一種電動助力轉向控制方法和系統的製作方法
2023-05-01 02:42:46 1
專利名稱：一種電動助力轉向控制方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車用電動助力轉向控制方法和系統，屬於汽車 領域。
背景技術：
轉向系統作為汽車的一個重要組成部分，其性能的好壞將直接影 響到汽車的轉向性能以及操控穩定性和行駛安全性。汽車助力轉向可 大幅度減輕駕駛人員的勞動強度，從而有效地提高了汽車駕駛的安全 性，隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低，電動助力轉向控
制系統(Electrical Power Steering,簡稱EPS)越來越受到人們的 重視，並以其具有傳統動力轉向系統不可比擬的優點，迅速邁向了中 高檔轎車應用領域，部分取代了傳統液壓動力轉向系統(Hydraulic powersteering， 簡禾爾HPS)。
電動助力轉向控制系統EPS通常由轉矩傳感器、車速傳感器、控 制單元MCU、助力電機等組成。其基本工作原理是轉矩傳感器測得的 方向盤轉矩信號和車速信號一同送給控制單元MCU，經MCU處理和計算 以決定助力電機的轉向和助力電流的大小，從而完成轉向助力控制。 該控制系統必須依靠MCU的有效而精確的工作，如果MCU出現故障， 將會給安全駕駛帶來嚴重的後果。中國專利200320118312. X公開了一 種具備監控功能的EPS，可以實現對EPS信號採集電路、助力轉向電動 機以及其驅動電路的監控，以分別對上述監控對象進行保護以及使系 統能通過CAN總線收發電路與外界進行通訊交流，並使系統具有故障 自診斷能力，及時發出故障警報，提醒駕駛人員注意安全。
但是由於上述系統不具備自復功能， 一旦故障，轉向系統只能切 換成普通無助力的轉向形式，要求駕駛員短時間內必須適應高強度、大幅度的轉向操作，而人們由於習慣的使然，往往很難做到迅速適應。 這給高速行駛帶來極大的危險。
發明內容
本發明旨在提供一種具有冗餘控制功能的電動助力轉向控制系統
EPS，能夠在MCU工作失效的瞬間，投入取代其工作的熱備MCU，實現 自復功能，使汽車始終處於電動助力轉向狀態。 為了達到上述目的，本發明是這樣實現的
一種電動助力轉向控制方法，基於現有的EPS控制技術，採用雙 微處理器MCU的形式，主MCU控制助力電機工作，從MCU監控主MCU 的工作狀態，當主MCU工作異常，則由從MCU剝奪主MCU的工作權， 取而代之控制助力電機正常工作，構成冗餘控制方式，算法步驟如下
(a) 初始化主、從MCU及各埠；
(b) 主MCU檢測其PWM工作是否正常，若PWM工作不正常，主MCU 向從MCU發送中斷信號，從MCU發出指令，主MCU退出工作，由從MCU 取代主MCU對助力電機進行控制；
(c) 若PWM工作正常，則由從MCU的I/O 口發送檢測信號到主MCU， 同時將該I/O 口設為接收方式；
(d) 主MCU的I/O 口接收檢測信號產生中斷，同時將該I/O 口設 為發送方式，將接收到的檢測值發回到從MCU，再將該I/O 口設為接收 方式；
(e) 若從MCU以査詢方式接收到主MCU回傳的檢測值，且回傳值 正確，則主MCU繼續運行，從MCU等待一個時間間隔t後，再向主MCU 發送檢測信號，重複(c)、 (d)、 (e)循環；
(f) 若從MCU以查詢方式未接收到主MCU回傳的檢測值，或者接 收的回傳值不正確，則將錯誤計數器加l;(g) 若錯誤計數器的數值小於允許連續次數n，則回到步驟(a) 初始化主、從MCU及各埠，重新執行後續程序；
(h) 若錯誤計數器的數值大於或等於允許連續次數n，從MCU發 出指令，主MCU退出工作，由從MCU取代主MCU對助力電機進行控制。
其中所述的時間間隔t為2s;所述的允許連續次數n為5次。
