CN117775097A - 一种汽车转向机全冗余助力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转向系统技术领域，具体地说是一种汽车转向机全冗余助力系统。一种汽车转向机全冗余助力系统，包括主控制系统、辅控制系统，其特征在于：主控制系统与辅控制系统的结构一致，主控制系统包括主芯片电源、主电感、主电源芯片、主控制单元、主预驱芯片、主电容、主三相桥、主相分离器，主控制单元由主芯片电源经过主电感和主电容组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个主控制系统供电，主电源芯片负责分配和管理主控制系统各元器件的电压输入，主控制单元综合接收的信号负责协调转向系统主路的助力输出，通过主预驱芯片进行功率放大后由主三相桥经过主相分离器驱动电机。同现有技术相比，确保汽车转向系统满足最高功能安全级别。

Description

一种汽车转向机全冗余助力系统

技术领域

本发明涉及转向系统技术领域，具体地说是一种汽车转向机全冗余助力系统。

背景技术

自动驾驶车辆可有效减少驾驶员的驾驶负担，提升车辆行驶安全性，降低交通安全事故的发生率。同时，可大幅度提升现有道路车辆的容纳能力，有效减轻道路堵塞状况，缓解环境污染，解决因汽车保有量急剧增加而导致的各类社会和环境问题。目前，汽车自动驾驶技术研究的核心的问题之一是汽车在自动驾驶过程中如何实现稳定可靠的车辆横向控制。车辆的横向运动控制是指对汽车运行方向的控制，目的是为了让车辆沿着预设的路径行驶。车辆的横向运动控制是通过车辆前轮主动转向技术，使车辆在行驶过程中能够更加快速灵敏地进行转向的功能，转向系统属于车辆实现自动驾驶功能的关键技术之一，也是实现车辆稳定、安全行驶的重要基础。

传统的汽车转向系统只能支持低级别的自动驾驶或辅助驾驶，主要是因为其电子电气架构是非冗余设计，当发生单点失效时转向系统将会丢失助力，使汽车处于“失控”状态而无法支持“自动驾驶”，威胁驾驶员或行人的人生安全。 因此为了满足日益提升的自动驾驶技术要求，开发可支持高级自动驾驶的全冗余汽车转向系统势在必行。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种汽车转向机全冗余助力系统，确保汽车转向系统满足最高功能安全级别。

为实现上述目的，设计一种汽车转向机全冗余助力系统，包括主控制系统、辅控制系统，其特征在于：所述的主控制系统与辅控制系统的结构一致，主控制系统包括主芯片电源、主电感、主电源芯片、主控制单元、主预驱芯片、主电容、主三相桥、主相分离器，主控制单元由主芯片电源经过主电感和主电容组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个主控制系统供电，主电源芯片负责分配和管理主控制系统各元器件的电压输入，主控制单元综合接收的信号负责协调转向系统主路的助力输出，通过主预驱芯片进行功率放大后由主三相桥经过主相分离器驱动电机；辅控制系统包括辅芯片电源、辅电感、辅电源芯片、辅控制单元、辅预驱芯片、辅电容、辅三相桥、辅相分离器，辅控制单元由辅芯片电源经过辅电感和辅电容组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个辅控制系统供电，辅电源芯片负责分配和管理辅控制系统各元器件的电压输入，辅控制单元综合接收的信号负责协调转向系统辅路的助力输出，通过辅预驱芯片进行功率放大后由辅三相桥经过辅相分离器驱动电机；所述的主控制单元与辅控制单元采用通讯方式连接。

