一種冗余轉向系統的新設計

張博，牛占占，曹偉

一種冗余轉向系統的新設計

張博，牛占占，曹偉

（聯創汽車電子有限公司，上海 201206）

智能駕駛是汽車技術發展的方向，是國家2025支持需要突破的核心技術之一，冗余轉向系統是智能駕駛中承上啟下的轉向系統，冗余技術是其中的關鍵技術之一。論文設計了一種新型冗余轉向系統，包括架構、時序圖和助力保持關閉流程圖，為冗余技術的工程化打下了基礎。

冗余轉向；時序；助力保持

前言

轉向系統是整車上最關系到駕乘人員人身安全的總成之一，必須考慮冗余設計，保證在任何情況下都可以提供基本、可控的轉向能力[1]。

當前電動助力轉向系統EPS由電控部分和機械結構兩部分組成，在電控部分失效的情況下，駕駛員可通過管柱等機械結構驅動轉向，因此機械結構可視作轉向系統的備份。而在未來無人駕駛場景下，如果EPS電控部分失效，由于沒有駕駛員操控方向盤，無法使用EPS機械結構作為冗余備份，從而將導致轉向徹底失效[2]。因此，為了滿足無人駕駛的功能安全要求，開發冗余設計的EPS系統成為了轉向技術發展的必然方向，是邁向完全取消管柱等機械結構的線控轉向系統開發的必由之路[3]。

1 冗余轉向系統架構設計

冗余技術是未來智能駕駛的核心技術之一，有著很高的研究價值[4]。一種新型冗余轉向系統架構設計如圖1所示：

（1）由一路完整的電控系統變為兩路完整的電控系統，即圖中左右兩側的完整的電控系統。

（2）增加每一路電控系統的硬線連接“SBC端的SSC”與“MCU端的GPIO”，“左側MCU端的SMU”與“右側MCU端的CAPTURE”兩個功能塊，“右側MCU端的SMU”與“左側MCU端的CAPTURE”兩個功能塊。

如圖2所示，冗余轉向電控系統，主要由兩路獨立、完整的電控系統實現冗余功能。兩側ECU都實現完整控制功能，正常工作時，通過協同模塊以主ECU的指令控制兩側電機進行助力輸出；失效時，切換到從ECU的指令控制兩側電機輸出或單個ECU控制單側電機輸出。

圖1 冗余轉向系統架構設計圖

2 冗余轉向系統助力維持方法

冗余技術核心內容之一就是如何能在系統失效的時候保證系統助力[5]。如圖2所示，系統助力關閉的流程步驟也就比較重要。

如下：

步驟一：在正常工作下，MCU_A的SMU模塊向SBC_A和MCU_B發送特定的PWM方波信號，同理，MCU_B向SBC_B和MCU_A發送PWM方波信號，EPS系統提供100%助力，Motor_A與Motor_B各提供50%助力；

步驟二：如圖2所示，在某個時刻，MCU_A觸發時鐘故障（CLOCK FAULT），則MCU_A停發PWM方波信號，此時EPS系統仍為100%助力；

步驟三：當SBC_A無法接收PWM方波信號，則經過△T1（5-10ms）時間SBC_A向驅動芯片發送SS1指令，則切斷A側電機助力，此處屬于硬關斷，不受軟件影響，Motor_B助力仍為50%，EPS系統提供50%助力，EPS系統仍未50%助力；

步驟四：同時SBC_A向MCU_A發送ROT指令，MCU_A進入復位模式，此時 Motor_A助力變為0，Motor_B助力仍為50%，EPS系統提供50%助力，EPS系統仍未50%助力；

步驟五：經過△T3（不同的故障源對應不同的△T3長度，范圍為10-100ms），MCU_A中的CAN通信模塊停止向MCU_B發送CAN數據幀，并且連續停發超過△T4（5-20ms）；

步驟六：在觸發MCU_A復位初始化后，經過△T2（5-20ms），SBC_A向MCU_A發送SS2指令，MCU_A進行故障善后處理，并保存故障參數，EPS系統仍未50%助力；

步驟七：經過△T3（5-20ms），MCU_A完成故障處理完成，故障參數記錄完畢后，進入FailSilence Mode，EPS系統仍為50%助力；

步驟八：在觸發MCU_A復位初始化后，經過△T3（不同的故障源對應不同的△T3長度，范圍為（10-100ms），MCU_A中的CAN通信模塊停止向MCU_B發送CAN數據幀，并且連續停發時間保持△T4（5-20ms）；

步驟九：MCU_A中連續停止向MCU_B發送CAN數據幀保持△T4，并且整個過程未觸發PWM方波信號，經過△T5（<5ms）；MCU_B進入TakeOver Mode，MCU_B同時控制Motor_A、Motor_B，EPS系統恢復100%助力。

圖2 系統助力關斷時序圖

圖3 助力關閉處理流程圖

3 結論

（1）本設計在控制邏輯上，保證MCU_A與SBC、MCU_A與MCU_B間的通信是實時雙向的數據交互的實時監控協議，更為嚴謹。

（2）本設計在功能安全上，確保程序運行異常或者某一側硬件電路異常時，統一由硬件關斷路徑實現關閉某一側電機助力，同時維持另一側電機助力，然后根據故障形式判斷另一側MCU接管兩側電機的動作，降低了中斷響應和故障確認時間，大大縮短系統響應時間的同時增加可靠性。

（3）在迎合未來的智能駕駛發展趨勢的考慮下，本設計在車輛道路功能安全方面可以與未來的線控轉向系統無縫銜接，說明本設計潛力巨大。

[1] 岳法,劉春梅.淺談電動助力轉向系統發展趨勢[J].汽車實用技術, 2018,05(35):37-39.

[2] 趙萬忠,徐曉宏,趙婷.新型汽車動力轉向技術發展綜述[J].汽車工程學報,2012,07(06):33-38.

[3] 徐平,鄭虎.自動駕駛中的電動助力轉向系統[J].汽車電器,2018 (06):28-31.

[4] 廖林清,石宏春,張君,王偉.汽車電動助力轉向系統性能測試系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2018(06):41-46.

[5] 任夏楠,鄧兆祥.汽車EPS阻力特性設計方法研究[J].機械科學與技術,2014(08):1255-1232.

[6] 朱琳琳,張夢炎,張曉丹,俞侃.自動駕駛汽車的線控轉向控制系統[J].信息技術,2020,44(08):45-49+54.

A New Design of Redundant Steering System

Zhang Bo, Niu Zhanzhan, Cao Wei

（Lianchuang Automotive Electronics Co., Ltd., Shanghai 201206）

Intelligent driving is the direction of automobile technology development, and it is one of the core technologies that need to be broken through for national support in 2025. Redundant steering system is a steering system that links up and down in intelligent driving. Redundant technology is one of the key technologies. It is always helpful.,Very important. The author designed a new type of redundant steering system including architecture, timing diagram and power-assisted keep-off flow chart, laying the foundation for the engineering of redundant technology.

Redundant steering; Timing; Power-assisted maintenance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.011

U462.1

B

1671-7988(2021)06-35-03

U462.1

B

1671-7988(2021)06-35-03

張博（1980.1-），男，籍貫：安徽碭山，碩士，高級工程師，就職于聯創汽車電子有限公司。研究方向：智能網聯測試及產品創新。