机的旋转力将转向辅助力(辅助力)赋予给车辆的转向机构的电动助力转向装置(EPS)将电动机的驱动力经由减速装置并且通过诸如齿轮或皮带之类的传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确地产生转向辅助力的扭矩，这样的现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制通过调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小，一般来说，通过调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(duty ratio)来进行电动机外加电压的调整。还有，通过“由作为半导体开关元件的FET的电桥来构成”的逆变器来对电动机进行驱动控制。
参照图1对电动助力转向装置的一般结构进行说明。如图1所示，转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R连接。另外，在柱轴2上设有用于检测出转向盘1的转向扭矩Th的扭矩传感器10和用于检测出转向角θ的转向角传感器14，对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2连接。作为电源的电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元))30进行供电，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vel来进行辅助控制的电流指令值的运算，通过对运算出的电流指令值实施补偿等后而得到的电压控制指令值Vref来控制供应给电动机20的电流。还有，也可以从与电动机20相连接的旋转传感器处获得转向角θ。
另外，用于收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vel也能够从CAN40处获得。此外，用于收发CAN40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非CAN41也可以被连接到控制单元30。
在这样的电动助力转向装置中，尽管控制单元30主要由MCU(也包含CPU、MPU等)来构成，但在该MCU内部由程序执行的一般功能，如图2所示。
参照图2对控制单元30的功能和动作进行说明。如图2所示，来自扭矩传感器10的转向扭矩Th和来自车速传感器12(或CAN40)的车速Vel被输入到电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于转向扭矩Th以及车速Vel并使用辅助图(assist map)等来运算出电流指令值Iref1。运算出的电流指令值Iref1在加法单元32A与来自用于改善特性的补偿单元34的补偿信号CM相加，相加后得到的电流指令值Iref2在电流限制单元33中被限制了最大值，被限制了最大值的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中以便在减法单元32B中对其和电动机电流检测值Im进行减法运算。
PI控制单元35对在减法单元32B中得到的减法结果I(＝Irefm－Im)进行PI(比例积分)控制，经过PI控制后得到的电压控制指令值Vref与调制信号(载波)CF一起被输入到PWM控制单元36中以便运算出占空比，通过已经运算出占空比的PWM信号并且经过逆变器37来对电动机20进行PWM驱动。电动机电流检测器38检测出电动机20的电动机电流值Im，由电动机电流检测器38检测出的电动机电流值Im被反馈输入到减法单元32B中。
另外，补偿单元34先在加法单元344将检测出或估计出的自对准扭矩(SAT)343与惯性补偿值342相加，然后在加法单元345将在加法单元344中得到的加法结果与收敛性控制值341相加，最后将在加法单元345中得到的加法结果作为补偿信号CM输入到加法单元32A以便进行特性改善。
在电动机20为三相无刷电动机的情况下，PWM控制单元36以及逆变器37的详细结构例如为图3所示那样的结构。PWM控制单元36由MCU内的占空比运算单元36A和栅极驱动单元36B来构成，其中，占空比运算单元36A基于电压控制指令值Vref并按照所规定的式子来运算出三个相的PWM的占空比信号D1～D6；栅极驱动单元36B通过占空比信号D1～D6对作为半导体开关元件的各个FET的栅极进行驱动，并且，进行死区时间的补偿并进行导通或关断(ON/OFF)。还有，调制信号(载波)CF被输入到占空比运算单元36A中，占空比运算单元36A与调制信号CF同步后，运算出PWM的占空比信号D1～D6。
另外，逆变器37由具有高端FET1～FET3以及低端FET4～FET6的三相电桥来构成，通过由栅极驱动单元36B按照PWM的占空比信号D1～D6来分别导通或关断(ON/OFF)FET1～FET6以便对电动机20进行驱动。还有，FET1～FET6为带有用于防止回流的寄生二极管的FET。
