專利名稱：一種具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，尤其涉及ー種具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，簡稱EPS)是汽車關(guān)鍵的安全部件，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電動助力裝置和機械轉(zhuǎn)向裝置兩部分，電動助力裝置進ー 步包括扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器1、車速傳感器2、電子控制単元(ECU) 3、電機4和減速結(jié)構(gòu)5 ；機械轉(zhuǎn)向裝置包括轉(zhuǎn)向盤6、轉(zhuǎn)向軸7、轉(zhuǎn)向器8、轉(zhuǎn)向橫拉桿9和轉(zhuǎn)向輪10。其中，電子控制単元3是整個系統(tǒng)的運算中心，用于根據(jù)扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器1與車速傳感器2提供的信號， 按照內(nèi)置的控制算法，決定電機的目標電流，控制電機輸出相應(yīng)的助力矩，幫助駕駛員完成轉(zhuǎn)向。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性取決于其各關(guān)鍵子部件的安全性，尤其是電子控制單元3的安全性設(shè)計。ー個具有良好安全性的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，要求在系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時，電子控制単元3能夠自動切斷助力，使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于機械轉(zhuǎn)向模式，以保證駕駛的安全性。目前，電子控制単元3的安全性設(shè)計主要體現(xiàn)在設(shè)置硬件看門狗或軟件看門狗， 以及設(shè)置保護繼電器等方面，基本思路都是對傳感器信號、信號處理電路、MCU(微處理器單元)、電機驅(qū)動芯片等電子控制単元3的硬件部分進行一定的監(jiān)控檢測和故障保護，在硬件出現(xiàn)故障的時候，發(fā)出警報，并通過軟件切斷保護繼電器，斷開電機4與電子控制単元3。而對電子控制單元3的軟件或算法本身的檢測以及故障保護還沒有涉及，這使電子控制單元 3在安全性方面的設(shè)計尚不夠全面。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供ー種具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它安全、可靠，并具有較高的性價比。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括電動助力裝置和機械轉(zhuǎn)向裝置，其中，電動助力裝置包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、電機位置傳感器、電子控制単元、電機和減速機構(gòu)；所述電子控制単元具有雙MCU， 其中，一個為主MCU，該主MCU內(nèi)置有控制算法，用于根據(jù)前述各傳感器的信號，計算系統(tǒng)目標助力矩，并控制電機輸出相應(yīng)助力；另一個為輔助MCU，該輔助MCU內(nèi)置有監(jiān)控算法，用于實時監(jiān)控主MCU的控制算法是否出現(xiàn)故障，并在出現(xiàn)故障吋，通知主MCU切斷電機助力或終止發(fā)生故障的算法。本發(fā)明的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用輔助MCU實時監(jiān)控主MCU關(guān)鍵算法模塊的運行情況，在關(guān)鍵算法或相關(guān)硬件發(fā)生故障吋，通知主MCU切斷助力或關(guān)閉發(fā)生故障的算法模塊，如此，便實現(xiàn)了對ECU軟件部分的檢測和故障保護，與采用單一硬件保護策略的現(xiàn)有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，本發(fā)明兼顧了軟、硬件兩部分的檢測和故障保護，從而大大提升了系統(tǒng)的安全性、可靠性以及性價比。
