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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致經(jīng)歷了機(jī)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)的一個(gè)發(fā)展過(guò)程，目前EPS在我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)并裝配在各類汽車上，且國(guó)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(dòng)助力系統(tǒng)中原有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)替代，對(duì)駕駛員的駕駛意圖進(jìn)行有效地采集和傳達(dá)，進(jìn)而完成對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向控制。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性和力傳遞特性，對(duì)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(dòng)安全性具有重要的意義[2]。文中對(duì)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(jì)帶來(lái)無(wú)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(guó)的KASSELMANN等對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念做出了大膽的設(shè)想并設(shè)計(jì)了與此類似的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用控制信號(hào)代替原有的機(jī)械連接通過(guò)操縱方向盤來(lái)控制汽車的轉(zhuǎn)向[3]。2001年意大利的Bertone汽車設(shè)計(jì)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(dòng)作都是通過(guò)信號(hào)傳遞的。隨后如戴姆勒、寶馬等各大歐美汽車廠家都對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于該項(xiàng)目的研究起步較晚，2004年，同濟(jì)大學(xué)在“春暉三號(hào)”電動(dòng)車上運(yùn)用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器與方向盤之間無(wú)機(jī)械連接的轉(zhuǎn)向控制，并于2005年首次提出了在汽車上實(shí)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(lái)的能滿足安全設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品仍不多見，很多高校的產(chǎn)品僅僅是進(jìn)行功能的展示和樣機(jī)的制作。輔助駕駛系統(tǒng)和無(wú)人駕駛是現(xiàn)在新興的熱門研究領(lǐng)域，實(shí)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(dòng)駕駛車輛的開發(fā)提供了良好的平臺(tái)，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(jī)提供轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，通過(guò)減速機(jī)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(jī)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(jī)12及減速機(jī)構(gòu)3等組成。

1.2 SBW結(jié)構(gòu)

SBW系統(tǒng)是決定汽車主動(dòng)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(jī)械連接，完全由電能實(shí)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(jì)汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計(jì)帶來(lái)無(wú)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(gè)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(jī)及減速機(jī)構(gòu)等，用于將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過(guò)測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成控制器，同時(shí)接受轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成控制器送來(lái)的力矩信號(hào)，通過(guò)路感反饋電機(jī)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(jī)、減速機(jī)構(gòu)和前輪轉(zhuǎn)角傳感器等，可以有效采集控制器信號(hào)執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作，實(shí)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(dòng)防故障系統(tǒng)和電源等，用于判斷汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向轉(zhuǎn)角控制總成的路感反饋電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送指令，控制相應(yīng)電機(jī)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(duì)汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補(bǔ)償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)；同時(shí)控制器還可以對(duì)駕駛員的操縱指令進(jìn)行判斷，識(shí)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(cuò)誤指令時(shí)，SBW會(huì)將駕駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，自動(dòng)進(jìn)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(jī)械連接部分，因此對(duì)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(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，安全風(fēng)險(xiǎn)小，而對(duì)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(jì)考慮不充分則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，如當(dāng)轉(zhuǎn)角控制總成出現(xiàn)無(wú)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(huì)導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)向，此時(shí)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(shí)，能夠有效采集出正確的轉(zhuǎn)角信號(hào)，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(diǎn)失效后仍不會(huì)影響駕駛員的安全駕駛。同時(shí)對(duì)于轉(zhuǎn)角控制總成，由于取消了機(jī)械連接部分，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)手上無(wú)任何阻力，這會(huì)給駕駛員帶來(lái)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(dòng)方向盤時(shí)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(shí)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(jì)

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(gè)獨(dú)立的供電電源對(duì)整個(gè)硬件模塊提供穩(wěn)定的電源供電，采用兩個(gè)獨(dú)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(gè)獨(dú)立電源供電和兩個(gè)獨(dú)立的PMC對(duì)電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其目的就是用于實(shí)現(xiàn)電源電路的冗余備份，通過(guò)此設(shè)計(jì)，當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一路電源仍可以保證系統(tǒng)能可靠地工作。每個(gè)PMC電路可以采用諸如低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 轉(zhuǎn)角信號(hào)采集

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角是一個(gè)關(guān)鍵信號(hào)，如果轉(zhuǎn)角信號(hào)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(jìn)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(hào)時(shí)采用如下處理方案：使用3套獨(dú)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(hào)，每一路傳感器獨(dú)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(hào)無(wú)法獲取的現(xiàn)象發(fā)生。在采集處理時(shí)每個(gè)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(shí)采用三取二的判斷機(jī)制，當(dāng)其中一路信號(hào)與另外兩路信號(hào)不一致時(shí)，采取少數(shù)服從多數(shù)的仲裁機(jī)制，通過(guò)上述冗余式的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，提高了轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集的可靠性，進(jìn)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(hào)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(shí)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(guò)程中采用如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)等差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)能被無(wú)差錯(cuò)接受。如果當(dāng)一路車用總線出現(xiàn)故障或無(wú)法滿足該路總線的傳輸條件時(shí)，可以用另一路總線實(shí)現(xiàn)通信傳輸功能，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角等控制命令的可靠傳輸。

3.4 信號(hào)處理單元

此硬件架構(gòu)中采用雙MCU方式實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)角等信號(hào)的采集、分析及傳輸控制。為便于說(shuō)明，兩個(gè)MCU分別定義為M-MCU和S-MCU，兩個(gè)MCU分別采集轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行判斷，分析處理，并通過(guò)SPI通信實(shí)現(xiàn)雙機(jī)的數(shù)據(jù)再校驗(yàn)和MCU間的相互監(jiān)控。兩個(gè)MCU采用獨(dú)立電池電源供電，采用獨(dú)立的JTAG(Joint Test Action Group)接口燒錄程序。兩個(gè)MCU間還可進(jìn)行相互的監(jiān)控和狀態(tài)的確認(rèn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)工作的可靠性。如果兩個(gè)MCU中診斷出某一個(gè)MCU發(fā)生故障或無(wú)法正常工作時(shí)，另一個(gè)MCU還可以將轉(zhuǎn)角信號(hào)提供給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成，同時(shí)將故障類型也提供給轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成作為報(bào)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(yùn)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(shuō)的硬件看門狗可以為單獨(dú)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(jìn)行說(shuō)明)，當(dāng)看門狗檢測(cè)到受監(jiān)控的電源電壓有異?；騇CU運(yùn)行不正常如跑飛時(shí)，看門狗便可通過(guò)復(fù)位引腳使MCU復(fù)位，讓異常MCU重新進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式是M-MCU通過(guò)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(shí)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(guò)預(yù)驅(qū)動(dòng)器(Pre-driver)驅(qū)動(dòng)H橋電路，進(jìn)而控制路感反饋電機(jī)，從而為駕駛員提供更為真實(shí)的模擬“路感”。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)，能夠有效采集出正確的轉(zhuǎn)角信號(hào)，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(diǎn)失效后仍不會(huì)影響駕駛員的安全駕駛。同時(shí)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(shí)具有更貼近于使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的駕駛感覺。目前隨著EPS在我國(guó)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(lái)性能更優(yōu)越的SBW開發(fā)與使用也成了必然，并將會(huì)成為未來(lái)智能技術(shù)中舉足輕重的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)在SBW還有很多關(guān)鍵難點(diǎn)亟待解決，比如安全性方面，由于電子部件還沒有達(dá)到機(jī)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(shí)現(xiàn)其基本的轉(zhuǎn)向功能，這在實(shí)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(lái)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。