本發(fā)明涉及汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是指基于功能安全設(shè)計(jì)的無刷電動轉(zhuǎn)向控制單元及控制方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車進(jìn)入智能化時(shí)代，汽車對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性、安全性及性能要求越來越高，現(xiàn)階段各類汽車上使用的有刷電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將逐漸不適用于未來的發(fā)展需要，其存在助力不足，不能集成角度和力矩控制，更不能適應(yīng)未來的自動駕駛需要。而集成角度和力矩控制的無刷電機(jī)eps具有更多優(yōu)點(diǎn)：

1、無刷電機(jī)eps采用磁場換向，無直接接觸噪音小，使用壽命長；電機(jī)性能好可滿足大助力需求的車型。

2、無刷電機(jī)eps扭矩波動小，調(diào)速范圍廣，動態(tài)響應(yīng)及跟隨性好。

3、無刷電機(jī)eps集成電機(jī)角度、力矩控制，易開發(fā)車輛飄逸補(bǔ)償、車道偏離報(bào)警、疲勞駕駛輔助、車道輔助，自動泊車，自動駕駛和多助力模式等高級功能。從而提高車輛的操控性和安全性。

因此無刷電機(jī)eps控制系統(tǒng)將是未來的必然發(fā)展趨勢。但是現(xiàn)有的無刷電機(jī)eps控制系統(tǒng)存在安全性上的不足，實(shí)際操作的過程中會因?yàn)橄到y(tǒng)故障產(chǎn)生駕駛危險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中無刷電機(jī)eps控制系統(tǒng)存在安全性上的不足，實(shí)際操作的過程中會因?yàn)橄到y(tǒng)故障產(chǎn)生駕駛危險(xiǎn)的缺點(diǎn)，提供一種基于功能安全設(shè)計(jì)的無刷電動轉(zhuǎn)向控制單元及控制方法。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于功能安全設(shè)計(jì)的無刷電動轉(zhuǎn)向控制單元，包括eps控制器、電源冗余模塊、力矩和角度信號傳感器和永磁同步電機(jī)模塊，電源冗余模塊包括電源控制模塊、電源ic1、電源ic2和電源ic3，eps控制器包括mcu1和mcu2，永磁同步電機(jī)模塊包括永磁同步電機(jī)本體和電機(jī)位置傳感器，永磁同步電機(jī)本體與電機(jī)位置傳感器相連接，電源控制模塊同時(shí)與電源ic1和電源ic2相連接，電源ic1和mcu1相連接，電源ic2同時(shí)與力矩和角度信號傳感器、電機(jī)位置傳感器相連接，電源ic3與mcu2相連接，電源控制模塊還與mcu1相連接，mcu2還與力矩和角度信號傳感器相連接，電源ic1和mcu1還通過與門與電源ic3相連接。電源冗余模塊可以在車輛高速行駛過程中，因硬線ig信號或canig信號丟失的情況下，繼續(xù)保持eps控制模塊工作電源，eps可以持續(xù)提供助力讓車輛安全行駛；冗余力矩和角度信號傳感器保證力矩和角度信號的可靠性，為駕駛員提供正確的助力；在初始化檢驗(yàn)中mcu1發(fā)現(xiàn)mcu2有助力故障時(shí)，mcu1將禁止電源ic3的輸出，以提高安全性。

eps控制器作為eps系統(tǒng)的控制大腦，主要提供車輛信息交互和電機(jī)助力控制功能，其執(zhí)行的目標(biāo)（eps系統(tǒng)助力）使駕駛者能夠方便、平順的控制車輛行駛方向。用一種可控的方法給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力以降低駕駛者進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向的操作力。通過接收車輛信息，提供適當(dāng)?shù)闹蚩刂妻D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)至特殊的角度位置，提供一些可調(diào)節(jié)因素以提高車輛的駕駛舒適性。該eps控制器通過接收整車的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速信號以及力矩和角度傳感器信號，結(jié)合內(nèi)部控制策略（隨速助力模塊、阻尼控制模塊、路面干擾抑制模塊、主動回正模塊、齒條末端保護(hù)模塊、防飄逸補(bǔ)償模塊以及系統(tǒng)安全模塊）最終輸出系統(tǒng)助力目標(biāo)值實(shí)施電機(jī)力矩控制。

eps控制器具有mcu1和mcu2，其中mcu1使用簡單高效的軟件架構(gòu)實(shí)施電機(jī)控制，軟件上預(yù)設(shè)固定的接口和標(biāo)定參數(shù)與mcu2進(jìn)行通訊，mcu2通過讀取標(biāo)定參數(shù)對電機(jī)控制進(jìn)行標(biāo)定。在產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，根據(jù)不同車型的配置，僅需修改mcu2軟件和電機(jī)的標(biāo)定參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)新車型的匹配工作，實(shí)現(xiàn)在不更改電機(jī)控制核心軟件（mcu1軟件）的情況下達(dá)到新車型應(yīng)用，從而縮短軟件的開發(fā)和驗(yàn)證周期。

