吳小萍,姚文博,譚艷軍,林霄喆,王瑞平,2
(1.寧波上中下自動(dòng)變速器有限公司,浙江 寧波 315800;2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,浙江 寧波 315800)
隨著汽車自動(dòng)化控制要求越來(lái)越高,電控系統(tǒng)在汽車控制領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增加,而電氣系統(tǒng)的信號(hào)可靠性有時(shí)直接影響駕駛員的人身安全。因此道路汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262常會(huì)根據(jù)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程需求,考慮系統(tǒng)信號(hào)的魯棒性,使用冗余硬件信號(hào)以提高電氣硬件系統(tǒng)安全功能等級(jí)[1]。
而對(duì)于自動(dòng)變速器,駐車系統(tǒng)的可靠性是關(guān)系功能安全的關(guān)鍵系統(tǒng)。目前車上越來(lái)越多用到自動(dòng)駐車機(jī)構(gòu)。
自動(dòng)駐車系統(tǒng)主要包括:駐車機(jī)構(gòu)、駐車執(zhí)行器、駐車位置傳感器等。其中駐車位置傳感器精確檢測(cè)駐車位置屬于自動(dòng)變速器功能安全最高等級(jí)要求ASIL C。
根據(jù)ISO 26262的要求,對(duì)于ASIL C的安全目標(biāo)相關(guān)硬件指標(biāo)要求為:?jiǎn)吸c(diǎn)隨機(jī)失效率≥97%;潛在隨機(jī)失效率≥80%[2]。而根據(jù)現(xiàn)市場(chǎng)上多家著名傳感器供應(yīng)商分析,目前單個(gè)位置傳感器普遍僅能達(dá)到ASIL B硬件功能安全等級(jí)要求,因此單個(gè)傳感器信號(hào)無(wú)法達(dá)到ASIL C的要求。
降低系統(tǒng)單點(diǎn)故障指標(biāo)的一種方法是冗余設(shè)計(jì),如設(shè)計(jì)2個(gè)傳感器進(jìn)行相互校驗(yàn),2個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)生故障,才會(huì)發(fā)生失效,能巧妙地將單點(diǎn)故障轉(zhuǎn)化成多點(diǎn)故障,使系統(tǒng)單點(diǎn)故障指標(biāo)得到提高[2]。
而目前為考慮到變速器的車輛平臺(tái)化,使用空間非常有限,因此本文將以7DCT駐車系統(tǒng)為實(shí)例,主要說(shuō)明如何在有限空間局限下,巧妙合理設(shè)計(jì)2個(gè)駐車位置傳感器,以及這2個(gè)駐車位置傳感器的控制策略設(shè)計(jì)。
駐車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。因空間局限性及開(kāi)發(fā)成本考慮,通常駐車執(zhí)行器不單獨(dú)開(kāi)發(fā),由選換擋執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)整車系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1,該設(shè)計(jì)方案也是由選換擋執(zhí)行器驅(qū)動(dòng),通過(guò)選擋和換擋功能實(shí)現(xiàn)換擋指的轉(zhuǎn)動(dòng),換擋指帶動(dòng)駐車機(jī)構(gòu)平移,由駐車機(jī)構(gòu)內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)駐車棘爪的旋轉(zhuǎn),配合駐車棘輪,即可實(shí)現(xiàn)駐車與非駐車狀態(tài)。如圖2所示,當(dāng)棘爪對(duì)準(zhǔn)棘輪齒根時(shí),當(dāng)前處于駐車狀態(tài);若棘爪對(duì)準(zhǔn)棘輪齒頂時(shí),將處于非駐車狀態(tài)。
目前變速器領(lǐng)域用到的各電機(jī)普遍采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),為精確探測(cè)位置/轉(zhuǎn)速,會(huì)匹配3個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器。
基于上方談到的駐車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來(lái)看,通過(guò)執(zhí)行器中無(wú)刷電機(jī)的3個(gè)位置傳感器可精確檢測(cè)到駐車機(jī)構(gòu)的移動(dòng)位移,以此推算當(dāng)前是否處于駐車狀態(tài)。因此從軟件功能角度,使用無(wú)刷直流電機(jī)3個(gè)位置傳感器檢測(cè)位置滿足功能要求。
圖1 駐車系統(tǒng)機(jī)構(gòu)
但從功能安全角度考慮,該系統(tǒng)存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題:選換擋執(zhí)行器內(nèi)部發(fā)生卡滯;駐車機(jī)構(gòu)發(fā)生故障。
如圖3所示,①代表disengaged狀態(tài),②代表middle位置,③代表engaged狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生A或B故障時(shí),執(zhí)行器正常運(yùn)行,從①位置運(yùn)行到③位置,這時(shí)電機(jī)位置傳感器會(huì)識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)增量,軟件根據(jù)電機(jī)位置傳感器信號(hào)信息,判斷當(dāng)前處于③engaged狀態(tài)。而此時(shí)由于A或B故障發(fā)生,動(dòng)力并未有效傳遞到駐車機(jī)構(gòu),導(dǎo)致駐車棘輪及棘爪的位置仍然處于①disengaged狀態(tài)。因此從功能安全角度考慮,單單電機(jī)位置傳感器不能滿足安全系統(tǒng)要求。