此外，用于在辅助控制停止时等切断电流供给的电动机释放开关23被插入在逆变器37与电动机20之间。另外，电动机释放开关23由被插入到各个相的带有寄生二极管的FET来构成。
在这样的电动助力转向装置中，在现有技术中，作为用于检测出“MCU发生了异常(包括故障)”的系统，例如有日本特开2003-26024号公报(专利文献1)中所公开的装置。在专利文献1中，如图4所示，在MCU100A发生了异常的情况下，为了防止“变成危险动作”，将作为异常检测电路的WDT(Watch Dog Timer)110连接到MCU100A的外部，当WDT110检测出MCU100A的异常的时候，WDT110输出重置信号RS，还有，设有用于对重置信号RS进行整形并且对MCU100A进行重置的重置电路120。还有，电源生成电路130对MCU100A进行供电，并且，转向扭矩Th、车速Vel、转向角θ等被输入到MCU100A中，由MCU100A运算出的FET驱动用的PWM的占空比信号D1～D6经由栅极驱动单元36B以及逆变器37，对电动机20进行控制驱动。
另外，外部WDT110输入来自MCU100A的异常检测用的信号，在检测出了异常信号的情况下，输出重置信号RS，经由重置电路120对MCU100A进行重置，以便停止MCU100A，从而能够停止系统并且确保安全。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-26024号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，最近的功能安全对应的MCU在MCU内部设有安全功能，这样的功能安全对应的MCU内置用于判断该安全功能是否正常地工作的硬件自我诊断(硬件BIST(自我诊断电路))功能，存在“在执行BIST时的软件无法工作的期间中，无法将信号输出到外部WDT”的限制。另一方面，如果在BIST期间中，外部WDT进行工作的话，则因为无法输入来自MCU的信号，存在“错误地检测为MCU发生了异常”的可能性，所以需要在BIST期间中，预先将外部WDT的功能设定为无效状态(Disable)。
当考虑了MCU启动时的BIST期间并且外部WDT的功能处于无效状态的时候，在MCU从启动时就发生了故障的情况下，存在“因为外部WDT无法检测出MCU的异常，所以作为系统有可能会导致危险动作”的问题。
因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电子控制装置以及搭载了该电子控制装置的电动助力转向装置，在该电子控制装置中，针对具有BIST功能的MCU或与具有BIST功能的外部电路进行协作的MCU，外部WDT总是可以正确地检测出异常(故障)，从而能够维持系统的安全。
解决技术问题的技术方案
本发明涉及一种电子控制装置，其是通过微控制器单元(MCU)并经由“由半导体开关元件来构成”的逆变器来控制的，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备具备外部监视计时器(外部WDT)、重置电路和ON/OFF控制单元，所述外部WDT检测出所述MCU的异常，所述重置电路在所述外部WDT检测出了所述MCU的异常的时候，对所述MCU进行重置，所述ON/OFF控制单元通过所述外部WDT来导通或关断(ON/OFF)所述半导体开关元件的栅极，在所述外部WDT处于无效状态的情况下，通过经由所述ON/OFF控制单元来关断所述栅极以便停止所述逆变器，在所述外部WDT处于从所述无效状态迁移过来的有效状态并且没有检测出所述MCU的异常的情况下，通过经由所述ON/OFF控制单元来导通所述栅极以便驱动所述逆变器，在检测出了所述MCU的异常的情况下，通过所述ON/OFF控制单元来关断所述栅极，从而停止所述逆变器，并且，通过所述重置电路对所述MCU进行重置。
还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：所述MCU具有内置自检功能(BIST功能)或者所述MCU与具有BIST功能的外部电路进行协作；或，所述半导体开关元件为场效应晶体管(FET)；或，在所述无效状态下启动所述外部WDT，基于来自所述MCU的脉冲信号，将所述外部WDT迁移到所述有效状态；或，所述外部WDT设有无效状态/有效状态用的控制端子，通过由所述MCU来操作所述控制端子，以便将所述外部WDT迁移到所述有效状态；或，在所述无效状态下启动所述外部WDT，基于与所述MCU之间的串行外设接口通信(SPI通信)，将所述外部WDT迁移到所述有效状态。
另外，本发明的上述目的可以通过搭载了上述各个电子控制装置的电动助力转向装置来实现。
发明的效果
根据本发明的电子控制装置，因为设有用于监视具有BIST功能的MCU或与具有BIST功能的外部电路进行协作的MCU的动作的外部WDT，并且，基于来自MCU的控制信号，经由FET电桥的栅极驱动单元以及逆变器37，来对辅助控制用的电动机进行驱动，所以在外部WDT处于无效状态(Disable)的情况下，不管MCU是否发生了异常(故障)，通过将驱动停止信号(栅极关断信号(栅极OFF信号))输出到栅极驱动单元，以便停止逆变器。还有，在按照所规定的条件使外部WDT从无效状态迁移到有效状态(Enable)，外部WDT处于有效状态并且没有检测出MCU的异常的情况下，通过输出栅极导通信号(栅极ON信号)来驱动逆变器，在外部WDT处于有效状态并且检测出了MCU的异常的情况下，通过输出栅极OFF信号来停止逆变器，并且，对MCU进行重置。因此，能够维持系统的安全。