作為一種優(yōu)選方案，永磁同步電機(jī)模塊還包括電機(jī)相線隔離模塊、驅(qū)動橋和隔離繼電器，隔離繼電器包括第一繼電器和第二繼電器，mcu1和mcu2同時(shí)與電機(jī)相線隔離模塊相連接，mcu1還與驅(qū)動橋相連接，驅(qū)動橋、第一繼電器和第二繼電器同時(shí)與永磁同步電機(jī)本體相連接，電機(jī)相線隔離模塊與第一繼電器和第二繼電器相連接。電機(jī)相線隔離設(shè)計(jì)，確保mosfet驅(qū)動橋不會因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部故障而短路，確保助力電機(jī)不會因?yàn)閙osfet短路而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，以提高系統(tǒng)的安全可靠性。

作為一種優(yōu)選方案，mcu1還與mcu2相連接。mcu1和mcu2在運(yùn)行過程中通過spi進(jìn)行的變量數(shù)據(jù)傳輸給對方，接收方用收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法運(yùn)算，并將運(yùn)算后的結(jié)果與收到的結(jié)果進(jìn)行比對校核。

作為一種優(yōu)選方案，mcu1和mcu2還連接有eps控制器存儲器。eps控制器存儲器用于存儲故障信息供售后識別。

一種基于功能安全設(shè)計(jì)的無刷電動轉(zhuǎn)向控制方法，電源冗余模塊的電源控制模塊接收到硬線信號或can總線信號時(shí)，電源控制模塊內(nèi)部邏輯電路輸出一個(gè)高電平信號，使電源ic1和電源ic2輸出信號，使mcu1、力矩和角度信號傳感器和電機(jī)位置傳感器得電；當(dāng)mcu1檢測電源控制模塊的電壓超過標(biāo)定值時(shí)，mcu1向電源控制模塊輸出高電平信號，硬線信號或can總線信號和mcu1向電源控制模塊輸出的高電平信號并聯(lián)輸入至內(nèi)部邏輯電路，使電源ic1和電源ic2正常輸出；車輛行駛中發(fā)生硬線信號或can總線信號丟失時(shí)，mcu1向電源控制模塊輸出的高電平信號使內(nèi)部邏輯電路可以持續(xù)輸出信號使電源ic1和電源ic2正常供電。

作為一種優(yōu)選方案，電源ic1連接至電源ic3的使能引腳，使電源ic1輸出時(shí)即能使電源ic3輸出；當(dāng)mcu1和mcu2上電初始化檢測完成，并且交互校驗(yàn)無故障后，mcu1對電源ic3保持高電平信號，如果在初始化檢驗(yàn)中mcu1發(fā)現(xiàn)mcu2有助力故障時(shí)，mcu1將對電源ic3輸出低電平信號，從而禁止電源ic3的輸出。

作為一種優(yōu)選方案，冗余力矩和角度信號傳感器的工作過程為力矩和角度信號傳感器使用雙物理通道，mcu2在運(yùn)行時(shí)將實(shí)時(shí)采集雙物理通道的信號并進(jìn)行比對校驗(yàn)，與此同時(shí)將檢驗(yàn)后的信號輸入軟件虛擬通道供自學(xué)習(xí)算法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，具體為：

當(dāng)某一力矩物理通道信號出現(xiàn)故障時(shí)，mcu2采用虛擬通道信號值與另一力矩物理通道信號值進(jìn)行校驗(yàn)，以保證力矩信號的可靠性，為駕駛員提供正確的助力，此時(shí)ecu僅記錄故障代碼，助力不受影響；

當(dāng)兩個(gè)力矩物理通道出現(xiàn)故障時(shí)，mcu2通過虛擬力矩通道和角度信號來虛擬出相應(yīng)的力矩值，此時(shí)記錄為嚴(yán)重故障，eps提供受限制后的助力以供車輛跛行靠邊或跛行回家；

當(dāng)某一角度物理通道信號出現(xiàn)故障時(shí)，mcu2采用虛擬通道信號值與另一角度物理通道信號值進(jìn)行校驗(yàn)，以保證角度信號的可靠性，為ecu提供正確的角度信號供其他功能使用，此時(shí)ecu僅記錄故障代碼，助力不受影響；