所述的电机为六相电机。

所述的主控制系统及辅控制系统的通讯方式包括UART、SPI、CAN、PWM通讯方式。

所述的主控制单元与辅控制单元之间的通讯内容包括整车CAN信号、扭矩转角信号、系统运行状态信号、助力请求信号、电机助力分配信号、电机PWM波信号。

所述的全冗余助力系统可用于上管柱式转向系统、双小齿轮式转向系统、平行轴式转向系统中的一种。

所述的控制方法包括正常工作模式、主路整车信号失效模式、主路控制单元失效模式、辅路ADC失效模式、辅路电源信号失效模式。

根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的正常工作模式为：

S11，当辅控制系统发生故障时，主控制系统会接收到辅控制系统相关故障信号，进而实施相应降级策略并决算和分配系统助力输出；

S12，当主控制系统发生故障时，辅控制系统会接收主控制系统相关故障信号，并判断故障类型是否引起系统发生主辅切换。

所述的主路整车信号失效模式为：

S21，当主控制系统的整车CAN信号失效或丢失时，主控制系统的主控制单元无法根据实时整车运行状态进行系统助力决算和分配；

S22，主控制系统会通过片间通讯发送自身整车CAN信号失效的相关信号告知辅控制系统，在接收到主控制系统的信号后，整车系统会将辅控制系统所接受到的整车信号传送至主控制系统用于转向助力决算和分配；整车系统可输出100%助力。

所述的主路控制单元失效模式为：

S31，当主控制系统的主控制单元发生失效时，主控制系统完全失去工作能力；

S32，整车系统检测到主控制系统失效时，整车系统会将辅控制系统设置成主要信息通路并用于转向助力决算和分配；整车系统最大输出50%助力。

所述的辅路ADC失效模式为：

S41，当辅控制系统的ADC失效后，电机将无法被驱动；

S42，此时，主控制系统与辅控制系统之间仍可完成信息交互，在该故障模式下主、辅控制系统不发生切换，整车系统最大输出50%助力。

所述的辅路电源信号失效模式为：

S51，当辅控制系统的电源失效后，整个辅控制系统处于掉电状态而无法工作；

S52，在该故障模式下主、辅控制不发生切换，系统两端也无法完成片间通讯，系统最大可输出50%助力。

本发明同现有技术相比，提供一种汽车转向机全冗余助力系统，确保汽车转向系统满足最高功能安全级别。

本发明所提出的全冗余转向助力系统在正常情况下，电机两端通道是一直同时处于工作状态的，所以该全冗余助力系统架构可充分利用整车的双电源输出，与整车电源系统匹配性较好。

此外，所述全冗余助力系统架构单边通道最大只需提供50%的转向助力，所以对硬件各方面性能要求大大降低，有助于提高电子器件的寿命，有效增加汽车转向的系统的使用寿命和安全性。因此通过从整车匹配、硬件要求和降级策略等多个方面进行评估，所述全冗余助力系统架构具有优良的综合性能。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图。

图2为主要控制单元和辅控制单元之间相互通讯示意图。

图3为正常工作模式下全冗余系统示意图。

图4为六相永磁电机矢量控制结构图。

图5为降助力百分比与环境温度的关系图。

图6为主路整车信号失效模式状态切换示意图。

图7为主路控制单元失效模式状态切换示意图。

图8为辅路ADC失效模式状态切换示意图。

图9为辅路电源信号失效模式状态切换示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种汽车转向机全冗余助力系统，包括主控制系统、辅控制系统，主控制系统与辅控制系统的结构一致，主控制系统包括主芯片电源、主电感、主电源芯片、主控制单元、主预驱芯片、主电容、主三相桥、主相分离器，主控制单元13a由主芯片电源20a经过主电感11a和主电容16a组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个主控制系统供电，主电源芯片12a负责分配和管理主控制系统各元器件的电压输入，主控制单元13a综合接收的信号负责协调转向系统主路的助力输出，通过主预驱芯片15a进行功率放大后由主三相桥17a经过主相分离器18a驱动电机19；辅控制系统包括辅芯片电源、辅电感、辅电源芯片、辅控制单元、辅预驱芯片、辅电容、辅三相桥、辅相分离器，辅控制单元13b由辅芯片电源20b经过辅电感11b和辅电容16b组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个辅控制系统供电，辅电源芯片12b负责分配和管理辅控制系统各元器件的电压输入，辅控制单元13b综合接收的信号负责协调转向系统辅路的助力输出，通过辅预驱芯片15b进行功率放大后由辅三相桥17b经过辅相分离器18b驱动电机19；所述的主控制单元13a与辅控制单元13b采用通讯方式连接。

电机19为六相电机。

主控制系统及辅控制系统的通讯方式包括UART、SPI、CAN、PWM通讯方式。

主控制单元13a与辅控制单元13b之间的通讯内容包括整车CAN信号、扭矩转角信号、系统运行状态信号、助力请求信号、电机助力分配信号、电机PWM波信号。

全冗余助力系统可用于上管柱式转向系统、双小齿轮式转向系统、平行轴式转向系统中的一种。

一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，控制方法包括正常工作模式、主路整车信号失效模式、主路控制单元失效模式、辅路ADC失效模式、辅路电源信号失效模式。