即使在外部WDT处于无效状态(Disable)并且发生了MCU故障的情况下，因为通过关断栅极来停止了输出驱动器(output driver)，所以也具有能够维持系统的安全的效果。还有，因为在外部WDT处于有效状态(Enable)的条件下，通过使用来自MCU的具有一定周期的脉冲信号等，在确认了“MCU正在正常地工作”之后，外部WDT能够处于有效状态(Enable)(“关断栅极”的解除)，所以具有能够安全地启动FET驱动以及电动机驱动的效果。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是表示电动助力转向装置的控制系统的结构示例的结构框图。
图3是表示一般的PWM控制单元以及逆变器的结构示例的接线图。
图4是表示现有的具有保护功能的逆变器的结构示例的接线图。
图5是表示本发明的结构示例的结构框图。
图6是表示栅极驱动单元的结构示例的结构框图。
图7是表示本发明的动作示例的流程图。
具体实施方式
本发明为通过微控制器单元(MCU)并经由“由半导体开关元件来构成”的逆变器来进行控制的电子控制装置，搭载了电子控制装置的电动助力转向装置通过具有BIST功能的MCU或与具有BIST功能的外部电路进行协作的MCU来对电动机进行PWM驱动控制，以便将辅助力赋予给车辆的转向系统。由作为半导体开关元件的FET的电桥来构成的逆变器被用于对电动机进行驱动。设有“用于检测出MCU的异常(包括故障)”的外部WDT和“用于按照来自外部WDT的信号来导通或关断(ON/OFF)逆变器的各个FET的栅极”的ON/OFF控制单元。在外部WDT处于无效状态(Disable)的情况下，不管MCU是否发生了异常，通过关断FET的栅极，这样就停止了逆变器。还有，在按照所规定的条件使外部WDT从无效状态(Disable)迁移到有效状态(Enable)，外部WDT在有效状态下没有检测出MCU的异常的情况下，通过导通FET的栅极来驱动逆变器，在外部WDT在有效状态下检测出了MCU的异常的情况下，通过关断FET的栅极来停止逆变器，并且，对MCU进行重置。通过这样做，就能够维持系统的安全。
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中，对搭载了电子控制装置的电动助力转向装置进行说明。
如与图4相对应的图5所示，本发明通过具有BIST功能的MCU100来进行整体控制，本发明由“用于检测出MCU100的异常”的外部的WDT110、“用于基于从WDT110输出的重置信号RS来对MCU100进行重置”的重置电路120和“用于基于重置信号RS的有无来输出用来导通或关断(ON/OFF)栅极驱动单元36B的栅极的栅极信号RSG”的ON/OFF控制单元140来构成。
在栅极驱动单元36B中，如图6所示，来自MCU100的占空比信号D1～D6分别被输入到AND电路(与电路)36－1～36－6中，还有，栅极信号RSG也被输入到AND电路36－1～36－6中。因为AND电路36－1～36－6分别按照AND条件来输出驱动信号D1A～D6A，所以当栅极信号RSG被输入进来的时候，来自AND电路36－1～36－6的驱动信号D1A～D6A的输出全部变成“OFF”，从而停止逆变器的驱动。当栅极信号RSG没有被输入到AND电路36－1～36－6中的时候，运算出的占空比信号D1～D6直接作为驱动信号D1A～D6A从AND电路36－1～36－6被输出，基于占空比信号D1～D6对逆变器进行驱动。
在这样的结构中，参照图7的流程图对其动作示例进行说明。
电源启动时，MCU100执行“用于检查内置于MCU100中的安全功能是否正常地工作”的硬件BIST(步骤S1)。因为在执行硬件BIST的期间中，软件无法工作，所以MCU100的端子处于BIST期间中的初始设定的状态。另一方面，为了防止“在MCU100执行BIST的期间中，因无法检测出来自MCU100的信号而造成的误检测”，在无效状态(Disable)下启动外部WDT110(步骤S2)，外部WDT110经由ON/OFF控制单元140将栅极信号RSG输出到栅极驱动单元36B，通过关断(OFF)FET1～FET6来停止逆变器37的驱动(步骤S3)。
然后，在硬件BIST完毕后(步骤S4)，当软件开始正常工作的时候，MCU100将用来表示“MCU100正在正常地工作”的具有一定周期的脉冲信号输出到外部WDT110(步骤S5)。外部WDT110检测出具有一定周期的脉冲信号，在能够判断为“MCU100正在正常地工作”的情况下，将外部WDT110的功能从无效状态(Disable)迁移到有效状态(Enable)(步骤S10)，经由ON/OFF控制单元140来解除栅极信号RSG(步骤S11)，继续诊断MCU100的动作(步骤S12)。