圖1是現(xiàn)有的電動助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明的電子控制単元的雙MCU結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的扭矩信號處理算法監(jiān)控原理圖； 圖4是本發(fā)明的扭矩信號處理算法監(jiān)控流程圖； 圖5是本發(fā)明的轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控原理圖； 圖6是本發(fā)明的轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控流程圖； 圖7是本發(fā)明的目標助力矩決策算法監(jiān)控原理圖； 圖8是本發(fā)明的目標助力矩決策算法監(jiān)控流程圖； 圖9是本發(fā)明的電機電流控制算法監(jiān)控原理圖； 圖10是本發(fā)明的電機電流控制算法監(jiān)控流程圖。 圖中附圖標記說明如下 1 扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器 2 車速傳感器
4 電機
3:電子控制単元 5 減速結(jié)構(gòu) 7 轉(zhuǎn)向軸 9:轉(zhuǎn)向橫拉桿
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向器 10 轉(zhuǎn)向輪
具體實施例方式為對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、特點與功效有更具體的了解，現(xiàn)結(jié)合圖示的實施方式，詳述如下本發(fā)明的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在電子控制単元中使用了兩個微處理器単元(MCU)， 其中，一個為主MCU，該主MCU內(nèi)置有控制算法，用于根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各傳感器提供的信號，計算目標助力矩，控制電機輸出相應(yīng)大小和方向的助力；另一個為輔助MCU，作為安全性芯片，內(nèi)置有監(jiān)控算法，用于對主MCU的各個關(guān)鍵的控制算法進行實時監(jiān)控。輔助MCU的結(jié)構(gòu)請參閱圖2所示，包括扭矩信號處理算法監(jiān)控模塊、轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控模塊、目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊以及電機電流控制算法監(jiān)控模塊。四個模塊的功能分別說明如下1、扭矩信號處理算法監(jiān)控模塊用于對主MCU控制算法中的扭矩信號處理算法的運行情況進行監(jiān)控，包括有扭矩信號估算模塊、扭矩信號解碼模塊和扭矩信號比較模塊，其監(jiān)控原理和流程請參見圖3和 4。扭矩傳感器的兩路輸出信號(互補且對稱)1\、T2,分別輸入到主MCU和輔助MCU 中。主MCU根據(jù)扭矩信號處理算法，對1\、T2信號解碼，計算得到1\、T2各自所對應(yīng)的扭矩值Thw1Jhw2,然后按照公式Ttw = (Thw^Thw2) /2，計算出轉(zhuǎn)向盤實際的操縱扭矩Ttw，作為カ矩控制策略的關(guān)鍵輸入。該計算得到的扭矩值Ttw通過SPI (高速同步串行ロ)通訊，傳遞給輔助MCU。在輔助MCU中，扭矩信號估算模塊根據(jù)接收到的扭矩值Ttw，反算出初始扭矩信號的估算值τΛ τ；0同吋，扭矩信號解碼模塊對扭矩傳感器的輸出信號τ” T2進行解碼，得到初始扭矩信號的實際值T/、Τ2’。然后，由扭矩信號比較模塊計算出T1*和T/的差值，以及 T/和τ2’的差值，并判斷這兩個差值是否都超過了預(yù)先設(shè)定的扭矩偏差閾值，若是，則表明主MCU的控制算法與輔助MCU的監(jiān)控算法的計算結(jié)果不匹配，主MCU的扭矩信號處理算法出現(xiàn)了故障，此時，將扭矩信號處理算法監(jiān)控標志位置1，通知主MCU打開電機相線繼電器， 切斷電機助力；若否，則表明控制算法與監(jiān)控算法的計算結(jié)果匹配，主MCU的扭矩信號處理算法運行正常，此時，將扭矩信號處理算法監(jiān)控標志位置0，通知主MCU按照目標助力矩控制電機，提供電機助力。2、轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控模塊用于對主MCU內(nèi)置的控制算法中的轉(zhuǎn)角信號處理算法進行監(jiān)控，包括轉(zhuǎn)角信號估算模塊、轉(zhuǎn)角信號解碼模塊以及轉(zhuǎn)角信號比較模塊，其監(jiān)控原理和流程請參閱圖5和6。轉(zhuǎn)角傳感器的兩路輸出信號(兩路信號的檢測精度與檢測范圍不同)A” A2，分別輸入到主M⑶與副助MCU中。