一種滿足線控轉向系統轉角控制的電路架構

孟永剛，王軍

(聯創汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

汽車動力轉向系統大致經歷了機械轉向系統、液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering，HPS)、電控液壓助力轉向系統(Electrical Hydraulic Power Steering，EHPS)、電動助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)的一個發展過程，目前EPS在我國已經進入批量生產并裝配在各類汽車上，且國內外可以提供量產EPS的企業也很多，如ZF、TRW、JTEKT、DIAS等[1]。

線控轉向系統(Steer-By-Wire，SBW)是將電動助力系統中原有的機械轉向系統用線控轉向系統替代，對駕駛員的駕駛意圖進行有效地采集和傳達，進而完成對汽車的轉向控制。線控轉向系統可以自由設計轉向系統的角傳遞特性和力傳遞特性，對提高“人-車-路”閉環系統的操縱穩定性、駕駛舒適性和主動安全性具有重要的意義[2]。文中對線控轉向架構尤其是關于線控轉向轉角控制總成的硬件架構做詳細介紹。SBW給汽車轉向特性的設計帶來無限的空間，是汽車轉向系統的重大革新。

1 汽車線控轉向技術的發展概況

早在20世紀50年代，TRW和德國的KASSELMANN等對線控轉向系統的概念做出了大膽的設想并設計了與此類似的主動轉向系統，用控制信號代替原有的機械連接通過操縱方向盤來控制汽車的轉向[3]。2001年意大利的Bertone汽車設計及開發公司展示了新型概念汽車“FILO”，該概念車采用了“drive by wire”系統，所有的駕駛動作都是通過信號傳遞的。隨后如戴姆勒、寶馬等各大歐美汽車廠家都對汽車線控轉向系統進行了深入研究。國內對于該項目的研究起步較晚，2004年，同濟大學在“春暉三號”電動車上運用了線控轉向技術，實現了轉向器與方向盤之間無機械連接的轉向控制，并于2005年首次提出了在汽車上實現線控四輪轉向系統。將線控轉向與車輪轉向結合起來的能滿足安全設計要求的產品仍不多見，很多高校的產品僅僅是進行功能的展示和樣機的制作。輔助駕駛系統和無人駕駛是現在新興的熱門研究領域，實現車輛智能轉向的最佳方案就是采用線控轉向系統，因而線控轉向系統的研發也為自動駕駛車輛的開發提供了良好的平臺，具有良好的應用前景。

1.1 EPS結構

EPS主要是利用電機提供轉向助力轉矩，通過減速機構與駕駛員施加的轉向力矩共同作用到轉向管柱上，從而根據不同的車況為駕駛員提供相應的助力。圖1所示為一種管柱式EPS結構示意圖。

圖1 管柱式EPS結構

該EPS由傳統的機械轉向系統(主要包括方向盤1、轉向管柱4、中間軸5、轉向器8、小齒輪9、轉向橫拉桿7、轉向節臂10、轉向輪11)加裝轉角傳感器2、扭矩傳感器6、電子控制單元13、轉向助力電機12及減速機構3等組成。

1.2 SBW結構

SBW系統是決定汽車主動安全性的關鍵總成[4]。SBW系統取消了方向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電能實現轉向控制，擺脫了傳統轉向系統的各種限制。SBW不但可以自由設計汽車轉向的力傳遞特性，而且可以設計汽車轉向的角傳遞特性，給汽車轉向特性的設計帶來無限的空間，是汽車轉向系統的重大革新。

SBW系統由轉角控制總成、轉向執行總成和主控制器(Electronic Control Unit，ECU)3個主要部分以及輔助系統組成，圖2為一種線控轉向系統的結構示意圖。

