CN111699125A - 为包括有冗余设计的控制装置的机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于为机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法，该机电转向系统包括具有主控制路径(130)和次级控制路径(140)的冗余控制单元(13)，其中，主控制路径(130)具有主计算单元(133)、主驱动器级(135)和主功率模块(136)，并且次级控制路径(140)具有次级计算单元(143)、次级驱动器级(145)和次级功率模块(146)，并且该方法包括以下步骤：检测由驾驶员引入的转向扭矩(111)；在无错误的情况下，根据由驾驶员引入的转向扭矩(111)，在所述主计算单元(133)中计算主马达目标扭矩和次级马达目标扭矩；将主目标马达扭矩传递至主计算单元(133)的主马达控制器(138)，并且在主马达控制器(138)中确定用于操作主电动马达(91)或电动马达(9)的主绕组的主马达电流；以及，借助于信号线(150)将次级目标马达扭矩从主计算单元(133)传递至次级计算单元(143)的次级马达控制器(148)，并且在次级计算单元(143)的次级马达控制器(148)中确定用于操作次级电动马达(92)或电动马达(9)的次级绕组的次级马达电流。

Description

为包括有冗余设计的控制装置的机动车辆的机电转向系统提 供转向辅助的方法
技术领域
本发明涉及用于为具有权利要求1的前序部分的特征的机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法，以及具有能够执行该方法的控制装置的机动车辆的机电转向系统。
背景技术
当前可用的EPS系统被设计为“故障沉默”，即，如果检测到故障(在数据处理系统或电力电子器件中)，则将关闭动力转向系统的辅助，以避免发生不期望的状况、比如方向盘锁死。这种方法不适用于自动驾驶或半自动驾驶。在自动驾驶模式中，机动车辆可以使用驾驶员辅助系统的各种传感器来检测机动车辆的环境，并且可以通过设置预定值来完全自动地控制机动车辆。另一方面，在半自动驾驶模式中，驾驶员辅助系统通过指定预定转向角来自动转向。例如，半自动停车过程就是这种情况。在这种情况下，驾驶员辅助系统负责机动车辆的转向，驾驶员操作加速踏板和制动器。
例如，对于自动驾驶，需要汽车安全完整性等级(ASIL)质量标准，以确保一定程度的可靠性或转向可用性。为了满足半自动和自动驾驶的这些更高的安全性要求，提出了冗余的概念。
公开文献DE 10 2015 104 850 A1公开了一种冗余概念，其具有第一部分驱动器和第二部分驱动器，该第一部分驱动器具有第一控制电子器件、第一中间电路、第一功率放大器以及马达的第一绕组，该第二部分驱动器具有第二控制电子器件、第二中间电路、第二功率放大器以及马达的第二绕组，其中，在第一控制电子器件与第二控制电子器件之间、第一中间电路与第二中间电路之间、第一功率放大器与第二功率放大器之间以及第一绕组与第二绕组之间存在电流阻断。电流阻断确保了各个驱动器的最大可能独立性。这确保了缺陷不会在冗余驱动器的几个部分驱动器中传播并因此在尽管存在冗余的情况下仍导致电动转向系统的功能完全丧失。部分驱动器之间的借助于车辆总线的通信是昂贵的。
EP 2 778 021描述了用于产生和验证在动力转向系统中使用的输出指令的方法，其中，提供了主处理路径和次级处理路径，并且次级处理路径形成备用水准。在主处理路径中检测到故障的情况下，次级处理路径负责处理和提供输出指令。
发明内容
本发明的目的是提出用于为机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法，利用该方法，即使在发生故障的情况下也能够确保转向辅助。
该目的将通过具有权利要求1的特征的、为机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法以及能够实施上述方法的用于机动车辆的机电转向系统来实现。在从属权利要求中提到了本发明的有利的进一步改进方案。
因此，提供了为机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法，其中，转向系统包括：转向小齿轮，该转向小齿轮连接至下转向轴，该转向小齿轮接合能够在壳体中沿纵向轴线移动的齿条，以使车轮转向；至少两个电动马达或具有至少两个用于转向辅助的绕组的一个电动马达；扭矩传感器，该扭矩传感器布置在连接至方向盘的上转向轴与下转向轴之间；以及电子控制单元，该电子控制单元用于计算转向辅助。电子控制单元具有冗余控制装置，该冗余控制装置具有主控制路径和次级控制路径。主控制路径具有主计算单元、主栅极驱动器模块以及主功率模块，次级控制路径具有次级计算单元、次级栅极驱动器模块和次级功率模块。该方法包括以下步骤：
