CN113788063B - 电动助力转向控制系统及其电流检测方法 - Google Patents

Abstract

电动助力转向控制系统及其电流检测方法，涉及电动助力转向控制技术领域。其中，电动助力转向控制系统包括：中央处理单元，包括第一中央处理单元和第二中央处理单元；电源，设置有多个通道，包括用于给第一中央处理单元供电的通道a、用于给第一中央处理单元提供AD电压参考的通道b、用于给第二中央处理单元供电的通道c、用于给第二中央处理单元提供AD电压参考的通道d；预驱动单元，包含有多个运放；外置运放、驱动桥和采样电阻，采样电阻的数量为至少两个且它们均连接在驱动桥与GND之间，采样电阻两端的差分引线与预驱动单元的运放的输入端或外置运放的输入端连接。本发明通过冗余设计，可防止EPS系统的抖动转向和非预期转向，提高系统安全性能。

Description

电动助力转向控制系统及其电流检测方法

技术领域

本发明涉及电动助力转向控制技术领域，尤其涉及一种电动助力转向控制系统及其电流检测方法。

背景技术

随着国家功能安全标准的出台，各车企对汽车功能安全的需求也越来越多。目前的电动助力转向控制系统（EPS）大多采用一路或两路低阻值电阻，通过一个电流检测模块进行检测，单片机采集检测模块电流信号后进行计算，控制驱动芯片输出信号到驱动桥，从而控制电机提供合适的助力。但是，一旦某个电流检测回路失效或电流检测模块配置错误，都会造成电流采样不准，导致系统功能失效，造成EPS系统产生非预期助力，对驾驶员造成安全隐患。

通过H桥电机相检测和驱动桥低边检测的方法虽然可以实现冗余电流检测，避免非预期助力产生，但是电机相的电流检测成本比较高，电流波动大，EPS手感差，不适合批量化需求。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电动助力转向控制系统，以降低产品故障率，提高电动助力转向控制系统的安全性能。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：电动助力转向控制系统，包括：

中央处理单元，包括相互独立的第一中央处理单元和第二中央处理单元；

电源，设置有多个用于输出电压的通道，所述通道包括用于给第一中央处理单元供电的通道a、用于给第一中央处理单元提供AD电压参考的通道b、用于给第二中央处理单元供电的通道c、用于给第二中央处理单元提供AD电压参考的通道d；

预驱动单元，包含有多个运放，所述预驱动单元分别与第一中央处理单元和第二中央处理单元连接；

外置运放、驱动桥和采样电阻，所述采样电阻的数量为至少两个且它们均连接在驱动桥与GND之间，所述采样电阻两端的差分引线与预驱动单元的运放的输入端或外置运放的输入端连接。

进一步地，所述采样电阻的数量为两个且两个采样电阻的阻值不同，所述两个采样电阻并联连接在驱动桥与GND之间，所述两个采样电阻两端的差分引线连接预驱动单元的运放的输入端且两个采样电阻所连接的运放不同。

进一步地，所述采样电阻的数量为三个，其中一个采样电阻的一端连接GND，另一端与并联连接在驱动桥上的另外两个采样电阻连接，所述并联连接在驱动桥上的两个采样电阻中的其中一个采样电阻两端的差分引线连接外置运放的输入端，其他的两个采样电阻连接预驱动单元的运放的输入端且每个采样电阻所连接的运放不同。

本发明的另一目的是为上述电动助力转向控制系统提供一种低成本的、可靠的、冗余的电流检测方法，以降低产品故障率，提高系统的安全性能。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：电动助力转向控制系统的电流检测方法，包括以下步骤：

S1、预驱动单元的运放输入端或外置运放的输入端接收到的电流输入值进行放大运算，之后将放大后的电流转换为电压进行输出；

S2、根据参考电压对输出的电压进行偏置设定；

S3、预驱动单元对运放输出的数据进行检测，然后将检测的数据分别发送到第一中央处理单元和第二中央处理单元；

S4、经运算放大后的电压值分别连接到第一中央处理单元和第二中央处理单元的AD接口，第一中央处理单元和第二中央处理单元分别以各自的参考电压作为基础对采集的电压值与预驱动单元检测的电流值进行比较，从而获得准确的电流值。