轉角控制總成包括方向盤組件、轉角傳感器、路感模擬電機及減速機構等，用于將駕駛員的轉向意圖(通過測量方向盤轉角)轉換成數字信號，并傳給轉向執行總成控制器，同時接受轉向執行總成控制器送來的力矩信號，通過路感反饋電機產生方向盤模擬阻力，以提供給駕駛員相應的“路感”信息[5]。轉向執行總成包括轉向執行結構(轉向橫拉桿、轉向器、轉向節臂、轉向輪等)、轉向電機、減速機構和前輪轉角傳感器等，可以有效采集控制器信號執行轉向操作，實現駕駛員意圖，并將轉向信息反饋給控制器。ECU及其他輔助系統包括控制器、車速及橫擺角速度傳感器、自動防故障系統和電源等，用于判斷汽車的運動狀態，向轉角控制總成的路感反饋電機和轉向執行總成的轉向電機發送指令，控制相應電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應，以減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化的補償任務，減輕駕駛員負擔；同時控制器還可以對駕駛員的操縱指令進行判斷，識別在當前狀態下駕駛員的轉向意圖是否合理，當汽車處于非穩定狀態或駕駛員發出錯誤指令時，SBW會將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，自動進行穩定控制，使汽車盡快恢復到穩定狀態。

圖2 一種線控轉向系統結構

2 轉角控制總成的研究目的與意義

由于SBW是在EPS架構上取消了機械連接部分，因此對于電子控制單元的安全性提出了更高的要求。當傳統的EPS系統中的電子控制單元失效后，駕駛員還可以通過傳統的機械轉向系統實現轉向的目的，安全風險小，而對于SBW系統，其電子控制單元一旦失效，如果安全冗余設計考慮不充分則會帶來嚴重的安全隱患，如當轉角控制總成出現無法將駕駛員的轉向意圖有效地采集或可靠地傳遞給轉向執行總成，就會導致無法實現預期的轉向，此時車輛就處于失控狀態，其危害是可想而知的。基于此，本文作者提供了一種滿足線控轉向系統需求的安全冗余的轉角控制總成的硬件架構，當駕駛員有轉向意圖時，能夠有效采集出正確的轉角信號，并能可靠地給轉向執行總成發送轉角等控制命令，當轉角控制總成中的電子控制單元任何一處出現單點失效后仍不會影響駕駛員的安全駕駛。同時對于轉角控制總成，由于取消了機械連接部分，駕駛員轉動方向盤時手上無任何阻力，這會給駕駛員帶來不適的感覺，為了讓駕駛員在使用線控轉向系統轉動方向盤時仍有傳統的駕駛“手感”，文中所述硬件架構還提供了一種模擬手感的硬件方案，以使駕駛員駕駛時更舒適、自然[6-8]。

3 轉角控制總成的硬件電路架構設計

文中所述轉角控制總成的硬件電路架構如圖3所示。

圖3 轉角控制總成硬件電路架構

3.1 供電電源處理

此硬件電路架構中采用兩個獨立的供電電源對整個硬件模塊提供穩定的電源供電，采用兩個獨立的電源處理電路(Power Management Circuit，PMC)將外部蓄電池電壓轉換為微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)所需電壓。這里使用兩個獨立電源供電和兩個獨立的PMC對電源進行轉換，其目的就是用于實現電源電路的冗余備份，通過此設計，當一路電源出現故障時，另一路電源仍可以保證系統能可靠地工作。每個PMC電路可以采用諸如低壓差線性穩壓器(Low Dropout Regulator，LDO)來實現。

3.2 轉角信號采集

在線控轉向系統中轉角是一個關鍵信號，如果轉角信號不能可靠采集或不能有效傳輸給下端的轉向執行總成，都將造成轉向失控，進而導致安全事故。文中所述硬件架構在采集轉角信號時采用如下處理方案：使用3套獨立的轉角傳感器(Angle Sensor)產生駕駛員轉向意圖的電子信號，每一路傳感器獨立供電，避免因某一路傳感器供電電源失效造成轉角信號無法獲取的現象發生。在采集處理時每個MCU使用不同的AD模塊采集，避免因AD模塊通道硬件失效造成的共因失效，同時采用三取二的判斷機制，當其中一路信號與另外兩路信號不一致時，采取少數服從多數的仲裁機制，通過上述冗余式的設計和數據校驗，提高了轉角數據采集的可靠性，進而提高了汽車線控轉向系統的安全性。