使用扭矩传感器来检测由驾驶员施加的转向扭矩，
在无故障的情况下，根据由驾驶员施加的转向扭矩和其他输入变量，在主计算单元中计算主马达目标扭矩和次级马达目标扭矩，
将主马达目标扭矩传递至主计算单元的主马达控制器，
在主马达控制器中确定用于操作主电动马达或电动马达的主绕组的主马达电流，
借助于信号线将次级马达目标扭矩从主计算单元传递至次级计算单元的次级马达控制器，
在次级计算单元的马达控制器中确定用于操作次级电动马达或电动马达的次级绕组的次级马达电流。
即使在控制路径的硬件部件出现故障或软件出现故障的情况下，控制装置的冗余结构也可以提供转向辅助。通过计算单元之间的信号线可以使冗余控制装置保持成本效益。冗余概念实现了高度自动化和自动驾驶过程所需的安全性。
术语“主”和“次级”并不意味着模块必定是不同的，或者具有不同的优先级或对错误的敏感性。它们既可以是相同的，也可以是不同的。
经由信号线的通信优选地经由串行外围接口(SPI)或通用异步接收器发送器(UART)来实施。
优选地，该方法还具有以下步骤：
通过故障的控制路径来检测控制路径中的一个控制路径中的故障状态，
关闭故障的控制路径的转向辅助。
在优选实施方式中，在控制路径中的一个控制路径出现故障的状态下，该故障控制路径停止经由信号线与无故障计算单元的通信。由于通信的缺失，无故障的控制路径会检测故障状态。这意味着可以省略对控制路径的状态的主动监控。
有利地，该方法还具有下述步骤：
如果主控制路径出现故障，则通过主电动马达或电动马达的主绕组关闭转向辅助，
根据由驾驶员施加的转向扭矩和其他输入变量，在次级计算单元中计算次级马达目标扭矩，
将次级马达目标扭矩传递到次级计算单元的次级马达控制器，
在次级计算单元的所述马达控制器中确定用于操作次级电动马达或电动马达的次级绕组的次级马达电流。
仅在这种情况下，次级计算单元才执行转向算法以确定目标马达扭矩。特别地，由于成本原因可能是有利的是，主计算单元(133)连接至主机动车辆总线，其中，次级计算单元经由主机动车辆总线借助于存在于主计算单元与次级计算单元之间的信号线与机动车辆通信。
然而，为了增加冗余而可能的是，主控制路径连接至主机动车辆总线，并且次级控制路径连接至与主机动车辆总线分开的次级机动车辆总线。
优选地，其他输入变量包括以下变量中的至少一个变量：车辆速度、借助于转子位置传感器测量的瞬时转子位置、在相绕组中的测得电流值。
为了增加冗余，主控制路径和次级控制路径可以各自具有连接至电源的集成电路，该集成电路对转子位置传感器和相应的计算单元进行电流监控。
优选地，主要控制路径和次要控制路径各自具有外部电源。
如果次级计算单元被设计为比主计算单元功率更低，则在成本原因方面可能是有利的。
优选地，主计算单元和次级计算单元是MCU。在集成电路是SBC的情况下可能是有利的。
此外，提供了用于机动车辆的机电转向系统，该机电转向系统具有：转向小齿轮，该转向小齿轮连接至下转向轴，该转向小齿轮与在壳体中安装成能够沿纵向轴线移动的齿条接合，以用于使轮转向；至少一个电动马达，所述至少一个电动马达用于转向辅助；扭矩传感器，该扭矩传感器布置在连接至方向盘的上转向轴与下转向轴之间，并且该扭矩传感器用于检测由驾驶员引入的扭矩；以及电子控制单元，该电子控制单元用于计算转向辅助，该电子控制单元具有设计成实施上述方法的冗余控制装置。
附图说明
下面根据附图描述本发明的示例性实施方式。相同的部件或具有相同功能的部件具有相同的附图标记。在附图中：
图1：示出了机电动力转向系统的示意图，以及
图2：示出了机电动力转向系统的控制单元的框图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了具有方向盘2的机电机动车辆动力转向系统1，该方向盘2以旋转固定的方式联接至上转向轴3。驾驶员借助于方向盘2将相应的扭矩作为转向指令引入到转向轴3中。然后，扭矩经由上转向轴3和下转向轴4传递至转向小齿轮5。小齿轮5以已知的方式接合齿条6的带齿段。齿条6安装在转向壳体中，以能够在其纵向轴线的方向上移动。齿条6在其自由端部处经由未示出的球窝接头连接至拉杆7。拉杆7本身以已知的方式经由轴颈各自连接至机动车辆的转向轮8。方向盘2的旋转经由转向轴3与小齿轮5的连接而致使齿条6纵向平移，并且因此致使转向轮8枢转。转向轮8经由车道80经受将转向运动抵消的反作用力。因此，需要力来使轮8枢转，这需要方向盘2上的相应扭矩。伺服单元10的电动马达9设置成辅助驾驶员进行这种转向运动。