进一步地，所述步骤S3中预驱动单元进行的检测包括过流检测。

上述电动助力转向控制系统通过冗余设计，使得在某个电流检测回路失效或电流检测模块配置错误的情况下，仍能够保证电流检测的准确性，防止EPS系统的抖动转向和非预期转向，提高了系统的安全性能。而且，上述电动助力转向控制系统的电流检测方法利用第一中央处理单元和第二中央处理单元分别采集多路电流放大后的信号值，并结合预处理单元处理的数据进行校验和计算，从而可以得到准确的电流值，同时，当一路运放有问题时，通过采集另外一套电流采样电路电流值，同样可以实现电机控制的目的，确保了EPS的操作可靠性。

附图说明

图1为实施例中电动助力转向控制系统的结构框图。

图2为实施例中电源分配图。

图3为实施例中双电阻电流采样方式的示意图。

图4为实施例中双电阻电流采样电路中电机开启方式的示意图。

图5为实施例中双电阻电流采样电路中电机续流方式的示意图。

图6为实施例中三电阻电流采样方式的示意图。

图7为实施例中三电阻电流采样电路中电机开启方式的示意图。

图8为实施例中三电阻电流采样电路中电机续流方式的示意图。

图9为实施例中单电阻电流采样方式的示意图。

图10为实施例中单电阻电流采样电路中电机开启方式的示意图。

图11为实施例中单电阻电流采样电路中电机续流方式的示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步说明，参见附图1-11。

电动助力转向控制系统，包括电池、电源、保护装置、中央处理单元、预驱动单元、驱动桥、用于电流采样的采样电阻、传感器、CAN通讯模块和电机，还包括前述各个模块的冗余模块。其中，中央处理单元，包括相互独立的第一中央处理单元和第二中央处理单元。电源上设置有多个用于输出电压的通道，用于给系统各个模块供电，其中包括用于给第一中央处理单元供电的通道a、用于给第一中央处理单元提供AD电压参考的通道b、用于给第二中央处理单元供电的通道c、用于给第二中央处理单元提供AD电压参考的通道d。传感器包括扭矩传感器和角度传感器，扭矩传感器同时连接第一中央处理单元和第二中央处理单元，角度传感器同时连接第一中央处理单元和第二中央处理单元。CAN通讯模块同时连接第一中央处理单元和第二中央处理单元。预驱动单元分别与第一中央处理单元和第二中央处理单元连接，预驱动单元包含有多个运放。预驱动单元连接驱动桥，驱动桥连接电机，采样电阻连接预驱动单元和驱动桥。其中，上述系统还包括外置运放，采样电阻的数量为至少两个且它们均连接在驱动桥与GND之间，采样电阻两端的差分引线与预驱动单元的运放的输入端或外置运放的输入端连接。

上述系统的工作原理是：中央处理单元采集扭矩、角度传感器输出的扭矩和角度信号，采集电流信号和CAN通讯模块输出的整车信息，进行逻辑计算后输出控制信号给预驱动单元，预驱动单元经驱动桥控制电机运行输出助力。电流信号通过采样电阻经预驱动单元处理后通过SPI形式或其它通讯方式传输给中央处理单元。

其中，预驱动单元包括逻辑控制单元、故障诊断单元、电源调制单元、电流检测单元，电源调制单元为电流检测单元提供电压参考。

上述电动助力转向控制系统通过冗余设计，使得在某个电流检测回路失效或电流检测模块配置错误的情况下，仍能够保证电流检测的准确性，防止EPS系统的抖动转向和非预期转向，提高了系统的安全性能。

在本实施例中，电动助力转向控制系统的电流采样方式为异构冗余方式，可以避免同构冗余方式存在的共因失效问题：如公共因子值的突然变大或变小，导致采集电流值变大或变小，使EPS系统产生非预期助力。其中，异构冗余方式主要包括两种，具体如下：

第一种：采样电阻的数量为两个且两个采样电阻的阻值不同，两个采样电阻并联连接在驱动桥与GND之间，两个采样电阻两端的差分引线连接预驱动单元的运放的输入端且两个采样电阻所连接的运放不同。

具体而言，如图3所示，两个不同阻值的采样电阻R2和R3的一端分别连接到驱动桥A点和B点，另一端分别连接到C端GND。采样电阻R2两端差分引线连接到预驱动单元的一路运放N4输入端；采样电阻R3两端差分引线连接到预驱动单元的另一路运放N3的输入端。预驱动单元内部运放将信号进行不同或相同倍数的放大后，将运放输出的数据进行初步检测（例如过流检测）后，并通过SPI或其他通讯方式分别输出给第一中央处理单元和第二中央处理单元。