一種以上述方法工作的電動助力轉向控制系統，包括微處理器 MCU、助力電機、電機驅動晶片、扭矩傳感器、車速傳感器、轉角傳感 器、助力電機電流傳感器、制動踏板傳感器和溫度傳感器，系統具有 兩個MCU， 一個是主MCU，另一個是從MCU;兩個MCU的各自輸入通道 中5個模數轉換器A/D分別與同一個扭矩傳感器、轉角傳感器、助力 電機電流傳感器、制動踏板傳感器和溫度傳感器相連；兩個MCU的各 自輸入通道中的增強型捕捉定時器ETC分別與同一個車速傳感器相連； 兩個MCU的各自輸出通道中的脈寬調製器PWM分別通過數模轉換器與 同一個電機驅動晶片相連；兩個MCU的各自輸出通道中的2個輸入輸 出接口 I/O分別與同一個電機驅動晶片的控制使能端、電機轉向控制 端相連；主MCU輸出通道中的錯誤信號輸出口與從MCU輸入通道中的 1/0接口相連；從MCU輸出通道中的檢測信號輸出口、指令輸出口分別 與主MCU輸入通道中的2個I/O接口相連。
其中所述主MCU是MC9S12DT256MPVE晶片，所述從MCU是 MC68HC908M晶片，所述電機驅動晶片是MC33035晶片。
由於採用了冗餘控制方式，本發明具有以下特點在不影響現有
技術電動助力控制系統安全穩定運行的條件下，加入了一個新的從
MCU，從MCU具有兩個功能 一是監控主MCU的運行狀態，運行是否正 常，工作是否穩定，是否出現致命錯誤；二是取代主MCU的控制地位， 一旦從MCU檢測到主MCU工作異常，立刻由從MCU代替主MCU行使對 電動轉向系統的控制。基於以上兩點，本系統就可以很好的提高電動 轉向控制系統的冗餘，實現更好更穩定的控制。
附圖1是本發明電動助力轉向控制方法的算法流程圖； 附圖2是本發明電動助力轉向控制系統的方框原理圖； 附圖3是本發明電動助力轉向控制系統實施例主MCU的電氣原理
附圖4是本發明電動助力轉向控制系統實施例從MCU的電氣原理
附圖5是本發明電動助力轉向控制系統實施例電機驅動晶片的電 氣原理附圖6是本發明電動助力轉向控制系統實施例車速轉換電氣原理
附圖7是本發明電動助力轉向控制系統實施例PWM的D/A轉換電 氣原理圖。
具體實施例方式
圖1所示的算法流程圖中，開始初始化主、從MCU以及各埠； 由主MCU檢測其PWM工作是否正常，如果PWM工作不正常，向從MCU 發送中斷信號，由從MCU剝奪主MCU對電機的控制權，轉由從MCU控 制電機，並發送掉電信號讓主MCU進入掉電狀態。該過程採用外部中 斷。
如果PWM工作正常，則由從MCU監控主MCU的工作狀況首先由 從MCU的I/O 口向主MCU發送某一設定的特定值檢測信號，同時將該 發送I/O 口設為接收方式；主MCU的I/O 口產生中斷，接收到該數據 後，將此接收埠改變為發送狀態，再將所接收到的檢測值發回到從 MCU，同時將發送埠又改為接收狀態；然後由從MCU以査詢方式接收 該檢測值。
如果從MCU接收到該檢測值，且正確，表明主MCU工作正常，則主MCU繼續工作，從MCU等待一個時間間隔2s後，再向主MCU發送檢 測信號，開始下一個檢測循環。
如果從MCU在設定的査詢時間內無法接收到該檢測值，或者接收 的檢測值不正確，表明主MCU工作異常，將錯誤計數器加l;如果該計 數器值小於5，從MCU指令主MCU復位，再向主MCU發送檢測信號，開 始下一個檢測循環。
當錯誤計數器值大於或等於5時，表明主MCU已經出現5次差錯， 則認為主MCU工作不正常，或工作不穩定，這時由從MCU剝奪主MCU 對助力電機的控制權，轉由從MCU控制電機，並由從MCU發送掉電信 號讓主MCU進入掉電狀態。程序結束。
如圖2所示，電動助力轉向控制系統由主、從兩個微處理器MCU、 助力電機、電機驅動晶片、扭矩傳感器、車速傳感器、轉角傳感器、 助力電機電流傳感器、制動踏板傳感器和溫度傳感器構成，主、從MCU 分別輸入上述6個傳感器信號，分別可以向電機驅動晶片輸出控制電 機方向的信號、控制驅動晶片輸入信號使能和對助力電機的PWM驅動 信號；主MCU向從MCU輸出主MCU錯誤信號；從MCU向主MCU輸出使 主MCU進入掉電狀態的控制信號和檢測信號。