上转向轴3和下转向轴4通过未示出的扭矩杆以挠性扭转的方式彼此连结。扭矩传感器单元11对上转向轴3相对于下转向轴4的旋转进行检测，以作为手动施加至转向轴3或方向盘2的扭矩的量度。伺服单元10根据扭矩传感器单元11测得的扭矩111为驾驶员提供转向辅助。伺服单元10可以作为辅助力辅助装置10、100、101联接至转向轴3、转向小齿轮5或齿条6。相应的辅助力辅助装置10、100、101将辅助扭矩引入到转向轴3、转向小齿轮5和/或齿条6中，从而辅助驾驶员进行转向工作。在图1中示出的三个不同的辅助力辅助装置10、100、101描绘了针对它们的布置的替代位置。通常，所示出的位置中仅一个位置被辅助力辅助装置占据。伺服单元10具有用于计算转向辅助的电子控制单元12。
图2示出了机电转向系统的电子控制单元12的框图。控制单元12包括控制装置(ECU)13。控制装置13是冗余设计的，并且具有主控制路径130和次级控制路径140。在所示的示例性实施方式中，主控制路径130和次级控制路径140的构造相同，即，两个控制路径中的每个控制路径都具有电源、计算单元、功率模块、电动马达和必要的传感器(扭矩、相电流和转子位置)。主控制路径的模块在下文中称为“主”模块，而次级控制路径的模块称为“次级”模块。术语“主”和“次级”不一定意味着模块之间存在权重。模块既可以是相同的，也可以是不同的。
每个控制路径130、140具有优选地为电池的外部电源131、141。连接至电源131、141的集成电路132、142负责对计算单元133、143和转子位置传感器(RPS)134、144进行电流监控。主计算单元133和次级计算单元143优选地为微控制器(MCU)。例如，主集成电路132和次级集成电路142可以是系统基础芯片(SBC)。主电源131和次级电源141还为控制路径130、140的相应的栅极驱动器单元135、145(GDU)和功率模块136、146供电。
主计算单元133和次级计算单元143接收由驾驶员引入到方向盘中并由扭矩传感器单元11测量到的扭矩111。此外，主计算单元133和次级计算单元143各自连接至单独的机动车辆总线137、147，计算单元133、143经由该机动车辆总线接收数据信号。主计算单元133基于由驾驶员引入到方向盘中的扭矩111以及其他输入变量来计算目标马达扭矩，其他输入变量比如为：经由相应的机动车总线137、147所发送的车辆速度v；以及来自电动马达的测量信号，比如借助于转子位置传感器134、144测量的瞬时转子位置和/或相绕组中的测得电流值。借助于算法来计算目标马达扭矩，该算法例如是所谓的增压曲线或转向柱扭矩控制算法。主马达目标扭矩被传递至主计算单元133的主马达控制器138，该主马达控制器借助于PWM由此确定主马达电流。经由将计算单元150连接至次级计算单元143的次级马达控制器148的信号线来传递次级马达目标扭矩，该次级马达控制器借助于脉冲宽度调制(PWM)由此确定次级马达电流。主马达91被主马达电流激励，次级马达92被次级马达电流激励，从而产生用于辅助驾驶员的转向运动的共同扭矩。主马达91和次级马达92在逻辑上相互链接。可以设置两个物理上分开的马达91、92或具有两个绕组的单个马达9。在马达91、92中的一个马达或绕组中的一个绕组发生故障的情况下，则可以获得一半的额定辅助扭矩。
两个控制路径130、140各自被设计为“故障沉默”，即，每个控制路径可以检测其自身的故障或故障状况并通过相关联的马达或绕组将辅助关闭。这通常是通过将具有各种可信度测试的ASIL-D微控制器与在故障情况下能够将电动马达与控制装置断开连接(例如通过相位继电器)的硬件架构结合来实现的。
因为控制路径130、140是冗余设计的，所以即使硬件部件中的一个硬件部件存在故障，控制装置也可以提供辅助力辅助。两个控制路径130、140设计成：i)计算单元可以经由信号线150相互通信(例如，借助于串行外围接口(SPI)、通用异步接收器发射器(UART)等)；并且(ii)两个控制路径130、140至少相互独立至下述程度——一个控制路径的硬件部件中的故障不会导致另一控制路径的硬件部件中的关联故障，其中，两个控制路径的分离可以例如通过永久分配的电源线和地线、隔离控制路径等来实现。优选地，控制路径130、140的软件被设计成使得硬件中以及软件本身中的故障被在控制路径内检测到并导致故障的控制路径的转向辅助的中断或关闭。
在无故障状态下，两个控制路径130、140在理论上都可以借助测得的扭矩和其他测得的值来计算目标马达扭矩并能够控制相应的马达91、92、9。“无故障”并不一定意指完全不存在故障。例如，传感器本身已经被冗余地设计成使得传感器元件中的故障不会导致整个传感器的故障。因此，“无故障”是指存在足够的无故障硬件来使控制路径正确实施马达的计算和控制。