在异构冗余的方式下，由于电阻值和运放放大倍数的差异使得中央处理单元从根本上采集的系统的两路电流是不同的，通过计算和分析能够改善在电流太低或电流太大的情况下采集不精准的问题，提高系统的容错性。其中，两个采样电阻不同，表示两个信号的斜率不一样。因两个电流信号变化的斜率不一样，这样可以检测到当两个信号在信号交叉点时短路在一起会产生相同输出的故障，或者可以检测到单个组件（ADC）导致的共因失效，使得两个传感器以相似方式损坏的故障。

同时，当驱动桥某一路开启，驱动电机M时，例如图4所示：MOS管V3A和V6B开启，电流通过电源Us经MOS管V3A、电机M、MOS管V6B、采样电阻R3到GND，则采样电阻R3测得的电流为MOS开启时电流。当MOS关闭时，由于电机中储存的能量通过采样电阻R2、MOS管V4B、电机M、MOS管V6B、采样电阻R3进行如图5所示电流的释放。从而保证了在电机续流时的电流采样。

第二种：采样电阻的数量为三个，其中一个采样电阻的一端连接GND，另一端与并联连接在驱动桥上的另外两个采样电阻连接，并联连接在驱动桥上的两个采样电阻中的其中一个采样电阻两端的差分引线连接外置运放的输入端，其他的两个采样电阻连接预驱动单元的运放的输入端且每个采样电阻所连接的运放不同。

具体而言，采用R5、R6和R7三个采样电阻进行电流采样。采样电阻R5和R6的一端分别连接驱动桥的A点和B点，采样电阻R5和R6的另一端和采样电阻R7的一端通过C点相连，采样电阻R7的另一端通过D点连接到GND。采样电阻R5和R7采用图6的方式分别连接到预驱动单元的两个运放N5和N7的输入端，采样电阻R6连接到外置运放N6输入端。预驱动单元将运放输出的数据进行初步检测（例如过流检测）后，通过SPI或其他通讯方式分别输出给第一中央处理单元和第二中央处理单元。

由于采样电阻R5和R7是串联关系，R6和R7是串联关系，三个电阻中可以采用两两组合，共计3种信号冗余的方式去检测电流，这样可以比较测量不同参数的电流值，通过不同模型将电流信号测量值转换成相同量纲，从而探测电流传感器在量程内的失效，比如漂移，偏移或信号卡滞。

同时，无论驱动桥工作在什么状态下，任何续流方式下都能保证两路电阻采样，同时两个相同采样方式的采样电阻R5和R6分别通过预驱动单元和外置运放分别采样，提高了系统的容错性和鲁棒性。

本实施例还涉及一种上述电动助力转向控制系统的电流检测方法，包括以下步骤：

S1、预驱动单元的运放输入端或外置运放的输入端接收到的电流输入值进行放大运算，之后将放大后的电流转换为电压进行输出。

S2、根据参考电压对输出的电压进行偏置设定，其中设定的偏置可以是2.5V或其他值。

S3、预驱动单元对运放输出的数据进行检测（例如过流检测等），然后将检测的数据分别发送到第一中央处理单元和第二中央处理单元。

S4、经运算放大后的电压值分别连接到第一中央处理单元和第二中央处理单元的AD接口，第一中央处理单元和第二中央处理单元分别以各自的参考电压作为基础对采集的电压值与预驱动单元检测的电流值（并进行电流-电压转换）进行比较，从而获得准确的电流值。其中，预驱动单元检测的电流值可以在进行电流-电压转换后，再与中央处理单元采集的电压值进行比较。

上述电流检测方法利用第一中央处理单元和第二中央处理单元分别采集多路电流放大后的信号值，并结合预处理单元处理的数据进行校验和计算，从而可以得到准确的电流值，同时，当一路运放有问题时，通过采集另外一套电流采样电路电流值，同样可以实现电机控制的目的，确保了EPS的操作可靠性。