當(dāng)兩個(gè)角度物理通道出現(xiàn)故障時(shí)，mcu2通過自學(xué)習(xí)算法獲得eps的相對零點(diǎn)，結(jié)合無刷電機(jī)的相對角度信號算出eps的絕對角度，為ecu提供正確的角度信號供其他功能使用，并記錄相應(yīng)的故障代碼。

作為一種優(yōu)選方案，mcu1上電初始化時(shí)對內(nèi)部軟件、數(shù)據(jù)和驅(qū)動橋外圍電路進(jìn)行故障檢測，僅當(dāng)mcu1檢測無助力故障和驅(qū)動橋無驅(qū)動故障時(shí)mcu1輸出rly_hsd為低和rly_lsd_pwm為高；mcu2內(nèi)部進(jìn)行上電初始化檢測，僅當(dāng)mcu2檢測無助力故障且發(fā)動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)是，rly_drv_dis才輸出為低；僅當(dāng)rly_hsd=0、rly_lsd_pwm=1和rly_drv_dis=0時(shí)，電機(jī)相線隔離模塊控制隔離繼電器導(dǎo)通，否則隔離繼電器不導(dǎo)通。

作為一種優(yōu)選方案，mcu1或mcu2進(jìn)行上電初始化檢驗(yàn)，如果任何一方出現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，該mcu對錯(cuò)誤進(jìn)行等級分類，如果錯(cuò)誤等級達(dá)到助力故障時(shí)，該mcu禁止隔離繼電器的導(dǎo)通，防止意外助力的產(chǎn)生；如果mcu1和mcu2上電初始化校驗(yàn)中的錯(cuò)誤代碼較低或無故障，隔離繼電器導(dǎo)通，系統(tǒng)進(jìn)入助力模式。

作為一種優(yōu)選方案，在正常運(yùn)行時(shí)如發(fā)現(xiàn)故障，eps控制器對故障進(jìn)行等級識別，等級1故障將作為故障信息被記錄，系統(tǒng)助力不受影響，等級2故障的產(chǎn)生，將使eps系統(tǒng)執(zhí)行故障模式切換，系統(tǒng)進(jìn)入限制助力模式后，控制器的系統(tǒng)助力將以限制百分比模式輸出，且故障燈亮以提示駕駛員。

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉且車速小于標(biāo)定值(包括車速信號丟失)且發(fā)動機(jī)停止運(yùn)(包括發(fā)動機(jī)信號丟失)，eps控制器進(jìn)入軟件延時(shí)關(guān)閉模式。該模式下eps控制器對助力實(shí)施逐漸降低至零控制，直至軟件關(guān)閉完成。

軟件延時(shí)關(guān)閉的時(shí)間可以標(biāo)定，當(dāng)該時(shí)間持續(xù)終止時(shí)，eps控制器進(jìn)入下電模式；

eps控制器在上電自檢過程中如發(fā)現(xiàn)故障即進(jìn)入故障模式，控制器在該模式下不能提供助力，且故障燈亮以提示駕駛員；

正常運(yùn)行時(shí)如發(fā)現(xiàn)故障，控制器對故障進(jìn)行等級識別，等級故障為3時(shí)控制器切換進(jìn)入故障模式，系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算后的比例將助力緩慢降低至為零，該模式下不能提供助力，且故障燈亮以提示駕駛員；

故障模式下檢測到點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)直接進(jìn)入下電模式；

軟件延時(shí)關(guān)閉時(shí)間未終止時(shí)如檢測到點(diǎn)火開關(guān)打開，控制器將切換進(jìn)入正常工作模式，正常提供助力。

本發(fā)明的有益效果是，電源冗余模塊可以在車輛高速行駛過程中，因硬線ig信號或canig信號丟失的情況下，繼續(xù)保持eps控制模塊工作電源，eps可以持續(xù)提供助力讓車輛安全行駛；冗余力矩和角度信號傳感器保證力矩和角度信號的可靠性，為駕駛員提供正確的助力；在初始化檢驗(yàn)中mcu1發(fā)現(xiàn)mcu2有助力故障時(shí)，mcu1將禁止電源ic3的輸出，以提高安全性。電機(jī)相線隔離設(shè)計(jì)，確保mosfet驅(qū)動橋不會因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部故障而短路，確保助力電機(jī)不會因?yàn)閙osfet短路而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，以提高系統(tǒng)的安全可靠性。mcu1和mcu2協(xié)同監(jiān)控，實(shí)時(shí)同步校驗(yàn)運(yùn)算，當(dāng)任一mcu出現(xiàn)故障時(shí)，控制器的雙mcu進(jìn)行故障模式降級同步并提示駕駛員，在保證車輛安全的情況下提供限制后的助力，確保車輛安全行駛到家。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種電路原理框圖。