主MCU根據(jù)轉(zhuǎn)角信號處理算法，對A” A2信號進行解碼，然后根據(jù)游標原理計算出轉(zhuǎn)向盤的絕對位置角度Ahw，作為主動回正和主動阻尼控制的關(guān)鍵輸入，并通過SPI通訊傳遞給輔助MCU。在輔助MCU中，轉(zhuǎn)角信號估算模塊根據(jù)接收到的絕對位置角度Ahw，反算出初始轉(zhuǎn)角信號的估算值ΑΛ k2\同時，轉(zhuǎn)角信號解碼模塊對轉(zhuǎn)角傳感器的輸出信號A” A2進行解碼，得到初始轉(zhuǎn)角信號的實際值A(chǔ)/、A2’。然后，轉(zhuǎn)角信號比較模塊計算出A1*和A/的差值， 以及A/和A2,的差值，并判斷這兩個差值是否都超過了預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)角偏差閾值，若是，則表明主MCU的控制算法與輔助MCU的監(jiān)控算法的計算結(jié)果不匹配，主MCU的轉(zhuǎn)角信號處理算法出現(xiàn)了故障，此時，將轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控標志位置1，通知主MCU關(guān)閉主動回正及主動阻尼控制功能；若否，則表明控制算法與監(jiān)控算法的計算結(jié)果匹配，主MCU的轉(zhuǎn)角信號處理算法運行正常，此時，將轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控標志位置0，通知主MCU按照目標助力矩控制電機，提供電機助力。3、目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊采用自動代碼生成，并采用5ms程序調(diào)用周期。該目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊進ー步包括有助力特性查表模塊、主動回正控制模塊、主動阻尼控制模塊、目標助力矩決策模塊以及目標助力矩決策比較模塊，用于對主MCU內(nèi)置的控制算法中的目標助力矩決策算法的運行情況進行監(jiān)控。其監(jiān)控原理和流程請參閱圖7和8。車速傳感器的車速信號、扭矩傳感器的轉(zhuǎn)向盤扭矩信號以及轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，分別輸入到主MCU和輔助MCU中。主MCU根據(jù)目標助力矩決策算法(手工編寫代碼，并采用Ims程序調(diào)用周期)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的助力特性曲線，采用查表的方式，確定助力特性。同吋，主MCU計算出主動回正控制カ矩和主動阻尼控制カ矩，并根據(jù)或獲得的助力特性、回正控制カ矩和阻尼控制カ 矩，計算出目標助力矩Ta。
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在輔助MCU中，助力特性查表模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)計的助力特性曲線，采用查表的方式，確定助力特性。在助力特性曲線的設(shè)計上，輔助MCU與主MCU采用了不同的車速斷點或斷點數(shù)量。例如，通常在車速感應(yīng)型助力特性曲線設(shè)計吋，會選取8 10個特性車速點作為斷點，繪制基準特性曲線，兩斷點之間的助力特性曲線通過線性差值的方法獲得，若主MCU 的控制算法中設(shè)置了 8個斷點0，10，30，60，90，110，140，160，則在輔助MCU的監(jiān)控算法中可以設(shè)置10個斷點，并可以選取不同的特性車速點，如0, 5，25,45,80,100，120，135，145， 160。同吋，輔助MCU的主動回正控制模塊和主動阻尼控制模塊分別根據(jù)上述各傳感器信號，獨立地計算出回正控制カ矩和阻尼控制カ矩。然后，目標助力矩決策模塊根據(jù)獲得的助力特性、回正控制カ矩和阻尼控制カ矩，計算出目標助力矩Ta*。接著，目標助力矩決策比較模塊計算Ta和Ta*的差值，并判斷該差值是否超過預(yù)先設(shè)定的目標助力矩偏差閾值，若是，則表明主MCU的目標助力矩決策算法出現(xiàn)了故障，此時，將目標助力矩決策算法監(jiān)控標志位置1，通知主MCU打開電機相線繼電器，切斷電機助力；若否，則表明主MCU的目標助力矩決策算法運行正常，此時，將目標助力矩決策算法監(jiān)控標志位置0，通知主MCU按照目標助力矩控制電機提供助力。4、電機電流控制算法監(jiān)控模塊采用自動代碼生成，并采用5ms程序調(diào)用周期。該電機電流控制算法監(jiān)控模塊包括有電機目標電流計算模塊和電機電流比較模塊，用于對主MCU內(nèi)置的控制算法中的電機電流控制算法的運行情況進行監(jiān)控，其監(jiān)控原理和流程請參閱圖9和10。