CN116176464A - 一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元及其控制方法，包括冗余系统A、冗余系统B与冗余执行单元，所述冗余系统A包括电源模块A、电源预处理单元A、电压保持单元A、电源管理单元A、微控制器A、驱动单元A、开关选择模块1、开关选择模块2，所述电源模块A的输出端电性连接设置有电源预处理单元A。本发明使用效果好，保证转向助力不会有明显改变，当电源A和电源B在使用过程中，有一个出现故障后，可以在短时间内切换由另一个电源对整个系统供电，保证系统继续正常工作，从而实现了自动检测并消除故障的功能。

Description

一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制单元技术领域，具体为一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元及其控制方法。

背景技术

在乘用车领域，电动助力转向系统相比传统的液压助力转向系统具有结构简单、响应迅速、能耗低等优点，因此应用很广。然而为了满足L3级以上自动驾驶的需求，同时提升智能驾驶的驾驶体验、安全性、可靠性等，要求电动助力转向系统(点的助力)在发生单点失效的情况下，依然具备一定的助力能力。

而电源是保证系统正常运行最重要的条件，如果冗余点的助力系统失去一路供电，汽车的转向性能会受到很大的影响，严重影响驾驶安全。

为了更好的保障电动助力转向系统的助力能力，目前缺少一种冗余点的助力转向系统的电源切换的、冗余电源的系统，可以在一路供电失效的时候，由另一路供电源同时给两路系统供电，保证转向系统依然具备完整的助力能力，增强了电动助力转向系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，包括冗余系统A、冗余系统B与冗余执行单元，所述冗余系统A包括电源模块A、电源预处理单元A、电压保持单元A、电源管理单元A、微控制器A、驱动单元A、开关选择模块1、开关选择模块2，所述电源模块A的输出端电性连接设置有电源预处理单元A，所述冗余系统包括电源模块B、电源预处理单元B、电压保持单元B、电源管理单元B、微控制器B、驱动单元B、开关选择模块3、开关选择模块4，所述电源模块B的输出端电性连接设置有电源预处理单元B，所述冗余执行单元包括执行单元A、冗余位置传感器单元A、执行单元B、冗余位置传感器单元B。

优选的，所述微控制器A与微控制器B内部设置有电压检测模块，判断模块，力矩管理模块和信号处理模块，电压检测模块主要负责对两个系统的电源和电源管理单元的电压信号进行检测；判断模块主要负责对采集到的电压信号进行分析，并与另一个微控制器检测到的电压信号进行对比分析，最后对电源的供电状态做出判断。力矩管理模块是在检测到另一系统供电出现异常时，根据另一系统的供电状态，逐步改变两系统的力矩分配，由正常系统输出全部力矩，当另一路恢复正常供电后，再次逐步改变两系统力矩分配，使两系统再次恢复各一半力矩输出状态，使得在进行电源切换过程中，转向手感不会有明显改变，信号处理模块是通过检测结果，通过发出不同的控制信号控制开关选择模块，达到系统电源切换的功能，微控制器结构如图4所示。

优选的，所述开关选择模块1、开关选择模块2、开关选择模块3、开关选择模块4结构相同，结构如图7所示，由一个P-MOS管，一个NPN三极管，1个100k欧电阻、一个4.7k欧电阻、一个10k欧电阻、一个68k欧电阻，一个0.1UF的电容构成，以开关选择模块1为例，通过控制信号的改变，决定NPN三极管的导通，当三极管导通时，集电极接地，P-MOS管的栅极接地，MOS管导通，电流从电流输入端口输入，流经P-MOS管，从电流输出端口流出，当三极管不导通时，MOS管关断，电流输出端口没有电流输出。开关选择模块2,3,4同理。

优选的，所述的电源预处理单元A与电源预处理单元B的结构相同；如图六所示，由电路供电短路保护、TVS保护、电源防反和电源滤波组成，电路供电短路保护的主要作用是当电路出现短路故障时能够及时的切除掉故障以保护电路不受到破坏。TVS保护主要是当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏，电源防反主要是防止意外接反正负极对后级电路造成不能恢复的损害，也有起到在电源发生波动的情况下，保护后级电路的作用。电源滤波的主要作用是抑制谐波，提升系统功率，提高系统的安全性、稳定性及可靠性等。

一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元的控制方法，包括以下步骤：

第一步：搭建系统系统，搭建系统时电源模块A和电源模块B经过电源预处理单元A和电源预处理单元B同时给装置供电，具有冗余电源的功能，只有电源模块A和电源模块B同时发生故障的情况下，系统的转向助力功能才会丧失，否则系统均可以正常工作，具体的电性连接方式可以如图1所示；

