線控轉向系統軟硬件容錯研究綜述

羅來軍，李偉超，高大威,孟永剛

(1.聯創汽車電子有限公司，上海 201206;2.清華大學車輛與運載學院，北京 100084)

0 引言

隨著無人駕駛技術的快速發展，車內乘客對汽車轉向系統的安全性提出了更高的要求。汽車線控轉向(Steer-By-Wire)系統通過電纜實現對電機的控制，完成車輛的轉向過程，突破了傳統機械式轉向的各種限制，可以基于司機的駕駛意圖、路面情況、整車運行狀態靈活地對轉向力、轉向角進行控制，提高了整車的操控性和舒適性。作為無人駕駛汽車的一項關鍵技術，線控轉向系統得到了前所未有的關注，并已成為眾多汽車廠商和研發機構的研發熱點。

線控轉向系統是整個無人駕駛系統的核心，其性能對整車會產生直接的影響，因此在線控轉向系統中，各個裝置運行的可靠性和安全性顯得尤為重要。當轉向系統發生故障時，汽車轉向系統失效，正在行駛的汽車無法繼續正常運行，嚴重影響車內乘客的安全。現有的線控轉向系統由于缺乏容錯機制，無法實現由于轉向電機故障并能保持繼續平穩運行的功能，難以滿足未來無人駕駛汽車高安全性的需求。

線控轉向系統主要由3個部分組成，轉向結構組成如圖1所示，即轉向盤總成(包含轉向盤、回正力矩電機及相應傳感器等)，轉向執行總成(包含前輪轉向機構、轉向執行電機及相應傳感器等)和電子控制單元(包含主控單元和故障處理單元)。

在一個基本的轉向系統中，駕駛員轉動方向盤，這些輸入通過一系列軸向下傳遞到汽車前面的轉向器。使用線控轉向系統，駕駛員的輸入由傳感器監控，并通過電子方式傳輸到汽車的轉向裝置，而無需機械連接。

當駕駛員轉動方向盤時，傳感器將輸入中繼到控制單元。控制單元隨后評估該輸入以及其他關鍵信息，例如車速和橫擺角速度，然后將合適的控制信號傳遞給物理致動轉向齒條的系統。當所有這些都在進行的時候，電子設備過濾掉來自前輪的不需要的反饋，并將相關信號傳遞給方向盤上的力發生器。這為驅動器提供了適當的電阻和反饋。

圖1 線控轉向系統結構圖

由于取消了機械連接結構，轉而代替為電纜連接系統各部分，同時轉向系統中各種執行機構一般都為電機，這在很大程度上增加了系統的故障率，因此線控轉向系統容錯控制研究對于轉向系統的安全性與可靠性非常重要。如何保證線控轉向系統在故障狀態下繼續保持平穩運轉，輸出平穩的電磁轉矩，成為未來線控轉向研究領域中非常迫切的課題。

1 線控轉向系統容錯技術國內外研究現狀

1.1 硬件冗余容錯研究

文獻[1]中介紹了一種基于容錯控制的線控轉向系統，該系統采用雙電機、雙微控制器結構，能夠承受單點故障而不降低控制系統的性能。文獻[2]中介紹了一種基于多種轉向機構的容錯體系結構，該機構由SBW組成，在SBW發生故障時具有制動和加速轉向功能。這些備用轉向功能是根據駕駛員減速和加速的意圖選擇的。文獻[3]中介紹了一種以芯片安全為重點的線控轉向(SBW)容錯控制系統，電源電路由兩個嵌入式電子控制模塊(ECM)、主ECM和備用ECM控制，這兩個控制模塊互相監視狀態，如果其中一個檢測到另一個故障，它將接管控制功能。文獻[4]中重點研究了基于永磁無刷直流電機的執行機構的使用，分析了執行機構技術的內部容錯潛力，并對可能的控制方案進行了評估。

1.2 軟件容錯算法研究

文獻[5]中提出一種基于非線性觀測器的分析冗余控制方法，用于線控轉向系統的容錯控制，為了提高故障檢測效率，提出一種基于丟番圖特征的遠程預測方法。在此基礎上，實現了全預測容錯控制策略。文獻[6]中提出了一種具有線控轉向和線控制動裝置的汽車橫擺力矩容錯控制方法，針對執行器故障，在橫擺力矩分配過程中，提出一種變權逆控制分配方法，仿真結果表明：該方法是一種有效的容錯算法。研究人員[7-8]提出一種基于Delta算子的線控轉向系統故障補償的故障容錯模型預測控制(Model Predictive Control，MPC)，它部署一個觀察者來估計故障信息和故障的線控轉向系統狀態，在每個采樣時間，MPC立即補償故障。文獻[8]中提出基于分布式處理和異常決策機制的雙核容錯控制系統的體系結構，研究顯示，雙核容錯控制結構和協調機制是可行的。文獻[9]中提出一種處理基于控制器CAN網絡的故障處理方法，利用新的錯誤處理算法來替換CAN的錯誤幀處理。文獻[10]中介紹一種旨在減少傳感器冗余的容錯控制策略，它具有獨立的控制器——轉向角反饋控制器和D*反饋控制器，當傳感器故障發生時，所提出的策略能夠保持轉向功能。文獻[11]中提出一種采用非對稱隸屬函數(WFNN-AMF)改進差分進化算法的小波模糊神經網絡，用于控制電動助力轉向(EPS)系統的六相永磁同步電動機，當電機發生缺相故障后，該容錯算法能夠很好地維持六相電機平穩運行。