目標助力矩指令及電機位置傳感器信號同時分別輸入到主MCU和輔助MCU中。主MCU根據(jù)電機電流控制算法(手工編寫代碼，并采用Ims程序調(diào)用周期)，計算出電機目標電流，并將電機目標電流指令輸入到主MCU的電機電流PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制模塊，得到PWM控制指令，控制電機驅(qū)動硬件電路，使電機輸出相應(yīng)的電流/電機カ矩，同吋，ECU通過電機電流檢測電路，得到實際的電機電流檢測值Isense，作為PWM控制模塊中 PI調(diào)節(jié)器的反饋輸入，形成電機電流的閉環(huán)控制，完成電動助力轉(zhuǎn)向功能。同吋，主MCU將該實際電機電流檢測值Isense傳遞給輔助MCU。在輔助MCU中，電機目標電流計算模塊根據(jù)目標助力矩和電機位置傳感器信號，計算出電機目標電流Γ，并將其轉(zhuǎn)換為目標電流指令，傳遞給電機電流比較模塊。電機電流比較模塊計算電機目標電流Γ與電機電流檢測值Isense的差值，并判斷該差值是否超過預(yù)先設(shè)定的電機電流偏差閾值，若是，則表明主MCU的電機電流控制算法出現(xiàn)了故障，此時，將電機電流控制監(jiān)控算法標志位置1，通知主MCU打開電機相線繼電器，切斷電機助力；若否，則表明主MCU的電機電流控制算法運行正常，此時，將電機電流控制監(jiān)控算法標志位置0，通知主MCU按照目標助力矩控制電機提供助力。綜上所述，本發(fā)明在電子控制単元中設(shè)計了雙MCU，其中的輔助MCU根據(jù)獨立的傳感器輸入信號，進行獨立的運算，當主MCU與輔助MCU的運算結(jié)果發(fā)生偏差吋，通過判斷偏差值的大小是否超過閾值，來決定電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否進入故障模式或直接切斷電機助力，從而在増加有限的硬件成本的基礎(chǔ)上，通過軟件監(jiān)控策略實現(xiàn)了故障保護，從而提高了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和性價比。
權(quán)利要求
1.ー種具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括電動助力裝置和機械轉(zhuǎn)向裝置，其中，電動助力裝置包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、電機位置傳感器、電子控制單元、電機和減速機構(gòu)；所述電子控制単元包含一主MCU，該主MCU內(nèi)置有控制算法， 用于根據(jù)前述各傳感器的信號，計算系統(tǒng)目標助力矩，并控制電機輸出相應(yīng)助力；其特征在干所述電子控制單元還包含ー輔助MCU，該輔助MCU內(nèi)置有監(jiān)控算法，用于實時監(jiān)控主 MCU的控制算法是否出現(xiàn)故障，并在出現(xiàn)故障吋，通知主MCU切斷電機助力或終止發(fā)生故障的算法。
2.如權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在干，所述輔助MCU進ー步包括扭矩信號處理算法監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控主MCU控制算法中的扭矩信號處理算法是否出現(xiàn)故障；轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控主MCU控制算法中的轉(zhuǎn)角信號處理算法是否出現(xiàn)故障；目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控主MCU控制算法中的目標助力矩決策算法是否出現(xiàn)故障；電機電流控制算法監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控主MCU控制算法中的電機電流控制算法是否出現(xiàn)故障。
3.如權(quán)利要求2所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述扭矩信號處理算法監(jiān)控模塊進一歩包括扭矩信號估算模塊、扭矩信號解碼模塊和扭矩信號比較模塊，扭矩信號估算模塊用于根據(jù)主MCU計算出的操縱扭矩，反算出初始扭矩信號的估算值；扭矩信號解碼模塊用于對扭矩傳感器的信號進行解碼，獲得初始扭矩信號的實際值；扭矩信號比較模塊用于計算扭矩信號的實際值和估算值的差值，并與預(yù)先設(shè)定的扭矩偏差閾值進行比較，判斷主MCU的扭矩信號處理算法是否發(fā)生故障。