其中：1、eps控制器，2、電源冗余模塊，3、永磁同步電機(jī)模塊，4、力矩和角度信號傳感器，5、與門，11、mcu1，12、mcu2，21、電源控制模塊，22、電源ic1，23、電源ic2，24、電源ic3，31、永磁同步電機(jī)本體，32、電機(jī)位置傳感器，33、電機(jī)相線隔離模塊，34、驅(qū)動橋，35、隔離繼電器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步描述。

實(shí)施例：一種基于功能安全設(shè)計(jì)的無刷電動轉(zhuǎn)向控制單元，如圖1所示，包括eps控制器1、電源冗余模塊2、力矩和角度信號傳感器4和永磁同步電機(jī)模塊3，電源冗余模塊包括電源控制模塊21、電源ic122、電源ic223和電源ic324，eps控制器包括mcu111和mcu212，mcu1還與mcu2相連接，mcu1和mcu2還連接有eps控制器存儲器。永磁同步電機(jī)模塊包括永磁同步電機(jī)本體31和電機(jī)位置傳感器32，永磁同步電機(jī)本體與電機(jī)位置傳感器相連接，電源控制模塊同時(shí)與電源ic1和電源ic2相連接，電源ic1和mcu1相連接，電源ic2同時(shí)與力矩和角度信號傳感器、電機(jī)位置傳感器相連接，電源ic3與mcu2相連接，電源控制模塊還與mcu1相連接，mcu2還與力矩和角度信號傳感器相連接，電源ic1和mcu1還通過與門與電源ic3相連接。永磁同步電機(jī)模塊還包括電機(jī)相線隔離模塊33、驅(qū)動橋34和隔離繼電器35，隔離繼電器包括第一繼電器和第二繼電器，mcu1和mcu2同時(shí)與電機(jī)相線隔離模塊相連接，mcu1還與驅(qū)動橋相連接，驅(qū)動橋、第一繼電器和第二繼電器同時(shí)與永磁同步電機(jī)本體相連接，電機(jī)相線隔離模塊與第一繼電器和第二繼電器相連接。

eps控制器作為控制大腦，主要提供車輛信息交互和電機(jī)助力控制功能，其執(zhí)行的目標(biāo)（eps系統(tǒng)助力）使駕駛者能夠方便、平順的控制車輛行駛方向。用一種可控的方法給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力以降低駕駛者進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向的操作力。通過接收車輛信息，提供適當(dāng)?shù)闹蚩刂妻D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)至特殊的角度位置，提供一些可調(diào)節(jié)因素以提高車輛的駕駛舒適性。該eps控制器通過接收整車的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速信號以及力矩和角度傳感器信號，結(jié)合內(nèi)部控制策略（隨速助力模塊、阻尼控制模塊、路面干擾抑制模塊、主動回正模塊、齒條末端保護(hù)模塊、防飄逸補(bǔ)償模塊以及系統(tǒng)安全模塊）最終輸出系統(tǒng)助力目標(biāo)值實(shí)施電機(jī)力矩控制。

隨速助力模塊：該模塊結(jié)合方向盤力矩和車速從車輛動態(tài)基礎(chǔ)助力曲線表中擬合出不同車速所對應(yīng)的助力力矩，以提供基本助而以減輕轉(zhuǎn)向力

齒條末端保護(hù)模塊：該模塊結(jié)合方向盤力矩、轉(zhuǎn)角位置和車速從車輛動態(tài)齒條保護(hù)助力曲線表中擬合出不同車速、方向盤位置所對應(yīng)的抑制助力力矩，旨在減少方向盤轉(zhuǎn)向齒條機(jī)械末端時(shí)的動能沖擊，以減少磨損，改善噪音及手感。

主動回正模塊：該模塊結(jié)合方向盤力矩、轉(zhuǎn)角位置和車速從車輛動態(tài)回正助力曲線表中擬合出不同車速、方向盤位置所對應(yīng)的回正助力力矩，以提高了車輛低速行駛的回正性，而降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向力。

防飄逸補(bǔ)償模塊：車輛高速行駛時(shí)由于受側(cè)風(fēng)或道路的不平的影響，駕駛員會意識到有一種轉(zhuǎn)向力使車輛“拉”或“漂”離路面，該模塊通過方向盤轉(zhuǎn)速和車速計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償力矩疊加到轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩控制器以用來抵銷這種轉(zhuǎn)向力。