3.3 轉角等控制命令的傳輸

在線控轉向系統中，當轉角信號有效采集后，還需要將該轉角數據及相關控制命令快速可靠地傳輸到下面的轉向執行總成中，傳輸的媒介就是總線。用于線控系統的總線通信要求傳輸必須做到速度高、可靠性高和時間特性好。文中所述的硬件架構中，采用兩路總線分別連接在M-MCU和S-MCU上，總線形式可以采用諸如CAN、CAN-FD或FLEXRAY等車用總線，總線傳輸數據過程中采用如循環冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)等差錯檢測技術，確保數據能被無差錯接受。如果當一路車用總線出現故障或無法滿足該路總線的傳輸條件時，可以用另一路總線實現通信傳輸功能，從而實現轉角等控制命令的可靠傳輸。

3.4 信號處理單元

此硬件架構中采用雙MCU方式實現對轉角等信號的采集、分析及傳輸控制。為便于說明，兩個MCU分別定義為M-MCU和S-MCU，兩個MCU分別采集轉角信號進行判斷，分析處理，并通過SPI通信實現雙機的數據再校驗和MCU間的相互監控。兩個MCU采用獨立電池電源供電，采用獨立的JTAG(Joint Test Action Group)接口燒錄程序。兩個MCU間還可進行相互的監控和狀態的確認，進而提高系統工作的可靠性。如果兩個MCU中診斷出某一個MCU發生故障或無法正常工作時，另一個MCU還可以將轉角信號提供給轉向執行總成，同時將故障類型也提供給轉向執行總成作為報警和提示，轉向執行總成根據收到的信息采取相應的故障處理措施，從而有效地提前預防，確保系統的安全。

3.5 硬件監控

為保證M-MCU和S-MCU運行的可靠性，文中所介紹的電路架構還使用了外部硬件看門狗(Watching Dog，WD)監控系統。這里所說的硬件看門狗可以為單獨的硬件看門狗電路，也可以集成在如LDO芯片中(圖3的硬件電路架構圖以集成在LDO中為例進行說明)，當看門狗檢測到受監控的電源電壓有異常或MCU運行不正常如跑飛時，看門狗便可通過復位引腳使MCU復位，讓異常MCU重新進入可靠狀態，提高了系統的穩定性和可靠性。

3.6 路感模擬

文中所述硬件架構還提供了一種模擬手感的硬件方案。其實現方式是M-MCU通過從轉向執行總成反饋的信息及自身采集的外圍傳感器、車速等信息中提取出最能夠反映汽車實際行駛狀態和路面狀況的信息，作為方向盤回正力矩的控制變量，再通過預驅動器(Pre-driver)驅動H橋電路，進而控制路感反饋電機，從而為駕駛員提供更為真實的模擬“路感”。

4 結束語

文中提供了一種滿足線控轉向系統需求的安全冗余的轉角控制總成的硬件架構，使用該架構，當駕駛員有轉向意圖時，能夠有效采集出正確的轉角信號，并能可靠地傳送給轉向執行總成，當電子控制單元任何一處出現單點失效后仍不會影響駕駛員的安全駕駛。同時該架構還提供了一種模擬手感的硬件方案，為駕駛員在使用線控轉向時具有更貼近于使用電動助力轉向的駕駛感覺。目前隨著EPS在我國汽車上逐漸普及和智能駕駛相關技術的研發不斷投入，未來性能更優越的SBW開發與使用也成了必然，并將會成為未來智能技術中舉足輕重的一個重要環節。現在SBW還有很多關鍵難點亟待解決，比如安全性方面，由于電子部件還沒有達到機械部件那樣的可靠程度，如何保證在電子部件出現故障后，系統仍能實現其基本的轉向功能，這在實際應用中是十分重要的[9]。文中提供的轉角控制總成硬件架構安全、可靠、可行，相信在未來線控轉向系統中將會得到廣泛的應用。