圖2中介紹了3種基于硬件冗余容錯控制的線控轉向系統，分別是傳感器冗余、控制器冗余、電機冗余。傳感器冗余系統采用雙傳感器結構，能夠承受單一傳感器故障而不降低控制系統的性能。控制器冗余系統基于多個控制單元，各控制單元具有仲裁機制，當有控制器故障時，系統可以快速切換到其他備用的控制器，對系統性能影響降到最低。電機冗余系統采用多套電驅動系統，正常運行時啟用一套電驅動系統，當工作的系統發生故障時，控制單元會快速切換到備份的電驅動系統。

圖2 硬件冗余拓撲結構

圖3中介紹了3種基于軟件容錯控制的線控轉向系統，分別是橫擺力矩分配、CAN網絡容錯、模型預測。橫擺力矩分配容錯算法基于車輛動力學理論[12]，當轉向系統故障時，通過分別調節驅動輪的橫擺力矩，控制車輛在極限狀況下保持直線行駛，保證了乘客安全。CAN網絡容錯通過設置轉向系統各個故障部分的CAN節點[13]，當轉向系統發生故障時，通過總線告知系統中其他單元，使得系統能快速響應故障，并執行相應動作。模型預測通過對故障狀態下轉向系統進行數學建模，建立起一套通用的轉向控制模型[14]，當發生故障時，控制器通過控制誤差調節模型參數，最終控制模型輸出誤差最小。

圖3 軟件容錯算法

2 線控轉向系統故障類型

線控轉向系統的故障可以分為執行器故障、傳感器故障、通信總線故障、電池故障等幾個類型，轉向系統通常都是某一個部件發生了故障,兩個或多個部件同時發生故障的概率遠遠小于單個部件發生故障的概率,在研究中幾乎可以忽略多個部件同時發生故障的可能性。

2.1 執行器故障

在轉向系統中，基本上多數執行器均為電機，電機的故障類型眾多，表1列舉了線控轉向電機可能出現的故障類型及出現的概率[15]。

(1)電機繞組出現斷相故障時，可以通過位于每個相中的電流傳感器觀察到這種故障，當斷相故障發生，要及時關閉與該相連接的開關管。

(2)電機驅動中最嚴重的故障之一是由于兩個開關故障或端子短路導致的部分(轉向繞組短路)或完整的繞組短路，在這種情況下，故障電流可以通過在電機設計階段增加繞組的自感來控制[16]，將短路故障電流限制為額定穩態電流。如果故障是完全短路并且如果它發生在相的電流傳感器之前，則可以由控制器檢測和控制該故障。然而，在匝間短路的情況下，不可能消除這種情況，其中解決方案是完全關閉電機的短路故障相并最大限度地利用剩余相位繼續運行。

(3)逆變器開關的開路故障類似于電機繞組斷相，因此，可以采取繞組斷相故障處理措施來消除這種故障。

(4)同樣，逆變器開關/二極管短路類似于電機繞組短路故障，但可以通過關閉另一個開關輕松消除。

(5)電源故障可能是安全關鍵系統中最關鍵的故障，解決方案是為驅動器的每個關鍵部分使用多個電氣隔離的電源，而不是只使用單個電源供電。

(6)位置傳感器故障的解決方法是同時使用兩個位置傳感器進行位置檢測[17-18]，實現傳感器硬件并聯式冗余，可以避免因位置傳感器故障導致電機運轉故障，這種解決方法也可用于速度傳感器故障處理。

通過對轉向電機故障類型的分析可以發現，轉向電機的子系統眾多，隨著數字化與電子化浪潮的發展，大多數子系統均由電子器件與連接線纜構成，這在很大程度上增加了電機硬件故障概率，因此有必要進行硬件冗余配置，避免使用單一裝置導致的電機故障。

表1 電機故障類型分類

2.2 傳感器故障

扭矩傳感器測出駕駛員施加在轉向盤上的輸入扭矩，車速傳感器測出車輛當前的行駛速度，然后將這兩個信號傳遞給ECU；ECU根據內置的控制策略，計算出理想的目標助力力矩，轉化為電流指令給電機。表2列出了扭矩傳感器可能的故障類型[19]。

