一種滿足線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角控制的電路架構(gòu)

孟永剛，王軍

(聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

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

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer-By-Wire，SBW)是將電動助力系統(tǒng)中原有的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(zhuǎn)向控制。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自由設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性和力傳遞特性，對提高“人-車-路”閉環(huán)系統(tǒng)的操縱穩(wěn)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(zhuǎn)向架構(gòu)尤其是關(guān)于線控轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角控制總成的硬件架構(gòu)做詳細(xì)介紹。SBW給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計帶來無限的空間，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。

1 汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展概況

早在20世紀(jì)50年代，TRW和德國的KASSELMANN等對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念做出了大膽的設(shè)想并設(shè)計了與此類似的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，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(zhuǎn)向[3]。2001年意大利的Bertone汽車設(shè)計及開發(fā)公司展示了新型概念汽車“FILO”，該概念車采用了“drive by wire”系統(tǒng)，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(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了深入研究。國內(nèi)對于該項目的研究起步較晚，2004年，同濟大學(xué)在“春暉三號”電動車上運用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器與方向盤之間無機械連接的轉(zhuǎn)向控制，并于2005年首次提出了在汽車上實現(xiàn)線控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。將線控轉(zhuǎn)向與車輪轉(zhuǎn)向結(jié)合起來的能滿足安全設(shè)計要求的產(chǎn)品仍不多見，很多高校的產(chǎn)品僅僅是進行功能的展示和樣機的制作。輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛是現(xiàn)在新興的熱門研究領(lǐng)域，實現(xiàn)車輛智能轉(zhuǎn)向的最佳方案就是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)也為自動駕駛車輛的開發(fā)提供了良好的平臺，具有良好的應(yīng)用前景。

1.1 EPS結(jié)構(gòu)

EPS主要是利用電機提供轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，通過減速機構(gòu)與駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩共同作用到轉(zhuǎn)向管柱上，從而根據(jù)不同的車況為駕駛員提供相應(yīng)的助力。圖1所示為一種管柱式EPS結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 管柱式EPS結(jié)構(gòu)

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

1.2 SBW結(jié)構(gòu)

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

SBW系統(tǒng)由轉(zhuǎn)角控制總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(Electronic Control Unit，ECU)3個主要部分以及輔助系統(tǒng)組成，圖2為一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

轉(zhuǎn)角控制總成包括方向盤組件、轉(zhuǎn)角傳感器、路感模擬電機及減速機構(gòu)等，用于將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成控制器，同時接受轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成控制器送來的力矩信號，通過路感反饋電機產(chǎn)生方向盤模擬阻力，以提供給駕駛員相應(yīng)的“路感”信息[5]。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括轉(zhuǎn)向執(zhí)行結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向輪等)、轉(zhuǎn)向電機、減速機構(gòu)和前輪轉(zhuǎn)角傳感器等，可以有效采集控制器信號執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作，實現(xiàn)駕駛員意圖，并將轉(zhuǎn)向信息反饋給控制器。ECU及其他輔助系統(tǒng)包括控制器、車速及橫擺角速度傳感器、自動防故障系統(tǒng)和電源等，用于判斷汽車的運動狀態(tài)，向轉(zhuǎn)角控制總成的路感反饋電機和轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的轉(zhuǎn)向電機發(fā)送指令，控制相應(yīng)電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)；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(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖是否合理，當(dāng)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，SBW會將駕駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，自動進行穩(wěn)定控制，使汽車盡快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)角控制總成的研究目的與意義

由于SBW是在EPS架構(gòu)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(dāng)傳統(tǒng)的EPS系統(tǒng)中的電子控制單元失效后，駕駛員還可以通過傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，安全風(fēng)險小，而對于SBW系統(tǒng)，其電子控制單元一旦失效，如果安全冗余設(shè)計考慮不充分則會帶來嚴(yán)重的安全隱患，如當(dāng)轉(zhuǎn)角控制總成出現(xiàn)無法將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖有效地采集或可靠地傳遞給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成，就會導(dǎo)致無法實現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)向，此時車輛就處于失控狀態(tài)，其危害是可想而知的?；诖?，本文作者提供了一種滿足線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需求的安全冗余的轉(zhuǎn)角控制總成的硬件架構(gòu)，當(dāng)駕駛員有轉(zhuǎn)向意圖時，能夠有效采集出正確的轉(zhuǎn)角信號，并能可靠地給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成發(fā)送轉(zhuǎn)角等控制命令，當(dāng)轉(zhuǎn)角控制總成中的電子控制單元任何一處出現(xiàn)單點失效后仍不會影響駕駛員的安全駕駛。同時對于轉(zhuǎn)角控制總成，由于取消了機械連接部分，駕駛員轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方向盤時仍有傳統(tǒng)的駕駛“手感”，文中所述硬件架構(gòu)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(zhuǎn)角控制總成的硬件電路架構(gòu)設(shè)計