该全冗余助力系统架构具有两边完全对称的主控制系统和辅控制系统构成，两路信息可独立工作完成转向助力的决算和互传。此外，两边系统可以进行共同接地保护，亦可各通路独立进行接地保护，确保系统的电气安全。在正常工作状态下，主控制系统为主要控制路径，辅控制系统为辅助控住路径，两个系统之间进行实时信息交互，确保系统运行时处于冗余状态。

所述汽车转向控制全冗余助力系统架构主要组成电子电气元器件至少包含一个电机（六相电机）、两个控制单元（一个主控制单元13a和一个辅控制单元13b）、两个电源芯片(一个主电源芯片12a和一个辅电源芯片12b)、两个预驱芯片(一个主预驱芯片15a和一个辅预驱芯片15b)、两个CAN收发器，两个三相桥(一个主三相桥17a和一个辅三相桥17b)、两个反极性保护器（一个主MOS管14a和一个辅MOS管14b）、六个相分离器每三个一组分为主辅两路，分别用于控制两路电机保护，两路整车供电电源（一个主芯片电源20a和一个辅助芯片电源20b），若干滤波电感（主电感11a和辅电感11b）和电容(主电容16a和辅电容16b)，以及一个转子位置芯片等。

如图1，图2所示，正常工作模式下，该全冗余转向系统主路和辅路同时处于工作状态。其中主要主控制系统端由主芯片电源20a经过滤波电路（主电感11a和主电容16a）之后，通过提供12V直流电源给整个系统供电，主电源芯片12a负责分配和管理主控制系统各元器件的电压输入，主控制单元13a综合主控制系统接收的信号负责协调转向系统主路的助力输出，通过主预驱芯片15a进行功率放大后驱动六相电机19为系统提供50%助力。为减小转向系统丢失助力的失效率，通过增加主相分离器18a可以实现六相电机19在任意一相相失效后电机仍可独立运行，同时为了防止主要主控制系统端整车电源反接导致转向系统元器件失效，因此引入了反极性保护器主MOS管14a，增加主控制系统端系统的鲁棒性。

辅控制系统则与主控制系统一致，为系统提供50%助力。正常工作状态下主辅两系统各提供50%助力，叠加之后该全冗余转向系统可提供满足多种场景的高级别自动驾驶的100%转向助力，确保整车的智能安全行驶。

本发明全冗余助力系统的总体控制策略为：在上层系统通过主从控制模式保证主动单元的请求扭矩合理决算和分配，下层系统独立响应确保电机助力精准输出。主控制单元13a和辅控制单元13b间相互通讯，可支持双控单元数据实时传输和同步，主从切换和信号互传可保证在故障发生时系统最大可用性。

如图3所示，为正常工作状态下全冗余系统示意图，主控制系统和辅控制系统分别接收两路独立的整车电源信号、扭矩输入信号和整车CAN信号。当其中任意一端通路收到外界环境或信号的干扰时，单边系统（两边系统互不干扰）会根据各自受到的外界的干扰进行助力补偿。当环境温度过高或过低时，ECU内的温度传感器会实时计算单边系统的温度变化，并根据温度变化范围调整及补偿电机助力的输出，如温度降低系统会主动增大电机助力以补偿因环境温度过低导致的转向助力不足，当温度增高时系统会主动减少电机助力输出以避免因环境温度过高导致转向系统电子电器件损坏。同样，当两端系统各自感知到电源波动时同样会根据电源变化幅值进行转向助力补偿，以克服因电源系统的不稳定导致转向系统电子元器件的损坏或转向助力的不稳定控制。而当转向系统感知到不同路面的激励时，系统会根据路面的实时反馈，预测下一时段的路面状况及时调整助力输出，以适应不同路面状况的转向助力输出，从而提高汽车操控稳定性和提高驾驶员的手感舒适度。