第二步：故障检测：当微控制器检测到其中一路电源发生故障时，微控制器切断故障电源对其系统的供电开关，该电路的电压保持模块开始工作，微控制器打开正常一路电源对故障系统的供电开关，两个系统由一路电源供电。开关选择模块1和2分别用来控制电源模块A是否给系统A和系统B供电；开关选择模块3和4分别用来控制电源模块B是否给系统B和系统A供电。根据系统控制逻辑，开关选择模块1和4只能同时有一个模块导通，开关选择模块2和3也只能同时有一个模块导通，而装置的冗余车载控制单元的工作逻辑图可以如图2所示；

第三步：进行电源的切换，电源切换由微控制器对系统A和系统B的供电状态进行检测和对比分析，由检测分析结果通过控制4个开关选择模块的通断，来实现系统的电源切换功能，而的电源切换功能框图可以如图3所示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明微控制器通过检测电源和电源管理单元输出的电压信号，判断供电的状态，并通过控制开关选择模块进行切换电路，决定由电源模块A和电源模块B一起或者单独来对系统进行供电；电源模块A和电源模块B通过电源预处理单元后对系统共同供电，只有在电源模块A和电源模块B同时发生异常时，电动助力转向系统的转向助力功能才会丧失，否则电源模块A和电源模块B就会一起或者单独承载整个系统的供电功能，保证转向助力不会有明显改变，当电源模块A和电源模块B在使用过程中，有一个出现故障后，可以在短时间内切换由另一个电源对整个系统供电，保证系统继续正常工作，从而实现了自动检测并消除故障的功能。

附图说明

图1为本发明电源切换功能的冗余车载控制单元的功能框图；

图2为系统控制逻辑功能框图；

图3为电源切换功能框图；

图4为微控制器功能框图；

图5为微控制器交叉检测功能框图；

图6为电源预处理单元结构图；

图7为开关选择模块结构图；

图8为电压保持单元结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，包括冗余系统A、冗余系统B与冗余执行单元，所述冗余系统A包括电源模块A、电源预处理单元A、电压保持单元A、电源管理单元A、微控制器A、驱动单元A、开关选择模块1、开关选择模块2，所述电源模块A的输出端电性连接设置有电源预处理单元A，所述冗余系统包括电源模块B、电源预处理单元B、电压保持单元B、电源管理单元B、微控制器B、驱动单元B、开关选择模块3、开关选择模块4，所述电源模块B的输出端电性连接设置有电源预处理单元B，所述冗余执行单元包括执行单元A、冗余位置传感器单元A、执行单元B、冗余位置传感器单元B。

所述微控制器A与微控制器B内部设置有电压检测模块，判断模块，力矩管理模块和信号处理模块，电压检测模块主要负责对两个系统的电源和电源管理单元的电压信号进行检测；判断模块主要负责对采集到的电压信号进行分析，并与另一个微控制器检测到的电压信号进行对比分析，最后对电源的供电状态做出判断。力矩管理模块是在检测到另一系统供电出现异常时，根据另一系统的供电状态，逐步改变两系统的力矩分配，由正常系统输出全部力矩，当另一路恢复正常供电后，再次逐步改变两系统力矩分配，使两系统再次恢复各一半力矩输出状态，使得在进行电源切换过程中，转向手感不会有明显改变，信号处理模块是通过检测结果，通过发出不同的控制信号控制开关选择模块，达到系统电源切换的功能，微控制器结构如图4所示，同时微控制器检测系统供电状态如图5所示，微控制器交叉检测系统A和系统B的电源电压信号和电源管理单元电压信号，微控制器将检测到的电压信号进行分析，将结果再与另一个微控制器的结果进行校验，得到同样的结果，按检测结果继续执行操作，如果结果不同，认为该电源有异常，进行电源切换。

所述开关选择模块1、开关选择模块2、开关选择模块3、开关选择模块4结构相同，结构如图7所示，由一个P-MOS管，一个NPN三极管，1个100k欧电阻、一个4.7k欧电阻、一个10k欧电阻、一个68k欧电阻，一个0.1UF的电容构成，以开关选择模块1为例，通过控制信号的改变，决定NPN三极管的导通，当三极管导通时，集电极接地，P-MOS管的栅极接地，MOS管导通，电流从电流输入端口输入，流经P-MOS管，从电流输出端口流出，当三极管不导通时，MOS管关断，电流输出端口没有电流输出。开关选择模块2,3,4同理。

