基于道路汽車功能安全標準要求的7DCT駐車位置傳感器新策略設計

吳小萍，姚文博，譚艷軍，林霄喆，王瑞平，2

（1.寧波上中下自動變速器有限公司，浙江 寧波 315800；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著汽車自動化控制要求越來越高，電控系統在汽車控制領域的應用也日益增加，而電氣系統的信號可靠性有時直接影響駕駛員的人身安全。因此道路汽車功能安全標準ISO 26262常會根據項目的開發過程需求，考慮系統信號的魯棒性，使用冗余硬件信號以提高電氣硬件系統安全功能等級［1］。

而對于自動變速器，駐車系統的可靠性是關系功能安全的關鍵系統。目前車上越來越多用到自動駐車機構。

自動駐車系統主要包括：駐車機構、駐車執行器、駐車位置傳感器等。其中駐車位置傳感器精確檢測駐車位置屬于自動變速器功能安全最高等級要求ASIL C。

根據ISO 26262的要求，對于ASIL C的安全目標相關硬件指標要求為：單點隨機失效率≥97%；潛在隨機失效率≥80%［2］。而根據現市場上多家著名傳感器供應商分析，目前單個位置傳感器普遍僅能達到ASIL B硬件功能安全等級要求，因此單個傳感器信號無法達到ASIL C的要求。

降低系統單點故障指標的一種方法是冗余設計，如設計2個傳感器進行相互校驗，2個傳感器同時發生故障，才會發生失效，能巧妙地將單點故障轉化成多點故障，使系統單點故障指標得到提高［2］。

而目前為考慮到變速器的車輛平臺化，使用空間非常有限，因此本文將以7DCT駐車系統為實例，主要說明如何在有限空間局限下，巧妙合理設計2個駐車位置傳感器，以及這2個駐車位置傳感器的控制策略設計。

1 7DCT駐車系統介紹

駐車系統結構如圖1所示。因空間局限性及開發成本考慮，通常駐車執行器不單獨開發，由選換擋執行器驅動整車系統運轉。如圖1，該設計方案也是由選換擋執行器驅動，通過選擋和換擋功能實現換擋指的轉動，換擋指帶動駐車機構平移，由駐車機構內部系統結構設計，實現駐車棘爪的旋轉，配合駐車棘輪，即可實現駐車與非駐車狀態。如圖2所示，當棘爪對準棘輪齒根時，當前處于駐車狀態；若棘爪對準棘輪齒頂時，將處于非駐車狀態。

2 駐車位置傳感器

2.1 執行器電機位置傳感器

目前變速器領域用到的各電機普遍采用無刷直流電動機，為精確探測位置／轉速，會匹配3個轉子位置傳感器。

基于上方談到的駐車系統結構上來看，通過執行器中無刷電機的3個位置傳感器可精確檢測到駐車機構的移動位移，以此推算當前是否處于駐車狀態。因此從軟件功能角度，使用無刷直流電機3個位置傳感器檢測位置滿足功能要求。

圖1 駐車系統機構

2.2 功能安全角度系統優化點

但從功能安全角度考慮，該系統存在以下兩點問題：選換擋執行器內部發生卡滯；駐車機構發生故障。

如圖3所示，①代表disengaged狀態，②代表middle位置，③代表engaged狀態。當發生A或B故障時，執行器正常運行，從①位置運行到③位置，這時電機位置傳感器會識別電機轉子轉動增量，軟件根據電機位置傳感器信號信息，判斷當前處于③engaged狀態。而此時由于A或B故障發生，動力并未有效傳遞到駐車機構，導致駐車棘輪及棘爪的位置仍然處于①disengaged狀態。因此從功能安全角度考慮，單單電機位置傳感器不能滿足安全系統要求。

圖2 駐車棘爪與棘輪相對位置圖

圖3 系統運動簡圖

為提高系統魯棒性設計，上方引言也提到，通常會引用雙傳感器檢測，用于相互校驗。

2.3 冗余位置傳感器設計

根據系統結構分析，冗余位置傳感器潛在檢測點位置共3處，如圖4所示。

圖4 冗余傳感器潛在檢測位置點

檢測位置1：可直接檢測換擋指運行角度，可規避故障B，但無法規避故障A。

檢測位置2：在駐車機構上引出位置傳感器的檢測對象，可同時規避故障A和故障B。

檢測位置3：檢測駐車棘輪角度。但因車輛在執行駐車時，不能保證每次駐車棘輪齒根處剛好對準棘輪，通常在執行駐車后，在棘輪少許轉動時，受駐車機構內部彈簧力，駐車棘爪才會真正地駐進棘輪。因此在檢測位置3會造成車輛一直無法完成駐車的假象，引起客戶抱怨。

從上面分析，檢測位置2最佳。

傳感器檢測目標對象通常為磁鐵或銷 （或其他非磁鐵原件）。

采用磁鐵為檢測目標對象優缺點：位置傳感器信號精度好，但成本及空間需求大。

但往往受變速器內部空間局限性，位置傳感器的檢測目標無法做成磁鐵式。本文中7DCT采用的目標對象為銷。

而由于受駐車機構機械公差、殼體相關定位孔公差、傳感器機械公差，導致這套系統對傳感器氣隙要求范圍廣，以及disengaged／middle／engaged這幾個狀態的機械公差大，所以導致該冗余位置傳感器信號精度差，無法檢測出當前的駐車狀態。如圖5信號曲線，在獲取一定的PWM值，所對應的位置范圍太大。

圖5 位置傳感器信號曲線

因此新策略設計，需考慮如何根據當前系統設計，滿足系統功能安全等級要求。

2.4 冗余位置傳感器新策略設計

從功能角度，執行器內部電機位置傳感器足夠探測當前駐車位置，而考慮到功能安全要求需探測故障A和故障B的模式，避免執行器內部電機位置傳感器信號不可行。

若發生故障A時，駐車機構無法正常移動；若發生故障B時，動力無法傳遞到駐車機構，因此駐車機構也無法移動。

因此該冗余傳感器的策略可由檢測駐車位置改變為檢測駐車機構是否移動。

從傳感器信號角度區分，可判斷傳感器PWM波是否有增減量，如設定增減量為10%，即可判斷駐車機構是否移動，及通過增量或者減量判斷駐車機構的移動方向。

且從功能安全角度考慮，由disengage變到engage這個過程產生誤報，會涉及到駕駛員的人身安全，而engage到disengage的誤報不會產生人身安全。因此總結駐車系統策略如下。

1）控制器收到park engaged指令值。

2）控制器驅動執行器運轉，這時軟件會檢測電機位置傳感器，獲取電機運行角度，計算駐車移動距離是否到達要求。

3）駐車機構受換擋指驅動發生移動，冗余位置傳感器探測到信號發生變化，當信號PWM值增量大于10%時，判斷駐車機構確實由disengaged位置往engaged位置方向移動。

4）策略根據2）和3）的結果，判斷當前系統是否確實在engaged狀態。

3 結論

本文基于汽車功能安全標準要求下，應用雙駐車位置傳感器，通過信號的冗余相互驗證，以提高系統的魯棒性。

而根據實際項目系統應用環境、空間局限性及機械公差范圍大等情況，引入駐車位置傳感器新的策略，對本駐車系統的位置檢測策略開發提供了一定的研究方法。