徐 平，鄭 虎

（上海汽車集團(tuán)股份公司技術(shù)中心，上海 201800）

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Power Steering System，EPS）經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。EPS不僅能在不同車速下給車輛提供最佳的轉(zhuǎn)向助力［1］，而且在輔助駕駛方面，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提供了越來(lái)越多的功能，如自動(dòng)泊車、駕駛模式切換、車道保持、側(cè)風(fēng)補(bǔ)償、轉(zhuǎn)向力矩補(bǔ)償?shù)取?/p>

近幾年，自動(dòng)駕駛得到了越來(lái)越多的車企重視，如特斯拉在2016年前就宣稱能實(shí)現(xiàn)高速公路的Auto Pilot，但安全問(wèn)題頻發(fā)［2］。即將于2018上市的全新Audi A8，宣稱能實(shí)現(xiàn)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）規(guī)定的L3級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)，車輛可在小于60 km/h復(fù)雜道路下自動(dòng)駕駛。遇到緊急情況時(shí)，車輛會(huì)發(fā)出接管請(qǐng)求，給駕駛員提供8～10 s的時(shí)間評(píng)估路況，然后重新控制車輛［3］。對(duì)于自動(dòng)駕駛技術(shù)，國(guó)內(nèi)的車企也是不遺余力地進(jìn)行研發(fā)，力求在新一輪的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。目前普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)高速公路上最高車速大于120 km/h的自動(dòng)駕駛，預(yù)計(jì)要到2020年左右。

1 智能輔助駕駛等級(jí)分類

根據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）劃分的標(biāo)準(zhǔn)［4］，智能輔助駕駛分為5個(gè)等級(jí)，從低到高分別為L(zhǎng)1～L5。劃分的依據(jù)是其失效率fit（Failure-instance/time）的大小。定義1000套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行106小時(shí)出現(xiàn)1次突然失去助力失效為1 fit。一般情況下，L2的fit值要大于100，L3的fit值為10，L4/L5的fit值為1。關(guān)于等級(jí)定義、駕駛員和系統(tǒng)的責(zé)任劃分，詳見表1。

要實(shí)現(xiàn)高速公路上的自動(dòng)駕駛，系統(tǒng)至少需要滿足L3的安全等級(jí)，失效率達(dá)到10 fit，和飛機(jī)的失效率相當(dāng)。當(dāng)整車和系統(tǒng)達(dá)到了L4或L5的安全等級(jí)后，車輛就完全實(shí)現(xiàn)了在全路段、全天候下的自動(dòng)駕駛。

2 滿足L3自動(dòng)駕駛下的EPS

圖1是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的框圖［1］。對(duì)于機(jī)械（如小齒輪、齒條等）而言，只要其強(qiáng)度和疲勞滿足系統(tǒng)要求，自然不會(huì)導(dǎo)致“突然失去助力”情況的發(fā)生。對(duì)于電機(jī)、傳感器和控制單元來(lái)說(shuō)，則存在電機(jī)繞組失效［5］、傳感器和控制器電子元器件失效。在L2安全等級(jí)下，這些失效都會(huì)導(dǎo)致EPS終止提供助力，由電動(dòng)助力狀態(tài)轉(zhuǎn)入到純機(jī)械狀態(tài)，以保障車輛和乘員的安全。

圖1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框圖

滿足L3安全等級(jí)的車輛，可以在高速公路上自動(dòng)駕駛，假設(shè)車輛時(shí)速為120 km/h，每秒鐘車輛行駛的距離為33.33 m，如果在轉(zhuǎn)向過(guò)程中EPS某個(gè)部件發(fā)生了故障而不能得到及時(shí)有效處理，很明顯會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。如何確保L3安全等級(jí)的EPS在發(fā)生單點(diǎn)或有限多點(diǎn)失效時(shí)仍是安全的，是當(dāng)下需要解決的問(wèn)題。

表1 SAE下的輔助駕駛分級(jí)