阻尼控制模塊：該模塊結(jié)合方向盤轉(zhuǎn)速和車速總車輛動態(tài)阻尼助力曲線表中擬合出不同車速所對應(yīng)的阻尼力矩，以提供一種阻尼的轉(zhuǎn)向路感，從而降低了車輛的橫擺振動，使車輛更加穩(wěn)定。

路面干擾抑制模塊：該模塊結(jié)合方向盤力矩和車速從車輛動態(tài)抑制助力曲線表中擬合出不同車速所對應(yīng)的抑制力矩值，旨在抵抗由于車輪的不平衡及惡劣的道路所引起的脈沖干擾。

電源冗余模塊的電源控制模塊接收到硬線信號或can總線信號時(shí)，電源控制模塊內(nèi)部邏輯電路輸出一個(gè)高電平信號，使電源ic1和電源ic2輸出信號，使mcu1、力矩和角度信號傳感器和電機(jī)位置傳感器得電；當(dāng)mcu1檢測電源控制模塊的電壓超過標(biāo)定值時(shí)，mcu1向電源控制模塊輸出高電平信號，硬線信號或can總線信號和mcu1向電源控制模塊輸出的高電平信號并聯(lián)輸入至內(nèi)部邏輯電路，使電源ic1和電源ic2正常輸出；車輛行駛中發(fā)生硬線信號或can總線信號丟失時(shí)，mcu1向電源控制模塊輸出的高電平信號使內(nèi)部邏輯電路可以持續(xù)輸出信號使電源ic1和電源ic2正常供電。

電源ic1連接至電源ic3的使能引腳，使電源ic1輸出時(shí)即能使電源ic3輸出；當(dāng)mcu1和mcu2上電初始化檢測完成，并且交互校驗(yàn)無故障后，mcu1對電源ic3保持高電平信號，如果在初始化檢驗(yàn)中mcu1發(fā)現(xiàn)mcu2有助力故障時(shí)，mcu1將對電源ic3輸出低電平信號，從而禁止電源ic3的輸出。

冗余力矩和角度信號傳感器的工作過程為力矩和角度信號傳感器使用雙物理通道，mcu2在運(yùn)行時(shí)將實(shí)時(shí)采集雙物理通道的信號并進(jìn)行比對校驗(yàn)，與此同時(shí)將檢驗(yàn)后的信號輸入軟件虛擬通道供自學(xué)習(xí)算法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，當(dāng)某一物理通道信號出現(xiàn)故障時(shí)，mcu2采用虛擬通道信號值與另一物理通道信號值進(jìn)行校驗(yàn)，以保證力矩和角度信號的可靠性。

mcu1上電初始化時(shí)對內(nèi)部軟件、數(shù)據(jù)和驅(qū)動橋外圍電路進(jìn)行故障檢測，僅當(dāng)mcu1檢測無助力故障和驅(qū)動橋無驅(qū)動故障時(shí)mcu1輸出rly_hsd為低和rly_lsd_pwm為高；mcu2內(nèi)部進(jìn)行上電初始化檢測，僅當(dāng)mcu2檢測無助力故障且發(fā)動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)是，rly_drv_dis才輸出為低；僅當(dāng)rly_hsd=0、rly_lsd_pwm=1和rly_drv_dis=0時(shí)，電機(jī)相線隔離模塊控制隔離繼電器導(dǎo)通，否則隔離繼電器不導(dǎo)通。

mcu1或mcu2進(jìn)行上電初始化檢驗(yàn)，如果任何一方出現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，該mcu對錯(cuò)誤進(jìn)行等級分類，如果錯(cuò)誤等級達(dá)到助力故障時(shí)，該mcu禁止隔離繼電器的導(dǎo)通，防止意外助力的產(chǎn)生；如果mcu1和mcu2上電初始化校驗(yàn)中的錯(cuò)誤代碼較低或無故障，隔離繼電器導(dǎo)通，系統(tǒng)進(jìn)入助力模式。

在正常運(yùn)行時(shí)如發(fā)現(xiàn)故障，eps控制器對故障進(jìn)行等級識別，等級1故障將作為故障信息被記錄，系統(tǒng)助力不受影響，等級2故障的產(chǎn)生，將使eps系統(tǒng)執(zhí)行故障模式切換，系統(tǒng)進(jìn)入限制助力模式后，控制器的系統(tǒng)助力將以限制百分比模式輸出，且故障燈亮以提示駕駛員。