如图4，图5所示，以当环境温度升高至一定范围后，通过控制减少电机助力的输出对系统进行保护为例，讲述系统自动保护的过程。永磁同步电机的数学模型是实现矢量控制的基础，在d-q坐标系下永磁电机的数学模型可用如下公式进行表示：磁链方程为；电压方程为/>；/>；转矩方程为/>；其中/>、/>、/>和/>分别表示定子电压、电流、磁链的dq轴分量；Ld、Lq为定子绕组dq轴电感，R1为定子电阻；/>为转子永磁体磁链；/>为电机电磁转矩；/>为电机极对数；/>为转子电角速度。由公式3可见，/>主要由励磁转矩和磁阻转矩两部分组成，而矢量控制的本质是对电机定子电流矢量幅值和相位的控制。

如图4所示，为转向机六相永磁电机矢量控制结构图，其主要是采用转速和电流双闭环结构。该电机控制系统中，转子位置传感器（RPS）实时探测转子磁极的位置，可得到转子的绝对位置和电机的实际转速。速度参考与速度反馈的差值经过ASR调节得到电流环dq轴电流给定；电流采样电阻检测得到的相电流经过Clarke和Park变换，得到反馈定子电流和/>；电流环给定和反馈差经ACR和Park逆变换获得α-β坐标系下电压给定，再通过SVPWM技术产生期望的门极PWM信号给到逆变器。通过公式3可知，当电机参数确定后，电磁转矩仅与电流/>和/>有关，通过对/>和/>的独立控制便可实现对永磁电机转矩的精确控制。

为确保转向系统的最大可用性同时兼顾系统自保护的安全性，转向系统架构当环境温度大于110℃时开始实施降助力保护，以确保系统不会因为在高温下持续工作而导致损坏。通过实时检测环境温度并通过软件模块实现对应温度下助力下降保护。温度大于110℃下降助力百分比与环境温度的关系如图8所示，当温度大于125℃时，系统将助力下降至0，即电机停止对外提供转向助力，以实现对系统的高温保护。

当故障发生时，该全冗余助力系统架构会根据故障的形式和严重程度实施相应的降级策略和必要的主从切换，进而确保系统的安全性和可用性。主要的故障有但不限于电子电气件的失效、信号的丢失或错误、软件的漏洞以及整车电源失效等。一般当主路扭矩信号、角度信号和CAN信号等信号失效或丢失时，系统不进行切换，因为此时另一路可以通过IPC获取相应的信息进行控制和分配扭矩。而当主路RPS信号、电流信号、相分离及预驱芯片等信号或电子器件失效时，需要进行主从切换，主要是因为此时主路的执行端已发生失效，上层控制端无法对其实施控制。

总之，当主路的上层控制端出现失效时，一般不进行主从切换；而当主路下层执行端失效时，需要进行主从切换，以确保系统的可靠性和安全性。接下来选取几种典型的失效形式进行分析，进一步解释说明该全冗余助力系统的主从切换和故障降级模式。

如图6所示，为主路整车信号失效模式状态切换示意图，当主控制系统的整车CAN信号失效或丢失时，主控制系统的主控制单元无法根据实时整车运行状态进行系统助力决算和分配，从而导致主控制系统发生“瘫痪”。此时主控制系统会通过片间通讯发送自身整车CAN信号失效的相关信号告知辅控制系统，在接收到主控制系统信号后系统会将辅控制系统所接受到的整车信号传送至主控制系统用于转向助力决算和分配。由于该失效模式下辅控制系统仍可接受完整的整车CAN信号，且可通过片间通讯将整车CAN信号同步至主控制系统，因此在该故障模式下不发生主从切换且系统依旧可输出100%助力。

如图7所示，为主路控制单元失效模式状态切换示意图，主控制系统完全失去工作能力，此时辅控制系统会因长时间无法接收到来自主控制系统的相关信号，整车系统会将辅控制系统设置成主要信息通路并用于转向助力决算和分配。由于主控制系统的主控制单元失效导致其控制的六相电机的主控制系统也无法工作，因此在该故障模式下发生主从切换之后，整车系统最大只能输出50%助力。

如图8所示，为辅路ADC失效模式状态切换示意图，当辅控制系统的ADC失效后，六相电机将无法被驱动。虽然两个系统之间仍可完成信息交互，在该故障模式下主、辅控制不发生切换，整车系统最大仅能输出50%助力。

如图9所示，为辅路电源信号失效模式状态切换示意图，当辅控制系统端电源失效后，整个辅控制系统处于掉电状态而无法工作，因此在该故障模式下主、辅控制不发生切换，系统两端也无法完成片间通讯，系统最大可输出50%助力。