最簡(jiǎn)單的做法是在EPS上裝兩套系統(tǒng)，當(dāng)一套系統(tǒng)失效后，立即切換到另一套系統(tǒng)。雖然這樣可以解決一些問(wèn)題，但同時(shí)存在一些缺陷：①成本太高，基本上就是雙倍價(jià)格；②占用較大空間，在整車布置上存在困難；③兩套系統(tǒng)間助力切換所需時(shí)間。從安全角度上講，當(dāng)一套系統(tǒng)的某個(gè)模塊或部件發(fā)生故障后，要立即把信息傳遞到該控制器的微處理器（MCU），MCU確認(rèn)故障屬實(shí)后，再向另一套系統(tǒng)（即備用系統(tǒng)）發(fā)出啟動(dòng)邀請(qǐng)，備用系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行助力控制。整個(gè)切換過(guò)程需要在10 ms內(nèi)完成比較安全，因?yàn)閷?duì)應(yīng)于120 km/h的車速，10 ms行駛的距離為0.333 m，相對(duì)來(lái)說(shuō)屬于安全范圍，而這么多的工作，10 ms內(nèi)完成，有較大的難度。

為了達(dá)到L3的安全等級(jí)，同時(shí)避免上述的缺陷，本文提出了“冗余”設(shè)計(jì)的概念，可滿足自動(dòng)駕駛的需要。下文對(duì)EPS的每個(gè)電氣部件進(jìn)行展開說(shuō)明。

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)

在冗余電機(jī)中，采用6相或12相電機(jī)，這樣就是雙三相電機(jī)或4個(gè)三相電機(jī)。以6相電機(jī)為例，當(dāng)某一相電機(jī)繞組出現(xiàn)故障時(shí)，可以關(guān)閉對(duì)應(yīng)的3相電機(jī)助力，剩下的3相電機(jī)仍然能提供50%的助力。測(cè)試表明：車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下,最大助力的50%可以覆蓋約10%的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角范圍（圖2）；在車輛速度超過(guò)15 km/h后，最大助力的50%可以覆蓋約85%的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角范圍（圖3），且該比率隨著車輛速度的提升而提高。

滿足L3的EPS電機(jī)設(shè)計(jì)，采用雙三相電機(jī)即可滿足要求，原因如下。

圖2 車輛靜止時(shí)轉(zhuǎn)向力曲線

圖3 車輛時(shí)速15 km/h時(shí)轉(zhuǎn)向力曲線

1）當(dāng)車速大于15 km/h時(shí)，50%助力可以滿足85%的齒條行程助力要求。85%的齒條行程，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤從中間位置向一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為459°（假設(shè)轉(zhuǎn)向盤從中間位置到極限位置轉(zhuǎn)角為540°），能覆蓋L3規(guī)定的“特定駕駛工況下”的轉(zhuǎn)角范圍。當(dāng)其中3相突發(fā)故障需要關(guān)閉時(shí)，50%的助力可滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)仍然控制車輛，同時(shí)提醒駕駛員接管車輛。

2）當(dāng)車速低于15 km/h時(shí)，可以借助制動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的共同工作，系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行控制，同時(shí)提醒駕駛員接管車輛。

6相電機(jī)的設(shè)計(jì)理念見圖4，將6相繞組分為雙三相繞組，兩套對(duì)稱的三相繞組（圖5）空間相差30°，ABC之間相位差120°，UVW之間相位差同為120°，A和U之間相位差30°。

圖4 雙三相電機(jī)的設(shè)計(jì)理念

2.2 扭矩傳感器設(shè)計(jì)

在滿足L3等級(jí)的冗余EPS中，至少需要3路扭矩信號(hào)（圖6），有4路信號(hào)更好，以確保在其中一路信號(hào)發(fā)生故障時(shí)可以被精確監(jiān)控并識(shí)別。傳統(tǒng)的L2等級(jí)的EPS中，多使用2路扭矩信號(hào)的扭矩傳感器(圖7)，這類傳感器只能通過(guò)相互校驗(yàn)確定信號(hào)是否有問(wèn)題，當(dāng)其中一路信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能關(guān)閉助力，將EPS由電動(dòng)助力模式切換到純機(jī)械模式。

為提升扭矩信號(hào)的可靠性，推薦在L3及以上等級(jí)的EPS中采用獨(dú)立的雙2路信號(hào)的扭矩傳感器。

2.3 控制器及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的EPS，安全等級(jí)L2及以下等級(jí)的E P S控制器電路原理框圖如圖8所示。