在无故障状态下，主计算单元133进行目标马达扭矩的计算。次级马达目标扭矩经由信号线150传递至次级计算单元143。然后，主计算单元133和次级计算单元143对所分配马达实施马达控制。驱动器和功率模块控制马达。次级马达控制器借助于信号线150给到主计算单元关于由次级马达施加的扭矩的反馈。
两个控制路径130、140各自均被设计为“故障沉默”，即在出现故障的情况下，故障的控制路径130、140的转向辅助被关闭，并且故障的控制路径130、140停止与无故障的控制路径130、140经由信号线150的通信。停止通信允许无故障的控制路径130、140对故障的控制路径130、140中的故障的存在进行检测。因此，不实施对控制路径130、140的状态的主动监控。当没有足够的资源可用来实施必要的测量、计算和对马达进行控制的控制指令时，控制路径130、140就会发生故障。例如，这可能是马达绕组中的短路、FET的半桥中的故障、GDU的故障或计算单元的故障等。
如果次级控制路径140出现故障，则转向辅助通过次级马达92或次级绕组关闭。这并不一定意指着整个次级控制路径140、特别是次级计算单元143和/或传感器不再可用。主控制路径130实施主马达目标扭矩的计算，并且控制主马达91或主绕组。以这种方式，可以维持辅助力辅助中的至少一部分辅助力辅助。为此，不需要改变主控制路径130的软件。
如果主控制路径130出现故障，则类似地，转向辅助通过主马达91或主绕组关闭。次级计算单元143基于由驾驶员引入到方向盘中的扭矩111以及其他输入变量来进行次级马达目标扭矩的计算，并且次级马达92或次级绕组由此借助于次级控制路径140而被控制。为此目的，在次级计算单元143中启动转向算法以用于计算次级马达目标扭矩。
如果控制装置已经处于上述两个故障状态中的一个故障状态，并且在先前无故障的控制路径中检测到另一故障，则将导致整个转向力辅助关闭。
对两个微控制器133、143的CPU进行不同的设计以节省成本可能是有利的。次级计算单元133的数据处理资源可以低于主控制路径的数据处理资源，因为如果主控制路径中的故障导致主控制路径发生故障，则控制装置已经处于受限操作模式中，并且可能仅额定辅助扭矩的一半仍然可用。在这种情况下，无法再保障半自动驾驶模式，使得对目标马达扭矩进行计算的次级微控制器的功率可以显著降低，并且因此更具成本效益。
此外，由于成本原因，可以省去次级控制路径的机动车辆总线。这在以下情况下很有用：(i)控制单元仅允许在不存在故障的情况下与车辆通信，或者(ii)已经冗余设计了主通信总线。
出于成本原因，也可以提供的是取消冗余电源。如果电源故障率可以接受或车辆无法保证冗余电源，则这是有用的。在这种情况下，两个控制路径都连接至共用的电源连接。
本发明通常可以扩展到任何数量的控制路径。先前描述的两个路径的存在只是一种示例。

Claims (13)

1.一种用于为机动车辆的机电转向系统提供转向辅助的方法，所述机电转向系统具有：转向小齿轮(5)，所述转向小齿轮(5)连接至下转向轴(4)，所述转向小齿轮(5)与在壳体中安装成能够沿纵向轴线移动的齿条(6)接合，以用于使轮(8)转向；至少两个电动马达(91、92)或带有至少两个用于转向辅助的绕组的一个电动马达(9)；扭矩传感器(11)，所述扭矩传感器(11)布置在连接至方向盘的上转向轴(3)与所述下转向轴(4)之间；以及电子控制单元(12)，所述电子控制单元(12)用于计算所述转向辅助，其中，所述电子控制单元(12)包括具有主控制路径(130)和次级控制路径(140)的冗余控制装置(13)，其特征在于，所述主控制路径(130)具有主计算单元(133)、主栅极驱动器模块(135)以及主功率模块(136)，并且所述次级控制路径(140)具有次级计算单元(143)、次级栅极驱动器模块(145)以及次级功率模块(146)，并且所述方法具有以下步骤：
使用所述扭矩传感器(11)来检测由驾驶员施加的转向扭矩(111)，
在无故障的情况下，根据由所述驾驶员施加的所述转向扭矩(111)和其他输入变量，在所述主计算单元(133)中计算主马达目标扭矩和次级马达目标扭矩，
将所述主马达目标扭矩传递至所述主计算单元(133)的主马达控制器(138)，
在所述主马达控制器(138)中确定用于操作主电动马达(91)或所述电动马达(9)的主绕组的主马达电流，
借助于信号线(150)将所述次级马达目标扭矩从所述主计算单元(133)传递至所述次级计算单元(143)的次级马达控制器(148)，