文中所述轉(zhuǎn)角控制總成的硬件電路架構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)角控制總成硬件電路架構(gòu)

3.1 供電電源處理

此硬件電路架構(gòu)中采用兩個獨立的供電電源對整個硬件模塊提供穩(wěn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，其目的就是用于實現(xiàn)電源電路的冗余備份，通過此設(shè)計，當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時，另一路電源仍可以保證系統(tǒng)能可靠地工作。每個PMC電路可以采用諸如低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)來實現(xiàn)。

3.2 轉(zhuǎn)角信號采集

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角是一個關(guān)鍵信號，如果轉(zhuǎn)角信號不能可靠采集或不能有效傳輸給下端的轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成，都將造成轉(zhuǎn)向失控，進而導(dǎo)致安全事故。文中所述硬件架構(gòu)在采集轉(zhuǎn)角信號時采用如下處理方案：使用3套獨立的轉(zhuǎn)角傳感器(Angle Sensor)產(chǎn)生駕駛員轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角信號無法獲取的現(xiàn)象發(fā)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(dāng)其中一路信號與另外兩路信號不一致時，采取少數(shù)服從多數(shù)的仲裁機制，通過上述冗余式的設(shè)計和數(shù)據(jù)校驗，提高了轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集的可靠性，進而提高了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性。

3.3 轉(zhuǎn)角等控制命令的傳輸

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)角信號有效采集后，還需要將該轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及相關(guān)控制命令快速可靠地傳輸?shù)较旅娴霓D(zhuǎn)向執(zhí)行總成中，傳輸?shù)拿浇榫褪强偩€。用于線控系統(tǒng)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(gòu)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(shù)據(jù)過程中采用如循環(huán)冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)等差錯檢測技術(shù)，確保數(shù)據(jù)能被無差錯接受。如果當(dāng)一路車用總線出現(xiàn)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(xiàn)通信傳輸功能，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)角等控制命令的可靠傳輸。

3.4 信號處理單元

此硬件架構(gòu)中采用雙MCU方式實現(xiàn)對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角信號進行判斷，分析處理，并通過SPI通信實現(xiàn)雙機的數(shù)據(jù)再校驗和MCU間的相互監(jiān)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(jiān)控和狀態(tài)的確認(rèn)，進而提高系統(tǒng)工作的可靠性。如果兩個MCU中診斷出某一個MCU發(fā)生故障或無法正常工作時，另一個MCU還可以將轉(zhuǎn)角信號提供給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成，同時將故障類型也提供給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成作為報警和提示，轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成根據(jù)收到的信息采取相應(yīng)的故障處理措施，從而有效地提前預(yù)防，確保系統(tǒng)的安全。

3.5 硬件監(jiān)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(gòu)還使用了外部硬件看門狗(Watching Dog，WD)監(jiān)控系統(tǒng)。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(gòu)圖以集成在LDO中為例進行說明)，當(dāng)看門狗檢測到受監(jiān)控的電源電壓有異?；騇CU運行不正常如跑飛時，看門狗便可通過復(fù)位引腳使MCU復(fù)位，讓異常MCU重新進入可靠狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.6 路感模擬

文中所述硬件架構(gòu)還提供了一種模擬手感的硬件方案。其實現(xiàn)方式是M-MCU通過從轉(zhuǎn)向執(zhí)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(tài)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(yù)驅(qū)動器(Pre-driver)驅(qū)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(jié)束語

文中提供了一種滿足線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需求的安全冗余的轉(zhuǎn)角控制總成的硬件架構(gòu)，使用該架構(gòu)，當(dāng)駕駛員有轉(zhuǎn)向意圖時，能夠有效采集出正確的轉(zhuǎn)角信號，并能可靠地傳送給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成，當(dāng)電子控制單元任何一處出現(xiàn)單點失效后仍不會影響駕駛員的安全駕駛。同時該架構(gòu)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(zhuǎn)向時具有更貼近于使用電動助力轉(zhuǎn)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(guān)技術(shù)的研發(fā)不斷投入，未來性能更優(yōu)越的SBW開發(fā)與使用也成了必然，并將會成為未來智能技術(shù)中舉足輕重的一個重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在SBW還有很多關(guān)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(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍能實現(xiàn)其基本的轉(zhuǎn)向功能，這在實際應(yīng)用中是十分重要的[9]。文中提供的轉(zhuǎn)角控制總成硬件架構(gòu)安全、可靠、可行，相信在未來線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中將會得到廣泛的應(yīng)用。