CN112351933A - 具有冗余配置的控制单元的机动车辆转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的转向系统的三相电动机(1)的冗余控制单元(5)，其具有初级控制路径(6)和次级控制路径(7)，其中，所述初级控制路径(6)具有初级处理单元(10)，并且所述次级控制路径(7)具有次级处理单元(11)，其中，所述初级控制路径(6)连接到所述电动机的第一相位绕组，并且所述次级控制路径(7)连接到第二相位绕组和第三相位绕组，以用于致动所述电动机，其中，每个相位绕组分配有各自的转换器(12、13、14)。

Description

具有冗余配置的控制单元的机动车辆转向系统
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序的特征的、用于机动车辆的转向系统的控制装置、机电转向系统和用于机动车辆的线控转向系统以及具有权利要求13的前序的特征的、用于为机动车辆的转向系统提供转矩的方法。
背景技术
当前可用的EPS系统以“故障静音”方式配置，即，当检测到故障时(在数据处理系统或电力电子设备中)，关闭来自动力转向系统的辅助，以便避免不期望的状态，比如锁定方向盘。在线控转向系统中还已知的是，在故障的情况下关闭转向致动器并且依靠应急水平。这种方法不适合自动驾驶。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感测机动车辆的周围环境并且可以通过指定预定的值来完全自动地控制机动车辆。对于自动驾驶，例如规定了汽车安全完整性等级(ASIL)质量标准，所述标准确保特定水平的故障安全性或转向系统的可用性。提出了冗余概念，以便允许这些更严格的自动驾驶安全要求。
公开文献DE 10 2015 104 850 A1公开了一种具有第一部分驱动器和第二部分驱动器的冗余概念，第一部分驱动器具有第一电子致动系统、第一中间电路、第一功率输出级和电机的第一绕组，第二部分驱动器具有第二电子致动系统、第二中间电路、第二功率输出级和电机的第二绕组，其中，在第一与第二电子致动系统、第一中间电路与第二中间电路、第一功率输出级与第二功率输出级以及第一绕组与第二绕组之间存在电流分离。电流分离确保了各个驱动器的最高可能程度的独立性。这确保了缺陷不会在冗余驱动器的多个部分驱动器中传播并且因此导致尽管存在冗余但电子转向系统的功能能力的完全失效。
发明内容
因此，本发明的目的是公开一种用于致动用于机动车辆的转向系统的电动机的冗余控制装置。
该目的通过具有权利要求1的特征的、用于机动车辆的转向系统的控制装置、机电转向系统和用于机动车辆的线控转向系统以及通过具有权利要求13的特征的、用于为机动车辆的转向系统提供转矩的方法来实现。在从属权利要求中说明了本发明的有利发展。
因此，提供了一种用于机动车辆的转向系统的三相电动机的冗余控制装置，其具有初级控制路径和次级控制路径，其中，初级控制路径具有初级处理单元，并且次级控制路径具有次级处理单元，并且其中，初级控制路径连接到电动机的第一相位绕组，并且次级控制路径连接到电动机的第二相位绕组和第三相位绕组，以用于致动电动机，其中，每个相位绕组分配有各自的转换器。
根据本发明的控制装置构成鲁棒驱动器的概念，因为在控制路径之一中出现故障的情况下，无故障的控制路径对所分配的相位绕组执行致动，并且因此最大可用电机转矩的至少三分之一是可用的，并且这足以执行安全转向操纵。
初级处理单元优选地配置为基于驾驶员输入到方向盘中的转矩和另外的输入变量来计算设定点电机转矩，并且通过初级电机调节装置，基于设定点电机转矩来确定用于操作第一相位绕组的初级电机电流，并且将其传递到初级转换器。
还优选的是，次级处理单元配置为基于驾驶员输入到方向盘中的转矩和另外的输入变量来计算设定点电机转矩，并且通过次级电机调节装置，基于设定点电机转矩来确定用于操作第二相位绕组和第三相位绕组的次级电机电流，并且将其传递到两个次级转换器。
在这种情况下，另外的输入变量优选地包括以下变量中的至少一个：车辆速度、通过转子位置传感器测量的瞬时转子位置、以及在相位绕组中测量的电流值。