在所述次级计算单元(143)的所述次级马达控制器(148)中确定用于次级电动马达(92)或所述电动马达(9)的次级绕组的操作的次级马达电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还具有以下步骤：
通过故障的所述控制路径(130、140)来检测所述控制路径(130、140)中的一个控制路径中的故障状态，
关闭故障的所述控制路径(133、143)的所述转向辅助。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述控制路径(130、140)中的一个控制路径处于故障状态时，故障的所述控制路径(130、140)停止与无故障的所述计算单元(133、143)通过所述信号线(150)的通信，并且无故障的所述控制路径(130、140)基于丢失的所述通信来检测所述故障状态。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还具有以下步骤：
如果所述主控制路径(130)出现故障，则通过所述主电动马达(91)或所述电动马达(9)的所述主绕组关闭所述转向辅助，
根据由所述驾驶员施加的所述转向扭矩(111)和其他输入变量，在所述次级计算单元(143)中计算所述次级马达目标扭矩，
将所述次级马达目标扭矩传递到所述次级计算单元(143)的所述次级马达控制器(148)，
在所述次级计算单元(143)的所述次级马达控制器(148)中确定用于操作所述次级电动马达(92)或所述电动马达(9)的次级绕组的所述次级马达电流。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述主计算单元(133)连接至主机动车辆总线(137)，其中，所述次级计算单元(143)经由所述主机动车辆总线(137)借助于存在于主计算单元(133)与次级计算单元(143)之间的所述信号线(150)与所述机动车辆通信。
6.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述主控制路径(130)连接至主机动车辆总线(137)，并且所述次级控制路径(140)连接至与所述主机动车辆总线(137)分开的次级机动车辆总线(147)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述其他输入变量包括以下变量中的至少一个变量：车辆速度(v)、借助于转子位置传感器(134、144)测量的瞬时转子位置、在相绕组中的测得电流值。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述主控制路径(130)和所述次级控制路径(140)各自具有连接至所述电源(132、142)的集成电路，所述集成电路对转子位置传感器(134、144)和相应的计算单元(133、143)进行电流监控。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述主控制路径(130)和所述次级控制路径(140)各自具有外部电源(131、141)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述次级计算单元(143)被设计为比所述主计算单元(133)功率更低。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述主计算单元(133)和所述次级计算单元(143)是MCU。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述集成电路(132、142)是SBC。
13.一种用于机动车辆的机电转向系统，具有：
转向小齿轮(5)，所述转向小齿轮(5)连接至下转向轴(4)，所述转向小齿轮(5)与齿条(6)接合以用于使轮(8)转向，所述齿条(6)在壳体中安装成能够沿纵向轴线移动；
至少一个电动马达(9、91、92)，所述至少一个电动马达(9、91、92)用于转向辅助；
扭矩传感器(11)，所述扭矩传感器(11)布置在连接至方向盘的上转向轴(3)与所述下转向轴(4)之间，并且所述扭矩传感器(11)检测由驾驶员引入的扭矩(111)；以及
电子控制单元(12)，所述电子控制单元(12)用于计算所述转向辅助，所述电子控制单元(12)具有冗余控制装置(13)，所述冗余控制装置(13)设计成实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
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