本發明實施例的主MCU採用MC9S12DT256MPVE晶片(見圖3)，其 輸入通道主要有
PB3—輸入從MCU對主MCU的檢測信號；
PB5—輸入使主MCU進入掉電狀態的信號指令；
PT0—捕捉經過LM339比較後得到的扭矩傳感器信號，捕捉通道 (PT0)捕捉車速傳感器信號，通過車速傳感器轉換模塊將正弦波轉換 為可為單片機捕捉的TTL信號，通過TTL信號的頻率來確定車速的快 慢(見圖6);
PAD00—輸入處理後的電機電流信號，它是電機的電流傳感器測量 而得到電機電流值相對應的電壓大小，將該電壓值輸入A/D 口，變為 電流的數位訊號；PAD01—輸入器踏板信號，通過可變電阻來測量踏板位置，將測得 的可變電阻相應得到的電壓值輸入該A/D 口，得到踏板位置信號
PAD02—輸入處理扭矩傳感器信號，它是將扭矩傳感器得到的電壓 值輸入該埠，將電壓變為數位訊號，確定扭矩值。
PAD03—輸入處理轉角傳感器信號，它是將測得的轉角信號的電壓 值輸入該埠，得到數位訊號。
PAD04—輸入處理溫度傳感器信號，將得到的溫度電壓值轉化為數
字信號，以供單片機使用。
PAD05—輸入處理油門開度信號，其原理同PADOl。 其輸出通道有
PBO—輸出主MCU錯誤信號；
PB1—輸出控制電機方向的信號； PB2—輸出電機制動信號；
PEO—控制MC33035輸入信號使能，從而使輸入的PWM使能控制； PPO—輸出對電機的PWM信號，該信號是PWM經由D/A轉換而得； 本發明實施例的從MCU採用MC68HC908M晶片(見圖4)，其輸入通 道主要有
PTAO、 PTA1、 PTA2、 PTA3、 PTA4、 PTA5—輸入電機電流信號，制 動器踏板信號、扭矩傳感器信號、轉角傳感器、溫度傳感器信號、以 及油門開度信號，這些信號通過A/D 口轉換為相應的數位訊號；
PTB4—捕捉車速信號，其捕捉方式和主MCU的捕捉通道相同。
輸入主MCU的故障信號，從MCU通過該中斷，剝奪主MCU的 控制權，轉而由從MCU進行控制。 其輸出通道有
PTCO—輸出電機轉動方向指令；
PTC1—控制MC33035輸入信號使能，從而使輸入的PWM使能控制； PWM1—輸出控制電機的模擬信號，該信號是PWM經由D/A轉換而
得；PTB3—輸出檢測信號，以檢測主MCU工作是否正常；
PTB5—輸出使主MCU進入掉電狀態的控制信號，高電平有效；
PTB6—控制主MCU的復位。
本發明實施例的電機驅動晶片採用MC33035晶片(見圖5)，它的 輸入口和一個由LM324組成的D/A轉換器(見圖7)連接，將P麗轉換 為相應的模擬信號。
本發明技術的關鍵是主、從MCU要進行統一協調的工作，必須 解決主、從MCU間的通訊問題，它是整個系統能否良好運行的關鍵所 在，因此下面結合實施例對主、從MCU之間通訊的建立過程作進一步 說明
1. 初始化主、從MCU及各埠。其中主MCU的PBO、 PB1設為輸 出，PB3-PB5設為輸入，PTO和PT1設為輸入捕捉方式，PAD00-PAD05 設置為A/D轉換方式；從MCU中的PTA0-PTA5設為A/D輸入方式，PTB4 設為輸入捕捉方式，PTB2、 PTB3、 PTB5、 PTB6為I/O輸出方式。PTCO 和PTC1設為I/O模式下的輸出方式。
2. 由從MCU的PTB3發送某一設定的特定值檢測信號到主MCU的 PB3，同時將PTB3設為接收方式；主MCU待PB3產生中斷，接收到該 數據後，將該埠變為發送狀態，再將接收到的檢測值發回到從MCU， 並將PB3重新改變為接收埠；如果PTB3能以查詢方式收到該回傳的 檢測值，則表示主MCU工作正常，從MCU等待一個時間間隔2s後，再 向主MCU發送檢測信號，開始下一個檢測循環。
3. 如果PTB3在設定的査詢時間內無法接收到高電平，則表示主 MCU工作異常，此時將錯誤計數器加l，將主MCU復位，並重新重複上 述循環過程，如果出現5次錯誤，則認為主MCU工作不正常，或工作 不穩定，這時由從MCU剝奪主MCU對電機的控制權，轉由從MCU控制 電機，並由從MCU發送掉電信號讓主MCU進入掉電狀態。該過程採用 査詢方式。