所述的电源预处理单元A与电源预处理单元B的结构相同；如图6所示，由电路供电短路保护、TVS保护、电源防反和电源滤波组成。电路供电短路保护的主要作用是当电路出现短路故障时能够及时的切除掉故障以保护电路不受到破坏。TVS保护主要是当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏。电源防反主要是防止意外接反正负极对后级电路造成不能恢复的损害，也有起到在电源发生波动的情况下，保护后级电路的作用。电源滤波的主要作用是抑制谐波，提升系统功率，提高系统的安全性、稳定性及可靠性等。

所述电压保持单元A与电压保持单元B结构相同，结构如图8所示，由四个结构相同的电容，一个三极管，一个电阻构成，以电压保持单元A为例，在电路正常工作有供电电流时，供电电流由电流输入端口，流经电阻，三极管，从输出端口1输出，此时，电容相当于断路，三极管导通；在开关选择单元1断开后，供电电流消失，存储在电容两端的电荷形成电流，从输出端口2输出，供系统A使用，在开关选择单元4导通后，供电电流重新从电流输入端口流入，电压保持单元停止给系统A供电，电容相当于断路，三极管导通，系统A重新由电源单元A或者电源单元B供电；

一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元的控制方法，包括以下步骤：

第一步：搭建系统系统，搭建系统时电源模块A和电源模块B经过电源预处理单元A和电源预处理单元B同时给装置供电，具有冗余电源的功能，只有电源模块A和电源模块B同时发生故障的情况下，系统的转向助力功能才会丧失，否则系统均可以正常工作，具体的电性连接方式可以如图1所示；

第二步：故障检测：当微控制器检测到其中一路电源发生故障时，微控制器切断故障电源对其系统的供电开关，该电路的电压保持模块开始工作，微控制器打开正常一路电源对故障系统的供电开关，两个系统由一路电源供电。开关选择模块1和2分别用来控制电源模块A是否给系统A和系统B供电；开关选择模块3和4分别用来控制电源模块B是否给系统B和系统A供电。根据系统控制逻辑，开关选择模块1和4只能同时有一个模块导通，开关选择模块2和3也只能同时有一个模块导通，而装置的冗余车载控制单元的工作逻辑图可以如图2所示；

第三步：进行电源的切换，电源切换由微控制器对系统A和系统B的供电状态进行检测和对比分析，由检测分析结果通过控制4个开关选择模块的通断，来实现系统的电源切换功能，而的电源切换功能框图可以如图3所示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，包括冗余系统A、冗余系统B与冗余执行单元，其特征在于：所述冗余系统A包括电源模块A、电源预处理单元A、电压保持单元A、电源管理单元A、微控制器A、驱动单元A、开关选择模块1、开关选择模块2，所述电源模块A的输出端电性连接设置有电源预处理单元A，所述冗余系统包括电源模块B、电源预处理单元B、电压保持单元B、电源管理单元B、微控制器B、驱动单元B、开关选择模块3、开关选择模块4，所述电源模块B的输出端电性连接设置有电源预处理单元B，所述冗余执行单元包括执行单元A、冗余位置传感器单元A、执行单元B、冗余位置传感器单元B。

2.根据权利要求1所述的一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，其特征在于：所述微控制器A与微控制器B内部设置有电压检测模块，判断模块，力矩管理模块和信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，其特征在于：所述开关选择模块1、开关选择模块2、开关选择模块3、开关选择模块4结构相同。

4.根据权利要求1所述的一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元，其特征在于：所述的电源预处理单元A与电源预处理单元B的结构相同。

5.一种具备电源切换功能的冗余车载控制单元的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：搭建系统系统，搭建系统时电源模块A和电源模块B经过电源预处理单元A和电源预处理单元B同时给装置供电，具有冗余电源的功能，只有电源模块A和电源模块B同时发生故障的情况下，系统的转向助力功能才会丧失，否则系统均可以正常工作；

第二步：故障检测：当微控制器检测到其中一路电源发生故障时，微控制器切断故障电源对其系统的供电开关，该电路的电压保持模块开始工作，微控制器打开正常一路电源对故障系统的供电开关，两个系统由一路电源供电。开关选择模块1和2分别用来控制电源模块A是否给系统A和系统B供电；开关选择模块3和4分别用来控制电源模块B是否给系统B和系统A供电。根据系统控制逻辑，开关选择模块1和4只能同时有一个模块导通，开关选择模块2和3也只能同时有一个模块导通；

第三步：进行电源的切换，电源切换由微控制器对系统A和系统B的供电状态进行检测和对比分析，由检测分析结果通过控制4个开关选择模块的通断，来实现系统的电源切换功能。

Images