在将外部WDT110迁移到有效状态(Enable)之后，在没有检测出MCU100的异常并且MCU100正在正常地工作的情况下，经由ON/OFF控制单元140将栅极信号RSG设定为“导通栅极(栅极ON)”(步骤S15)，对逆变器37进行驱动(步骤S16)，继续进行上述驱动动作。
另一方面，在上述步骤S13中，在MCU100发生了故障并且无法检测出具有一定周期的脉冲信号的情况下，外部WDT110检测出MCU100的异常。当外部WDT110检测出MCU100的异常的时候，外部WDT110输出重置信号RS，经由ON/OFF控制单元140将栅极信号RSG设定为“关断栅极(栅极OFF)”，通过关断(OFF)FET1～FET6来停止逆变器37的驱动(步骤S20)。并且，经由重置电路120对MCU100进行重置(步骤S21)，停止驱动(步骤S22)。
还有，在从电源启动时MCU100就发生了故障或异常并且MCU100工作不正常的情况下，因为不管是否执行了BIST，软件都无法正常工作，所以MCU100无法输出具有一定周期的脉冲信号(步骤S5)。因此，外部WDT110不会从无效状态(Disable)迁移到有效状态(Enable)，通过栅极信号RSG继续关断(OFF)栅极(步骤S3)。
如上所述，即使在外部WDT110处于无效状态(Disable)并且MCU100发生了故障的情况下，因为通过栅极信号RSG来关断栅极，从而停止了输出驱动器，所以也具有能够维持系统的安全的效果。还有，因为在外部WDT110处于有效状态(Enable)的条件下，通过使用来自MCU100的脉冲信号，在确认了“MCU100正在正常地工作”之后，外部WDT110能够处于有效状态(Enable)(栅极信号RSG的解除)，所以具有能够安全地启动FET驱动以及电动机驱动的效果。
尽管在本实施方式中，将外部WDT的有效状态(Enable)的条件设定为来自MCU的具有一定周期的脉冲信号，但在本发明中也可以在外部WDT设置无效状态(Disable)/有效状态(Enable)用的控制端子，并且由MCU来操作控制端子，另外，在本发明中也可以通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)的通信来设定无效状态(Disable)/有效状态(Enable)。
还有，本发明的电子控制装置并不限于应用于电动助力转向装置，例如，本发明的电子控制装置也可以应用于车载控制装置和用于驱动电动机或致动器的通用电子控制装置。
另外，尽管在上述实施方式中MCU本身具有BIST功能，但在本发明中MCU也可以为与具有BIST功能的电路进行协作的MCU。
附图标记说明
1 转向盘(方向盘)
2 柱轴(转向轴或方向盘轴)
10 扭矩传感器
12 车速传感器
13 电池
20 电动机
23 电动机释放开关
30 控制单元(ECU)
31 电流指令值运算单元
35 PI控制单元
36 PWM控制单元
37 逆变器
100 MCU(微控制器单元)
110 WDT(监视计时器)
120 重置电路
130 电源生成电路
140 ON/OFF控制单元

Claims (4)

1.一种电子控制装置，其是通过微控制器单元(MCU)并经由“由半导体开关元件来构成”的逆变器来控制的，其特征在于：
所述微控制器单元具有内置自检功能(BIST功能)或者所述微控制器单元与具有内置自检功能的外部电路进行协作，
具备外部监视计时器(外部WDT)、重置电路和ON/OFF控制单元，
所述外部监视计时器检测出所述微控制器单元的异常，
所述重置电路在所述外部监视计时器检测出了所述微控制器单元的异常的时候，对所述微控制器单元进行重置，
所述ON/OFF控制单元通过所述外部监视计时器来导通或关断(ON/OFF)所述半导体开关元件的栅极，
所述外部监视计时器设有无效状态/有效状态用的控制端子，所述外部监视计时器在无效状态下被启动，通过由所述微控制器单元来操作所述控制端子，以便将所述外部监视计时器迁移到所述有效状态，
在所述外部监视计时器处于无效状态的情况下，通过经由所述ON/OFF控制单元来关断所述栅极以便停止所述逆变器，
在基于所述内置自检功能的确认完毕后，在所述外部监视计时器处于从所述无效状态迁移到所述有效状态并且在所述有效状态下没有检测出所述微控制器单元的异常的情况下，通过经由所述ON/OFF控制单元来导通所述栅极以便驱动所述逆变器，在检测出了所述微控制器单元的异常的情况下，通过所述ON/OFF控制单元来关断所述栅极，从而停止所述逆变器，并且，通过所述重置电路对所述微控制器单元进行重置。
2.根据权利要求1所述的电子控制装置，其特征在于：所述半导体开关元件为场效应晶体管(FET)。
3.一种电动助力转向装置，其特征在于：搭载了权利要求1所述的电子控制装置，通过微控制器单元，基于成为转向指令的电流指令值并且经由所述逆变器来对电动机进行驱动控制，通过所述电动机将辅助力赋予给车辆的转向系统。
4.一种电动助力转向装置，其特征在于：搭载了权利要求2所述的电子控制装置，通过微控制器单元，基于成为转向指令的电流指令值并且经由所述逆变器来对电动机进行驱动控制，通过所述电动机将辅助力赋予给车辆的转向系统。
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