圖2 駐車棘爪與棘輪相對(duì)位置圖
圖3 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
為提高系統(tǒng)魯棒性設(shè)計(jì),上方引言也提到,通常會(huì)引用雙傳感器檢測(cè),用于相互校驗(yàn)。
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,冗余位置傳感器潛在檢測(cè)點(diǎn)位置共3處,如圖4所示。
圖4 冗余傳感器潛在檢測(cè)位置點(diǎn)
檢測(cè)位置1:可直接檢測(cè)換擋指運(yùn)行角度,可規(guī)避故障B,但無(wú)法規(guī)避故障A。
檢測(cè)位置2:在駐車機(jī)構(gòu)上引出位置傳感器的檢測(cè)對(duì)象,可同時(shí)規(guī)避故障A和故障B。
檢測(cè)位置3:檢測(cè)駐車棘輪角度。但因車輛在執(zhí)行駐車時(shí),不能保證每次駐車棘輪齒根處剛好對(duì)準(zhǔn)棘輪,通常在執(zhí)行駐車后,在棘輪少許轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),受駐車機(jī)構(gòu)內(nèi)部彈簧力,駐車棘爪才會(huì)真正地駐進(jìn)棘輪。因此在檢測(cè)位置3會(huì)造成車輛一直無(wú)法完成駐車的假象,引起客戶抱怨。
從上面分析,檢測(cè)位置2最佳。
傳感器檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象通常為磁鐵或銷 (或其他非磁鐵原件)。
采用磁鐵為檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象優(yōu)缺點(diǎn):位置傳感器信號(hào)精度好,但成本及空間需求大。
但往往受變速器內(nèi)部空間局限性,位置傳感器的檢測(cè)目標(biāo)無(wú)法做成磁鐵式。本文中7DCT采用的目標(biāo)對(duì)象為銷。
而由于受駐車機(jī)構(gòu)機(jī)械公差、殼體相關(guān)定位孔公差、傳感器機(jī)械公差,導(dǎo)致這套系統(tǒng)對(duì)傳感器氣隙要求范圍廣,以及disengaged/middle/engaged這幾個(gè)狀態(tài)的機(jī)械公差大,所以導(dǎo)致該冗余位置傳感器信號(hào)精度差,無(wú)法檢測(cè)出當(dāng)前的駐車狀態(tài)。如圖5信號(hào)曲線,在獲取一定的PWM值,所對(duì)應(yīng)的位置范圍太大。
圖5 位置傳感器信號(hào)曲線
因此新策略設(shè)計(jì),需考慮如何根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì),滿足系統(tǒng)功能安全等級(jí)要求。
從功能角度,執(zhí)行器內(nèi)部電機(jī)位置傳感器足夠探測(cè)當(dāng)前駐車位置,而考慮到功能安全要求需探測(cè)故障A和故障B的模式,避免執(zhí)行器內(nèi)部電機(jī)位置傳感器信號(hào)不可行。
若發(fā)生故障A時(shí),駐車機(jī)構(gòu)無(wú)法正常移動(dòng);若發(fā)生故障B時(shí),動(dòng)力無(wú)法傳遞到駐車機(jī)構(gòu),因此駐車機(jī)構(gòu)也無(wú)法移動(dòng)。
因此該冗余傳感器的策略可由檢測(cè)駐車位置改變?yōu)闄z測(cè)駐車機(jī)構(gòu)是否移動(dòng)。
從傳感器信號(hào)角度區(qū)分,可判斷傳感器PWM波是否有增減量,如設(shè)定增減量為10%,即可判斷駐車機(jī)構(gòu)是否移動(dòng),及通過(guò)增量或者減量判斷駐車機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方向。
且從功能安全角度考慮,由disengage變到engage這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生誤報(bào),會(huì)涉及到駕駛員的人身安全,而engage到disengage的誤報(bào)不會(huì)產(chǎn)生人身安全。因此總結(jié)駐車系統(tǒng)策略如下。
1)控制器收到park engaged指令值。
2)控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn),這時(shí)軟件會(huì)檢測(cè)電機(jī)位置傳感器,獲取電機(jī)運(yùn)行角度,計(jì)算駐車移動(dòng)距離是否到達(dá)要求。
3)駐車機(jī)構(gòu)受換擋指驅(qū)動(dòng)發(fā)生移動(dòng),冗余位置傳感器探測(cè)到信號(hào)發(fā)生變化,當(dāng)信號(hào)PWM值增量大于10%時(shí),判斷駐車機(jī)構(gòu)確實(shí)由disengaged位置往engaged位置方向移動(dòng)。
4)策略根據(jù)2)和3)的結(jié)果,判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否確實(shí)在engaged狀態(tài)。
本文基于汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求下,應(yīng)用雙駐車位置傳感器,通過(guò)信號(hào)的冗余相互驗(yàn)證,以提高系統(tǒng)的魯棒性。
而根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、空間局限性及機(jī)械公差范圍大等情況,引入駐車位置傳感器新的策略,對(duì)本駐車系統(tǒng)的位置檢測(cè)策略開(kāi)發(fā)提供了一定的研究方法。