需要说明的是，电动助力转向控制系统的电流采样方式还包括同构冗余方式，具体如下：采样电阻R1的一端连接驱动桥下端公共点，另一端连接GND。从采样电阻R1两端差分引线分别连接到预驱动单元的电流检测运放N1和N2的输入端，将输入值进行放大运算后将电流转换为电压输出。输出电压根据参考电压设定偏置（例如可以设置为偏置2.5V）。预驱动单元对数据进行简单检测后（例如过流等检测）并通过SPI或其他通讯方式分别发送到第一中央处理单元和第二中央处理单元。同时运算放大后的电压也分别连接到第一中央处理单元和第二中央处理单元的AD接口，两个中央处理单元分别以各自的参考电压为基础对采集的电压值与预驱动单元检测的电流值（并进行电流-电压转换）进行比较，从而获得准确的电流值。

中央处理单元可以独立采集两路电流放大后的信号值，并结合预驱动单元处理的数据进行校验和计算，从而得到准确的电流值。同时，当一路运放有问题时，通过采集另外一套电流采样电路电流值，同样可以实现电机控制的目的，确保了EPS的操作可靠性。

但是，采用同构冗余方式进行电流采样存在以下缺点：

其一，因为参考电压采用同一个电压，如果参考电压异常，会导致电流输出异常；这种由参考电压引起的共因失效无法被预驱动单元和中央处理单元识别出来，容易导致EPS功能异常。

其二，采用的是单个采样电阻R1，易产生上述类似的共因失效。

其三，在采用某种方式对电机续流时无法检测电机续流时的电流，如图11所示:采用续流方式1，当电机开启时，驱动桥的MOS（V1A和V2B）开启，电流从电源Us，流经MOS管V1A、电机、MOS管V2B到GND；当MOS关闭时（如图11），电机通过MOS管V1B和V2B续流，采样电阻R1无法检测续流电流值。采用续流方式2时，电机能量通过采样电阻R1、MOS管V1B、电机、MOS管V2A续流到电源Us，此方式可以通过采样电阻R1进行采样，但由于电源干扰因素的影响，此续流方式无法覆盖所有的EPS控制系统。

以上所述，仅为本发明的较佳实施而已，并非本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已为较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明产品形态和样式，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的专利范畴内。

Claims (5)

1.电动助力转向控制系统，其特征在于，包括：

中央处理单元，包括相互独立的第一中央处理单元和第二中央处理单元；

电源，设置有多个用于输出电压的通道，所述通道包括用于给第一中央处理单元供电的通道a、用于给第一中央处理单元提供AD电压参考的通道b、用于给第二中央处理单元供电的通道c、用于给第二中央处理单元提供AD电压参考的通道d；

预驱动单元，包含有多个运放，所述预驱动单元分别与第一中央处理单元和第二中央处理单元连接；

外置运放、驱动桥和采样电阻，所述采样电阻的数量为至少两个且它们均连接在驱动桥与GND之间，所述采样电阻两端的差分引线与预驱动单元的运放的输入端或外置运放的输入端连接，所述外置运放的输出端与第一中央处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向控制系统，其特征在于：所述采样电阻的数量为两个且两个采样电阻的阻值不同，所述两个采样电阻并联连接在驱动桥与GND之间，所述两个采样电阻两端的差分引线连接预驱动单元的运放的输入端且两个采样电阻所连接的运放不同。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向控制系统，其特征在于：所述采样电阻的数量为三个，其中一个采样电阻的一端连接GND，另一端与并联连接在驱动桥上的另外两个采样电阻连接，所述并联连接在驱动桥上的两个采样电阻中的其中一个采样电阻两端的差分引线连接外置运放的输入端，其他的两个采样电阻连接预驱动单元的运放的输入端且每个采样电阻所连接的运放不同。

4.权利要求1-3中任意一项所述的电动助力转向控制系统的电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、预驱动单元的运放输入端或外置运放的输入端接收到的电流输入值进行放大运算，之后将放大后的电流转换为电压进行输出；

S2、根据参考电压对输出的电压进行偏置设定；

S3、预驱动单元对运放输出的数据进行检测，然后将检测的数据分别发送到第一中央处理单元和第二中央处理单元；

S4、经运算放大后的电压值分别连接到第一中央处理单元和第二中央处理单元的AD接口，第一中央处理单元和第二中央处理单元分别以各自的参考电压作为基础对采集的电压值与预驱动单元检测的电流值进行比较，从而获得准确的电流值。

5.根据权利要求4所述的电动助力转向控制系统的电流检测方法，其特征在于：所述步骤S3中预驱动单元进行的检测包括过流检测。

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