在优选实施例中，初级转子位置传感器和次级转子位置传感器和/或初级转矩传感器单元和次级转矩传感器单元各自的信号分别对于初级处理单元和次处理单元两者可用。这可以增加冗余度。
此外，如果初级控制路径连接到初级机动车辆总线，并且次级控制路径连接到与初级机动车辆总线分离的次级机动车辆总线，则可能是有利的。这也进一步增加了控制路径的冗余度。
优选地，初级控制路径和次级控制路径各自具有用于增加冗余度的外部电源。
优选地设置为，初级处理单元和次级理单元是MCU。
在一个有利的实施例中，次级处理单元被呈现为主处理单元，其在控制装置的无故障状态下配置为计算设定点电机转矩以及其沿着三个转换器的分布，以便致动三个相位绕组。这具有的优点是，因此可以使初级处理单元更小，并且因此更具成本效益。
可以设置布置在初级处理单元与次级转换器中的一个之间的开关，该开关配置为在次级控制路径中发生故障的情况下将初级处理单元连接到次级转换器。因此，在故障的情况下可以增加电动机的功率。
此外，提供了一种用于机动车辆的机电转向系统，其具有：
·转向小齿轮，其连接到下转向轴并且与齿条啮合，并且安装成能够沿着纵向轴线在壳体中移动以便使车轮转向，
·三相电动机，其用于提供动力转向，
·两个转矩传感器，其分别布置在连接到方向盘的上转向轴与下转向轴之间，并且感测驶员输入的转矩，和
·电子控制单元，其用于通过三相电动机来计算动力转向辅助，该电子控制单元包括如前所述的冗余控制装置。
此外，提供了一种用于机动车辆的线控转向系统，其具有转向致动器，转向致动器在转向车轮上工作，根据驾驶员的转向要求进行电子调节，并且通过具有反馈致动器的转向机构作用在转向车轮上，反馈致动器将道路的反作用传递到方向盘，其中，转向致动器包括先前所述的冗余控制装置。
提供了一种用于为机动车辆的转向系统提供转矩的方法，该转向系统具有三相电动机和用于计算将由电动机施加的转矩的电子控制单元，其中，电子控制单元包括具有初级控制路径和次级控制路径的冗余控制装置，初级控制路径具有初级处理单元，并且次级控制路径具有次级处理单元，初级控制路径连接到电动机的第一相位绕组，并且次级控制路径连接到电动机的第二相位绕组和第三相位绕组，以用于致动电动机，其中，每个相位绕组分配有各自的转换器，并且该方法具有以下步骤：
·计算设定点电机转矩，以致动次级处理单元中的所有三个相位绕组，
·将设定点电机转矩传递到初级处理单元的初级电机调节装置，
·确定用于操作初级电机调节装置中的第一相位绕组的初级电机电流，
·确定用于操作次级处理单元的次级电机调节装置中的第二相位绕组和第三相位绕组的次级电机电流，
·检测控制路径中的一者中的故障状态，并且
·关闭故障控制路径的动力转向辅助。
该方法优选地具有以下另外的步骤：
·检测次级控制路径中的故障，
·计算设定点电机转矩，以致动初级处理单元中的初级相位绕组。
次级处理单元优选地基于驾驶员输入到方向盘中的转矩和另外的输入变量来计算设定点电机转矩。
另外的输入变量在此优选地包括以下变量中的至少一个：车辆速度、通过转子位置传感器测量的瞬时转子位置、在相位绕组中测量的电流值。
为了增加冗余度，初级转子位置传感器和次级转子位置传感器和/或初级转矩传感器单元和次级转矩传感器单元各自的信号优选地各自对于初级处理单元和次处理单元两者可用。
初级控制路径优选地从初级机动车辆总线接收数据，而次级控制路径从与初级机动车辆总线分离的次级机动车辆总线接收数据，以便增加两个路径的冗余度。
还可以设置为，初级控制路径和次级控制路径各自连接到外部电源。
初级处理单元和次级处理单元优选是MCU。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的示例性实施例。图1示出了机动车辆动力转向系统的电动机1的示意性框图。电动机1具有三个相位绕组2、3、4以及永磁转子。电动机的相位绕组2、3、4由控制单元致动。控制单元包括控制装置5(ECU)。控制装置5具有冗余配置并且具有初级控制路径6和次级控制路径7。初级控制路径6和次级控制路径7优选地各自具有电源8、9、处理单元10、11、至少一个转换器12、13、14以及必要的传感器15、16(转矩、相位电流和转子位置)。在这种情况下，初级控制路径6的模块在下文中称为“初级”模块，而次级控制路径7的模块称为“次级”模块。术语“初级”和“次级”未必理解为意味着在模块之间存在权重。模块的设计可以相同也可以不同。