4. 當主MCU自己檢測到PWM工作不正常的時候，向從MCU的/IRQ發送中斷信號，由從MCU剝奪主MCU對電機的控制權，轉由從MCU控 制電機，並由PTB5發送掉電信號讓主MCU進入掉電狀態。該過程採用 外部中斷。
其中上述2、 3過程在運行時，需要打開中斷，以便當PWM控制電 路工作異常時，直接由從MCU剝奪主MCU的電機控制權，實現從MCU 對助力電機的控制。
權利要求
1.一種電動助力轉向控制方法，基於現有的EPS控制技術，其特徵在於它採用雙微處理器MCU的形式，主MCU控制助力電機工作，從MCU監控主MCU的工作狀態，當主MCU工作異常，則由從MCU剝奪主MCU的工作權，取而代之控制助力電機正常工作，構成冗餘控制方式，算法步驟如下(a)初始化主、從MCU及各埠；(b)主MCU檢測其PWM工作是否正常，若PWM工作不正常，主MCU向從MCU發送中斷信號，從MCU發出指令，主MCU退出工作，由從MCU取代主MCU對助力電機進行控制；(c)若PWM工作正常，則由從MCU的I/O口發送檢測信號到主MCU，同時將該工/O口設為接收方式；(d)主MCU的I/O口接收檢測信號產生中斷，同時將該I/O口設為發送方式，將接收到的檢測值發回到從MCU，再將該I/O口設為接收方式；(e)若從MCU以查詢方式接收到主MCU回傳的檢測值，且回傳值正確，則主MCU繼續運行，從MCU等待一個時間間隔t後，再向主MCU發送檢測信號，重複(c)、(d)、(e)循環；(f)若從MCU以查詢方式未接收到主MCU回傳的檢測值，或者接收的回傳值不正確，則將錯誤計數器加1；(g)若錯誤計數器的數值小於允許連續次數n，則回到步驟(a)初始化主、從MCU及各埠，重新執行後續程序；(h)若錯誤計數器的數值大於或等於允許連續次數n，從MCU發出指令，主MCU退出工作，由從MCU取代主MCU對助力電機進行控制。
2. 如權利要求l所述的電動助力轉向控制方法，其特徵在於所述的 時間間隔t為2s;所述的允許連續次數n為5次。
3. —種以權利要求l所述方法工作的電動助力轉向控制系統，包括微 處理器MCU、助力電機、電機驅動晶片、扭矩傳感器、車速傳感器、 轉角傳感器、助力電機電流傳感器、制動踏板傳感器、溫度傳感器 和油門開度傳感器，其特徵在於系統具有兩個MCU， 一個是主MCU, 另一個是從MCU;兩個MCU的各自輸入通道中6個模數轉換器A/D 分別與同一個扭矩傳感器、轉角傳感器、助力電機電流傳感器、制 動踏板傳感器、溫度傳感器和油門開度傳感器相連；兩個MCU的各 自輸入通道中的增強型捕捉定時器ETC分別與同一個車速傳感器相 連；兩個MCU的各自輸出通道中的脈寬調製器P而分別通過數模轉 換器與同一個電機驅動晶片相連；兩個MCU的各自輸出通道中的2 個輸入輸出接口 1/0分別與同一個電機驅動晶片的控制使能端、電 機轉向控制端相連；主MCU輸出通道中的錯誤信號輸出口與從MCU 輸入通道中的I/O接口相連;從MCU輸出通道中的檢測信號輸出口 、 指令輸出口分別與主MCU輸入通道中的2個I/O接口相連。
全文摘要
一種汽車用雙MCU電動助力轉向控制方法和系統，基於現有的EPS控制技術，採用雙微處理器MCU的形式，主MCU控制助力電機工作，從MCU監控主MCU的工作狀態，當主MCU工作異常，則由從MCU剝奪主MCU的工作權，取而代之控制助力電機正常工作，構成冗餘控制方式。具有冗餘控制功能的電動助力轉向系統可以很好的提高電動轉向控制系統的可靠性，有效地提高了汽車駕駛安全性和舒適性。
文檔編號G05B19/418GK101308383SQ200810040360
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者吳光強, 張德明, 騫 王, 鞠麗娟 申請人:同濟大學