4.如權(quán)利要求2所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)角信號處理算法監(jiān)控模塊進一歩包括轉(zhuǎn)角信號估算模塊、轉(zhuǎn)角信號解碼模塊以及轉(zhuǎn)角信號比較模塊，所述轉(zhuǎn)角信號估算模塊用于根據(jù)主MCU計算出的轉(zhuǎn)向盤絕對位置角度，反算得到初始轉(zhuǎn)角信號的估算值；所述轉(zhuǎn)角信號解碼模塊用于對轉(zhuǎn)角傳感器信號進行解碼，得到初始轉(zhuǎn)角信號的實際值；所述轉(zhuǎn)角信號比較模塊用于計算初始轉(zhuǎn)角信號的估算值和實際值的差值，并與預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)角偏差閾值進行比較，判斷主MCU的轉(zhuǎn)角信號處理算法是否發(fā)生故障。
5.如權(quán)利要求2所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊進ー步包括助力特性查表模塊、主動回正控制模塊、主動阻尼控制模塊、目標助力矩決策模塊以及目標助力矩決策比較模塊，所述助力特性查表模塊用于根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器信號，以及預(yù)先設(shè)計的助力特性曲線，確定助力特性；主動回正控制模塊和主動阻尼控制模塊用于根據(jù)車速傳感器、扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器的信號，分別計算回正控制カ 矩和阻尼控制カ矩；目標助力矩決策模塊用于根據(jù)獲得的助力特性、回正控制カ矩和阻尼控制カ矩，計算出目標助力矩；目標助力矩決策比較模塊用于計算主MCU和輔助MCU各自計算出的目標助力矩的差值，并與預(yù)先設(shè)定的目標助力矩偏差閾值進行比較，判斷主MCU的目標助力矩決策算法是否發(fā)生故障。
6.如權(quán)利要求5所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述目標助力矩決策算法監(jiān)控模塊采用自動代碼生成，且其程序調(diào)用周期以及所采用的車速斷點或斷點數(shù)量，與主MCU 不同。
7.如權(quán)利要求2所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述電機電流控制算法監(jiān)控模塊進一歩包括電機目標電流計算模塊和電機電流比較模塊，電機目標電流計算模塊用于根據(jù)目標助力矩指令和電機位置傳感器信號，計算電機目標電流，并將其轉(zhuǎn)換為目標電流指令，傳送給電機電流比較模塊；電機電流比較模塊用于計算該電機目標電流與電機電流檢測值的差值，并與預(yù)先設(shè)定的電機電流偏差閾值進行比較，判斷主MCU的電機電流控制算法是否發(fā)生故障。
8.如權(quán)利要求7所述的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于所述電機電流控制算法監(jiān)控模塊采用自動代碼生成，且其程序調(diào)用周期與主MCU不同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有軟件集成監(jiān)控功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其電子控制單元采用了雙MCU，其中，主MCU內(nèi)置控制算法，用于根據(jù)傳感器信號，計算目標助力矩，控制電機輸出相應(yīng)的助力，完成電子控制單元的基本功能；輔助MCU內(nèi)置監(jiān)控算法，用于實時監(jiān)控主MCU關(guān)鍵算法的運行情況。該電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全、可靠，并具有較高的性價比。工作時，輔助MCU對電子控制單元中各關(guān)鍵算法模塊的運行情況進行實時監(jiān)控，在關(guān)鍵算法或相關(guān)硬件發(fā)生故障時，通知主MCU切斷助力或關(guān)閉發(fā)生故障的算法模塊，如此，實現(xiàn)了對電子控制單元軟件部分的檢測和故障保護，從而大大提升了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性。
文檔編號B62D113/00GK102582678SQ20111000439
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者唐文, 張瑞, 羅旋, 鄭鴻云, 金燦龍 申請人:上海聯(lián)盛汽車電子有限公司