初级控制路径6激励单个相位绕组2，而次级控制路径7激励三个相位绕组中的两个3、4。总共设置三个转换器12、13、14，每个转换器励磁三个相位绕组2、3、4中的一个，并且根据其对初级处理单元10或次级处理单元11的相位分配来致动。电压转换器12、13、14优选地各自具有直流电压中间电路，在每个直流电压中间电路中设置有中间电路电容器以稳定直流电压，以便避免例如由于电容器短路而经常引起的故障。
每个控制路径6、7具有外部电源8、9，优选为电池。初级处理单元10和次级处理单元11优选为微控制器(MCU)。初级处理单元10和次级处理单元11接收驾驶员输入到方向盘中的转矩，并且分别由所分配的初级转矩传感器单元15和次级转矩传感器单元16来测量。此外，初级处理单元10和次级处理单元11各自连接到分离的机动车辆总线17、18，处理单元10、11经由车辆总线17、18接收数据信号。初级处理单元10和次级处理单元11基于驾驶员输入到方向盘中的转矩15、16以及另外的输入变量(比如经由相应的机动车辆总线17、18发送的车辆速度v)以及来自电动机的测量信号(比如通过初级转子位置传感器15和次级转子位置传感器16测量的瞬时转子位置和/或相位绕组中的测量电流值)来计算相应的设定点电机转矩。例如，设定点电机转矩在此通过如下算法来计算，该算法包括称为增压曲线(boostcurve)或转向柱转矩控制算法(称为柱转矩控制算法)的算法。初级电机设定点转矩传递到初级处理单元10的初级电机调节装置，初级电机调节装置通过PWM由此确定初级电机电流。次级设定点电机转矩相应地传递到次级处理单元11的次级电机调节装置，次级电机调节装置通过脉宽调制(PWM)由此确定次级电机电流。初级控制路径6分配给初级转换器12，初级转换器12通过初级电机电流以脉宽调制方式来致动。相反，次级控制路径7具有两个次级转换器13、14，它们各自通过次级电机电流以脉宽调制方式来致动。转换器12、13、14通常由使用必要拓扑连接的基于半导体的开关组成。最常用的电子开关是具有绝缘控制电极的双极晶体管(称为绝缘栅双极晶体管(IGBT))或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些半导体开关通过称为栅极驱动器单元(GDU)的装置来致动。由于转换器12、13、14各自分配给电动机的一个相位绕组2、3、4，所以第一相位绕组2通过初级转换器12由初级电机电流供电，第二相位绕组3和第三相位绕组4通过相应的次级转换器13、14由次级电机电流供电，这导致电动机的共同转矩。该转矩对于驾驶员可以用作机电转向系统的动力转向辅助或线控转向系统中的转向。
初级转子位置传感器15和次级转子位置传感器16的信号以及初级转矩传感器单元15和次级转矩传感器单元16各自的信号可用于初级处理单元10和次级处理单元11。
为了提高安全性，比较两个初级传感器15和相应的两个次级传感器16的信号，并且检查传感器15、16中的故障。比较的结果还可以与相应的另一个传感器对15、16进行比较。如果检测到测量信号的临界偏移，则故障信号对15、16的信号输入被拒绝，并且无故障传感器对15、16的信号被单独地用作两个处理单元10、11的输入信号。
为了提高传感器精度，在无故障状态下，可以计算出所测量的传感器值的平均值，以用于初级处理单元10和次级处理单元11。
由于两个传感器对15、16分别连接到初级处理单元10和次级处理单元11，所以在故障的情况下，传感器对15、16中的一个也可用于控制单元，其中，通过无故障的传感器对15、16可以实现电动机的额定功率的100％。
两个控制路径6、7各自配置为“故障静音”，即，每个控制路径可以检测自身中的故障或故障状态，并且通过相应的一个或多个相位绕组关闭转矩的产生。这通常通过具有不同似真性测试的ASIL-D微控制器和硬件架构的组合来实现，该硬件架构能够在故障的情况下将相位绕组从控制装置断开(例如通过相位继电器)。