Claims (11)

1.一种汽车转向机全冗余助力系统，包括主控制系统、辅控制系统，其特征在于：所述的主控制系统与辅控制系统的结构一致，主控制系统包括主芯片电源、主电感、主电源芯片、主控制单元、主预驱芯片、主电容、主三相桥、主相分离器，主控制单元（13a）由主芯片电源（20a）经过主电感（11a）和主电容（16a）组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个主控制系统供电，主电源芯片（12a）负责分配和管理主控制系统各元器件的电压输入，主控制单元（13a）综合接收的信号负责协调转向系统主路的助力输出，通过主预驱芯片（15a）进行功率放大后由主三相桥（17a）经过主相分离器（18a）驱动电机（19）；辅控制系统包括辅芯片电源、辅电感、辅电源芯片、辅控制单元、辅预驱芯片、辅电容、辅三相桥、辅相分离器，辅控制单元（13b）由辅芯片电源（20b）经过辅电感（11b）和辅电容（16b）组成的滤波电路之后，通过12V直流电源给整个辅控制系统供电，辅电源芯片（12b）负责分配和管理辅控制系统各元器件的电压输入，辅控制单元（13b）综合接收的信号负责协调转向系统辅路的助力输出，通过辅预驱芯片（15b）进行功率放大后由辅三相桥（17b）经过辅相分离器（18b）驱动电机（19）；所述的主控制单元（13a）与辅控制单元（13b）采用通讯方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种汽车转向机全冗余助力系统，其特征在于：所述的电机（19）为六相电机。

3.根据权利要求1所述的一种汽车转向机全冗余助力系统，其特征在于：所述的主控制系统及辅控制系统的通讯方式包括UART、SPI、CAN、PWM通讯方式。

4.根据权利要求1所述的一种汽车转向机全冗余助力系统，其特征在于：所述的主控制单元（13a）与辅控制单元（13b）之间的通讯内容包括整车CAN信号、扭矩转角信号、系统运行状态信号、助力请求信号、电机助力分配信号、电机PWM波信号。

5.根据权利要求1所述的一种汽车转向机全冗余助力系统，其特征在于：所述的全冗余助力系统可用于上管柱式转向系统、双小齿轮式转向系统、平行轴式转向系统中的一种。

6.一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括正常工作模式、主路整车信号失效模式、主路控制单元失效模式、辅路ADC失效模式、辅路电源信号失效模式。

7.根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的正常工作模式为：

S11，当辅控制系统发生故障时，主控制系统会接收到辅控制系统相关故障信号，进而实施相应降级策略并决算和分配系统助力输出；

S12，当主控制系统发生故障时，辅控制系统会接收主控制系统相关故障信号，并判断故障类型是否引起系统发生主辅切换。

8.根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的主路整车信号失效模式为：

S21，当主控制系统的整车CAN信号失效或丢失时，主控制系统的主控制单元无法根据实时整车运行状态进行系统助力决算和分配；

S22，主控制系统会通过片间通讯发送自身整车CAN信号失效的相关信号告知辅控制系统，在接收到主控制系统的信号后，整车系统会将辅控制系统所接受到的整车信号传送至主控制系统用于转向助力决算和分配；整车系统可输出100%助力。

9.根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的主路控制单元失效模式为：

S31，当主控制系统的主控制单元发生失效时，主控制系统完全失去工作能力；

S32，整车系统检测到主控制系统失效时，整车系统会将辅控制系统设置成主要信息通路并用于转向助力决算和分配；整车系统最大输出50%助力。

10.根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的辅路ADC失效模式为：

S41，当辅控制系统的ADC失效后，电机将无法被驱动；

S42，此时，主控制系统与辅控制系统之间仍可完成信息交互，在该故障模式下主、辅控制系统不发生切换，整车系统最大输出50%助力。

11.根据权利要求6所述的一种汽车转向机全冗余助力系统的控制方法，其特征在于：所述的辅路电源信号失效模式为：

S51，当辅控制系统的电源失效后，整个辅控制系统处于掉电状态而无法工作；

S52，在该故障模式下主、辅控制不发生切换，系统两端也无法完成片间通讯，系统最大可输出50%助力。