圖5 雙三相電機(jī)繞組

圖6 3路信號(hào)的扭矩傳感器

圖7 2路信號(hào)的扭矩傳感器

圖8 安全等級(jí)L2及以下等級(jí)的EPS控制器電路原理框圖

傳統(tǒng)L2以下的控制器，當(dāng)任何一個(gè)元器件發(fā)生問(wèn)題，基于安全考慮，EPS都會(huì)采取降低助力輸出或關(guān)閉助力的措施，如電機(jī)位置傳感器發(fā)生問(wèn)題，采取的是關(guān)閉助力策略［6］。這種策略在L3的安全等級(jí)要求下，需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

根據(jù)SAE L3的安全等級(jí)要求，在車輛檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生故障后，會(huì)立即通知駕駛員接管車輛。從發(fā)生問(wèn)題到駕駛員接管，期間需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，且越長(zhǎng)越好。在車輛處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)下，需要轉(zhuǎn)換為駕駛員接管，一方面車輛需要有足夠的措施讓駕駛員從“沉睡”中驚醒，同時(shí)需要時(shí)間讓駕駛員恢復(fù)到清醒狀態(tài)，確保車輛安全；另一方面，在這段時(shí)間里，系統(tǒng)仍有足夠的能力，確保車輛處于安全狀態(tài)。

為了滿足安全要求，對(duì)控制器也進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是將控制系統(tǒng)進(jìn)行雙份設(shè)計(jì)，即主芯片、電源芯片、預(yù)驅(qū)電路、CAN收發(fā)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋等均用兩套零件，滿足L3的EPS控制電氣原理圖如圖9所示。其中，主芯片1和主芯片2需要運(yùn)行不同的算法，且運(yùn)算后的扭矩指令需要進(jìn)行比較，同時(shí)需要進(jìn)行時(shí)鐘的同步性校驗(yàn)，以及電機(jī)位置解算、扭矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)解算后的校核，這樣才能確保在單點(diǎn)失效或有限多點(diǎn)同時(shí)失效后，系統(tǒng)仍然能提供一定的助力需求，確保系統(tǒng)有足夠的時(shí)間，喚醒駕駛員接管車輛。

3 結(jié)束語(yǔ)

車輛自動(dòng)駕駛是未來(lái)的發(fā)展方向，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，必須確保系統(tǒng)足夠的安全，在發(fā)生單點(diǎn)失效或有限多點(diǎn)失效時(shí)，系統(tǒng)能控制車輛正常行駛，并有足夠的時(shí)間提醒駕駛員接管車輛。本文提出的“冗余”設(shè)計(jì)概念，不僅適用于EPS，同時(shí)也可被車輛上其余需要滿足L3安全等級(jí)的電氣部件借鑒；再將電機(jī)拓展為9相或12相，同時(shí)拓展預(yù)驅(qū)芯片和電源芯片，能滿足更高的L4或L5的等級(jí)要求，以迎接全自動(dòng)駕駛時(shí)代的到來(lái)。

［1］ 陳慧.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子化技術(shù)發(fā)展［C］//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)轉(zhuǎn)向技術(shù)分會(huì)年會(huì)，2009.

［2］ 耿源.國(guó)內(nèi)第一起！特斯拉再現(xiàn)自動(dòng)駕駛事故[DB/OL].汽車之家新聞，（2016-08-05）［2018-04-16］.https://www.autohome.com.cn/news/201608/891542.html.

［3］ 網(wǎng)易汽車.2018年引入/強(qiáng)悍自動(dòng)駕駛 全新奧迪A8首發(fā)［O L］.（2017-07-11）［2018-04-16］.http://auto.163.com/17/0711/16/CP32AABL0008856R.html.

［4］ SAE J3016，Taxonomy and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving System［S］.

［5］ EMANUEL BRANCATO. Life expectancy of motors［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine， 1991(7):14-16,19-22.

［6］ 鄭虎，張平，金燦龍.EPS電機(jī)位置傳感器故障診斷策略設(shè)計(jì)［J］.上海汽車，2017（8）：21-24.