两个控制路径6、7配置为使得两个控制路径6、7至少彼此独立到控制路径的一个硬件部件中的故障不会在另一个控制路径中的硬件部件中导致故障级联的程度，其中，可以实现两个控制路径的断开，例如通过永久分配的电源线和地线、控制路径的绝缘等。控制路径的软件配置为使得其在控制路径内检测硬件和软件本身的故障，并且引起故障路径的中断或禁用。在这种情况下，以无故障的控制路径可以提供转矩的方式对软件进行编程。
在一个优选的实施例中设置为，次级处理单元11起到初级处理单元的作用，并且在无故障状态下计算设定点电机转矩及其在三个转换器12、13、14之间的分布，用于致动三个相位绕组2、3、4。该分布是根据通过转换器12、13、14可用并且例如取决于温度的容量来进行的。次级处理单元11优选地致动两个转换器13、14，而初级处理单元10致动单个转换器12。
由于控制路径6、7具有冗余配置，所以即使在硬件部件中的一个发生故障的情况下，控制装置也可以提供转矩。
在初级处理单元10失效的情况下，额定转矩的三分之二可用。另一方面，如果在初级控制路径6中出现未检测到的故障，则可以存在高达最大转矩的三分之一的被动锁定转矩，该被动锁定转矩抵消由无故障地操作的两个转换器13、14产生的转矩，使得总体上至少有三分之一的额定转矩可用。因此，初级控制路径6中的故障被评估为多重故障(称为多重点故障)，这是因为控制单元的危险故障只能作为附加故障的结果而发生。
如果在次级控制路径7中出现故障，则必须在另一方面检测该故障，因为一方面次级控制路径7进行设定点电机转矩及其在相位绕组之间的分布的计算，另一方面次级控制路径7提供转矩的三分之二。如果检测到这样的故障，则初级处理单元10执行用于初级转换器12的电机电流的计算，以通过最大可用电机转矩的三分之一来致动相应的相位绕组2。
在三分之一的转矩不足以实现所需转矩的情况下，设置有开关19，该开关布置在初级处理单元10与次级单元13中的一个之间，因此在故障的情况下，分配初级处理单元10的次级转换器13中的一个。然后，在次级控制路径7中发生故障的情况下，该次级转换器13可以由初级处理单元10致动，使得可以对分配给转换器13的相位绕组3供电，从而即使在在这种故障情况下三分之二的额定转矩仍然可用。
控制装置5的架构被构造成使得第一故障不会导致转向系统的故障并且不会危及驾驶员。然而，在安全分析中必须考虑第一故障。因此，将发生的故障读出，并且将其存在的情况通信给车辆和/或发送信号给驾驶员，使得可以启动紧急操作。尽管在控制装置5中的第一故障之后车辆仍然是可控的，然而另外的故障将具有严重的后果。因此，不能将第一故障归为潜在故障。
产生了以FMEDA(故障模式影响和诊断分析)形式进行的定量归纳安全分析，并且用于评估和比较车辆系统的安全概念。FMEDA提供的结果是与诊断覆盖率(DC)、安全故障比例(SFF)、硬件架构指标(单点故障指标，SPFM，潜在故障指标，LFM)有关以及与侵害安全目标的故障概率(随机硬件故障的概率指标，PMHF)有关的主要指示。
如果正确配置了电动机的功率并且系统假设正确，则可以将电动机中的所有故障归类为多重故障，因此可以实现更高的安全级别。
两个外部电源优选地彼此独立，并且各自向传感器对和对应的处理单元供应电流。为了避免致动器部分的常见故障(短路)，初级转换器12连接到初级电源8，而次级转换器13、14连接到次级电源9。在电源8、9发生故障的情况下，致动器中用于产生转矩并且由另一个电源8、9供电的部分可用，即，在最坏的情况下，最大电机功率的仅三分之一可用。如果这还不够，则可以在附加电路中设置开关，该开关在次级控制路径7发生故障的情况下将次级控制路径13、14的两个转换器中的一个连接到初级电源8，与附加开关19类似，用于将初级处理单元10连接到次级转换器13中的一个。