表2 扭矩傳感器故障類型

轉速傳感器用于檢測汽車輪胎轉速以及轉向電機的轉速，轉速信號送給ECU后，根據當前車速或者電機轉速，決定當前方向盤的轉向力矩或者電機控制策略。表3列出了轉速傳感器可能的故障類型[19]。

表3 轉速傳感器故障類型

2.3 通信總線故障

通信總線傳遞著各個執行器與傳感器的有用信息，使得各個機構之間緊密配合，高效地完成控制指令。表4列出了通信總線可能的故障類型[20]。

表4 通信總線故障類型

2.4 電源

轉向系統的電源一般由蓄電池提供，蓄電池通過各種直流轉換器或者電源芯片，為執行器、傳感器與通信總線供電，目前主流的蓄電池電壓為12 V。考慮到線控轉向系統的功率等級，未來線控轉向系統的電壓等級會提升至42 V。表5列出了可能的電源故障類型[21]。

表5 電源故障類型

3 線控轉向軟硬件容錯方法

為了保證轉向系統能夠正常工作,轉向系統必須能夠容忍至少有任何一個電氣或電子故障，并且必須包括檢測這些故障和處理故障的手段。這種手段可以通過容錯系統架構來實現。目前的容錯方法從技術的角度可以分為兩大類：一類是依靠硬件備份的冗余技術，一類是依靠軟件的容錯算法技術。

3.1 硬件冗余備份

硬件冗余的含義就是針對線控轉向系統中的執行器、傳感器、控制器、電源等裝置進行備份，備份的裝置可以實現與原裝置一樣的功能，備份的裝置可以與原裝置同時工作，也可以一個工作而另一個處于待命狀態。

圖4所示為線控轉向硬件冗余容錯架構，該硬件冗余方案實現了轉向裝置的一比一備份，當正常工作的裝置出現故障，備份裝置可以快速代替其功能，從而維持轉向系統繼續工作，具有非常可靠的容錯能力。

圖4 線控轉向硬件冗余容錯架構

3.2 軟件容錯算法

不同于硬件備份，軟件容錯算法在不改變轉向系統結構、增加過多設備的情況下，對故障后、剩余正常工作的轉向系統裝置進行控制。當部分裝置故障時，通過實時數據采樣，定位故障類型與位置，通過整合剩余正常工作的裝置，互相協同工作，從而達到正常工作狀態。軟件容錯算法框架如圖5所示。

圖5 軟件容錯算法框架

針對轉向系統各部分的故障類型，表6中列舉了對應的容錯策略，對軟件容錯算法做一個簡要說明。

表6 故障類型對應的軟件容錯方法

續表6

3.3 軟硬件容錯方案對比

硬件冗余方案采用一比一裝置備份，甚至三比一的裝置備份，保證轉向系統非常高的可靠性能，但是這會導致轉向系統體積龐大，質量增大，不利于整車的設計；同時轉向系統的造價成本會非常高，經濟效益低下。軟件容錯方案在不增加過多的裝置情況下，通過對ECU里存儲的程序進行升級，避免了轉向系統的體積與質量增加，同時降低了系統成本，但是容錯算法開發復雜，成熟度不高，轉向系統各部分耦合關聯性強，當出現兩種以上故障類型，現有的容錯算法不能夠滿足汽車安全的需求，所以軟件容錯的可靠性要低于硬件冗余。軟硬件容錯技術對比如表7所示。

表7 軟硬件容錯技術對比

通過兩者的對比可以發現，硬件備份技術與軟件容錯技術具有高度互補性，硬件備份技術能夠在硬件層面提升容錯控制技術的可靠性，同時，軟件容錯技術能夠減少因硬件冗余導致轉向系統在空間體積等方面的需求。因此，未來的線控轉向電機驅動系統將是同時擁有硬件備份與容錯算法的高度智能的系統，相比于目前的線控轉向電機驅動系統能夠大幅提高車輛行駛的穩定性與安全性，保證無人駕駛技術的安全發展。

4 結語

通過介紹線控轉向系統的軟硬件容錯國內外研究現狀，針對線控轉向的實際工程需求，從軟硬件兩個角度對故障容錯技術進行了詳細的分析：硬件冗余技術具有較高的可靠性，但是增加了線控轉向系統的體積與質量，另外各個備份子系統之間的同步問題也比較難以解決；容錯控制技術能夠通過控制算法保證故障后轉向系統的平穩運行，克服了因硬件備份帶來的體積與質量增大的缺點，但是無法有效處理部分故障類型，尤其是機械故障，導致該技術可靠性不高。未來線控轉向電機故障處理技術的發展趨勢將是硬件冗余與容錯控制算法的互相結合。