所描述的控制装置也可以用于没有转向装置的完全自动驾驶的机动车辆的转向系统。然而，在这种情况下，在方向盘上测量的转矩没有输入到处理单元10、11中用于计算各个设定点电机转矩。基于经由机动车辆总线17、18接收并且具有预定的接口规范(例如设定点转向角、变速箱运动、小齿轮角、设定点转矩、相对或绝对车辆坐标中的设定点车辆轨迹)的信号来确定设定点电机转矩。在这种情况下，优选地，为控制装置的控制回路设置两个独立的通信通道，所述通道各自分配给处理单元并且传送必要的控制信号。在通信通道中的一个具有故障的情况下，相应的控制路径将被禁用，无故障的控制路径以减小的最大可能电机转矩来致动电机。
总体描述的控制装置的冗余架构实现了小于10FIT(时间故障)的故障率。故障率是硬件元件的可靠性的特征变量。在这种情况下，这表明在109个工作小时内少于平均10个控制装置故障。因此，根据本发明的控制装置特别适用于SAE L3-L5驾驶模式，在该驾驶模式中，系统控制周围环境，并且可以从有限至完全的程度上实现自动化。

Claims (20)

1.一种用于机动车辆的转向系统的三相电动机(1)的冗余控制装置(5)，其具有初级控制路径(6)和次级控制路径(7)，其中，所述初级控制路径(6)具有初级处理单元(10)，并且所述次级控制路径(7)具有次级处理单元(11)，其特征在于，所述初级控制路径(6)连接到所述电动机的第一相位绕组(2)，并且所述次级控制路径(7)连接到所述电动机(3、4)的第二相位绕组和第三相位绕组，以用于致动所述电动机，其中，每个相位绕组(2、3、4)分配有各自的转换器(12、13、14)。
2.根据权利要求1所述的冗余控制装置，其特征在于，所述初级处理单元(10)配置为基于驾驶员输入到方向盘中的转矩(15)和另外的输入变量来计算设定点电机转矩，并且通过初级电机调节装置，基于所述设定点电机转矩来确定用于操作所述第一相位绕组(2)的初级电机电流，并且将所述初级电机电流传递到所述初级转换器(12)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，所述次级处理单元(11)配置为基于驾驶员输入到方向盘中的转矩(16)和另外的输入变量来计算设定点电机转矩，并且通过次级电机调节装置，基于所述设定点电机转矩来确定用于操作所述第二相位绕组(3)和第三相位绕组(4)的次级电机电流，并且将所述次级电机电流传递到两个次级转换器(13、14)。
4.根据权利要求2或3所述的冗余控制装置，其特征在于，所述另外的输入变量包括以下变量中的至少一个：车辆速度(v)、通过转子位置传感器(15、16)测量的瞬时转子位置、和所述相位绕组中的测量电流值。
5.根据权利要求4所述的冗余控制装置，其特征在于，初级转子位置传感器(15)和次级转子位置传感器(16)和/或初级转矩传感器单元(15)和次级转矩传感器单元(16)各自的信号分别对于所述初级处理单元(10)和所述次处理单元(11)两者可用。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，所述初级控制路径(6)连接到初级机动车辆总线(17)，并且所述次级控制路径(7)连接到与所述初级机动车辆总线(17)分离的次级机动车辆总线(18)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，所述初级控制路径(6)和所述次级控制路径(7)各自具有外部电源(8、9)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，所述初级处理单元(10)和所述次级处理单元(11)是MCU。
9.根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，所述次级处理单元(11)呈现为主处理单元，并且在所述控制装置(5)的无故障状态下配置为计算所述设定点电机转矩以及其沿着所述三个转换器(12、13、14)的分布，以便致动三个相位绕组(2、3、4)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的冗余控制装置，其特征在于，设置开关(19)，其布置在所述初级处理单元(10)与所述次级转换器(13、14)中的一个之间，并且配置为在所述次级控制路径中发生故障的情况下将所述初级处理单元(10)连接到所述次级转换器(13、14)。
11.一种用于机动车辆的机电转向系统，其具有：
·转向小齿轮，其连接到下转向轴并且与齿条啮合，并且安装成能够沿着纵向轴线在壳体中移动以便使车轮转向，
·三相电动机，其用于提供动力转向，
·两个转矩传感器(15、16)，其分别布置在连接到方向盘的上转向轴与下转向轴之间，并且感测驶员输入的转矩，和
·电子控制单元，其用于计算动力转向辅助，其包括根据前述权利要求中任一项所述的冗余控制装置(5)。
12.一种用于机动车辆的线控转向系统，其具有转向致动器，所述转向致动器在转向车轮上工作，根据驾驶员的转向要求进行电子调节，并且通过具有反馈致动器的转向机构作用在所述转向车轮上，所述反馈致动器将道路的反作用传递到方向盘，其中，所述转向致动器包括根据前述权利要求1至10中任一项所述的冗余控制装置(5)。
13.一种用于为机动车辆的转向系统提供转矩的方法，所述转向系统具有三相电动机和电子控制单元，所述电子控制单元用于计算将由所述电动机施加的转矩，其中，所述电子控制单元包括具有初级控制路径(6)和次级控制路径(7)的冗余控制装置(5)，其特征在于，所述初级控制路径(6)具有初级处理单元(10)，所述次级控制路径(7)具有次级处理单元(11)，所述初级控制路径(6)连接到所述电动机的第一相位绕组(2)，并且所述次级控制路径(7)连接到所述电动机的第二相位绕组(3)和第三相位绕组(4)，以用于致动所述电动机，其中，每个相位绕组(2、3、4)分配有各自的转换器(12、13、14)，所述方法具有以下步骤：
·计算设定点电机转矩，以致动所述次级处理单元(11)中的所有三个相位绕组(2、3、4)，
·将所述设定点电机转矩传递到所述初级处理单元(10)的初级电机调节装置，
·确定用于操作所述初级电机调节装置中的所述第一相位绕组(12)的初级电机电流，
·确定用于操作所述次级处理单元(11)的次级电机调节装置中的所述第二相位绕组(13)和所述第三相位绕组(14)的次级电机电流，
·检测所述控制路径(6、7)中的一者中的故障状态，并且
·关闭故障控制路径(6、7)的动力转向辅助。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还具有以下步骤：
·检测所述次级控制路径(7)中的故障，
·计算所述设定点电机转矩，以致动所述初级处理单元(11)中的初级相位绕组。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述次级处理单元(11)基于所述驾驶员输入到所述方向盘中的转矩(16)和另外的输入变量来计算所述设定点电机转矩。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述另外的输入变量包括以下变量中的至少一个：车辆速度(v)、通过转子位置传感器(15、16)测量的瞬时转子位置、所述相位绕组中的测量电流值。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，初级转子位置传感器(15)和次级转子位置传感器(16)和/或初级转矩传感器单元(15)和次级转矩传感器单元(16)各自的信号对于所述初级处理单元(10)和所述次处理单元(11)两者可用。
18.根据前述权利要求13至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述初级控制路径(6)从初级机动车辆总线(17)接收数据，并且所述次级控制路径(7)从与所述初级机动车辆总线(17)分离的次级机动车辆总线(18)接收数据。
19.根据前述权利要求13至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述初级控制路径(6)和所述次级控制路径(7)各自连接到外部电源(8、9)。
20.根据前述权利要求13至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述初级处理单元(10)和所述次级处理单元(11)是MCU。
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