EPS控制模块及其控制系统和控制方法与流程

本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种eps(电动转向系统)控制模块。本发明还涉及一种eps控制系统和一种eps控制方法。

背景技术：

电动助力转向系统(electricpowersteering，缩写eps)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统hps(hydraulicpowersteering)相比，eps系统具有很多优点。eps主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ecu)等组成。

如图1所示，现有汽车底盘电子控制领域传统的eps系统助力关闭方案说明如下：

1、eps电控系统，主要组成包括一个承担主控制功能的单片机(mcu)、系统基础芯片(sbc)、带有与门逻辑的mosfet驱动桥电路、传感器与执行器、其他控制器(ecu)电路等。

2、单片机(mcu)是承载电控逻辑运算与控制的主控制芯片，当单片机(mcu)内发生故障时，芯片可将故障报警源(alarm_x)的信号收集至安全管理单元(smu)，并由故障管理单元实现触发相应的中断服务(isr)，再通过单片机输入输出功能模块(gpio)实现中断服务程序的相应硬件信号控制，从而软件路径上最终实现关闭mosfet驱动桥电路的助力电机输出。

3、系统基础芯片(sbc)是具有外部时序监控与复位、模拟自检(abist)与逻辑自检(lbist)、spi通信接口等功能的辅控制芯片，其内部包含一条安全状态总线(safestatebus，简称ssb)专用于收集各模块运行状态传递至安全状态控制单元(safestatecontrol，简称ssc),并由其判定与功能安全相关的异常与否，当异常发生时经过resetcontrol单元外发复位mcu的硬线信号rot、发出硬线关闭信号ss1，从而在硬件路径上最终实现关闭mosfet驱动桥电路的助力电机输出。

4、故障处理方法上，现有的eps电控软件一般设置系统管理类(sysmgm)软件模块，实现周期性地调用基础软件(bsw)函数接口对alarm_x相关寄存器(alarmstatusregisters，简称asr)的访问，和通过spi通信接口对片外sbc端的ssb信息的读取，从而实现将mcu和sbc各故障信息读取诊断并记录保存。

上述关闭助力和故障处理方法，虽然在一定程度上有效地使得违背电控转向系统的安全的异常得到有效的处理和保存，但是存在一定不足：

①从mcu与sbc数据交互方向上看，只有sbc向mcu传递故障信息状态，且mcu以周期性的spi帧主结点访问形式的时效性极低，缺乏sbc向mcu在硬件上的实时报错的数据流信号线。

②当mcu端的程序跑飞时，一定程度上“alarm_x->smu->isr->gpio”这条关闭路径上的各模块的软件调用和控制逻辑的正确性也是无法保证的，而且中断服务isr的优先级较高将打断sysmgm对故障的记录保存过程。

③从软件复杂度角度来看，由于mcu受到sbc的复位操作是被动的，软件处理上在同一次软件运行周期内很难来得及诊断和处理spi帧中的sbc故障信息，往往只能在重启运行后读取到mcu端的部分未掉电丢失的alarm_x相关寄存器中的故障信息，从而增加了软件处理的复杂度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能保证mcu与sbc之间实时双向数据交互，

能降低了eps故障处理的软件复杂度，提高eps故障处理速度的的eps控制模块。本发明还提供了一种eps控制系统以及一种eps控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种eps控制模块，该eps控制模块的单片机mcu的安全管理单元smu和系统基础芯片sbc的故障监控单元errormonitor之间增设第一连接硬线s1,单片机mcu的输入输出功能模块gpio和系统基础芯片sbc的安全状态控制单元ssc之间增设第二连接硬线s2。

其中，所述安全管理单元smu发送协议信号至故障监控单元errormonitor，故障监控单元errormonitor具有协议信号监控功能，监控协议信号误差是否小于预设协议信号误差阈值，系统基础芯片sbc对单片机mcu时钟源总线具有监控功能。

当软件运行正常且安全管理单元smu未收集到故障源alarm_x异常信息时，维持输出协议信号；

当软件运行正常或安全管理单元smu收集到故障源alarm_x异常信息时，立即停止输出协议信号。

其中，所述协议信号优选为频率1khz～50khz，占空比5％～95％的方波pwm信号。最优为协议信号为频率是25khz,占空比是50％的方波pwm信号。

当所述协议信号为方波pwm信号时，该方波pwm信号误差阈值如下，频率误差阈值为5％，占空比误差阈值为10％。

进一步改进所述的eps控制模块，故障监控单元errormonitor通过第一连接硬线s1捕获协议信号；如果协议信号连续维持，则识别为实时在线的单片机mcu工作状态正常；如果协议信号停止或丢失，则识别为单片机mcu存在异常的工作状态且不可恢复，立即向安全状态总线ssb传递监控出的异常报警。

其中，安全状态控制单元ssc收到安全状态总线ssb的异常报警信号，则立即发送出第一信号ss1至助力电机逻辑控制电路，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后改变第二连接硬线s2电平状态。

进一步改进所述的eps控制模块，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后将第二连接硬线s2电平状态由高电平变为低电平。第一预设时段为5ms～30ms。优选第一预设时段为20ms。从功能安全角度考虑，增加延时值设计，有效避开了因复位过程中对第二连接硬线s2电平状态的扰动时间区，增强了电控信号正确识别的严谨性。

本发明提供一种利用上述eps控制模块的eps控制系统，该eps控制系统关断助力采用以下步骤：

步骤一：初始化上电运行时，单片机mcu配置安全管理单元smu输出协议信号至其故障引脚errorpin；

步骤二：单片机mcu通过spi通信方式配置故障监控单元errormonitor，监控由故障引脚errorpin输入的协议信号，若系统基础芯片sbc识别到单片机mcu各输出状态均正常则控制保持助力电机工作正常；该识别功能由芯片内部机制实时监控；

步骤三：单片机mcu软件通过spi通信，读取第二连接硬线s2的信号电平，若系统基础芯片sbc各输出状态均正常，控制保持助力电机工作正常；该识别功能由软件任务周期性查询；

步骤四：当故障源alarm_x异常发生或周期性查询模块asr的相应的寄存器故障标志位被置起时，安全管理单元smu立即停发协议信号；

步骤五：系统基础芯片sbc的故障监控单元errormonitor将单片机mcu的故障源异常状态通过安全状态总线ssb传递至安全状态控制单元ssc；

步骤六：安全状态控制单元ssc改变第三连接硬线s3和第四连接硬线rot的电平状态，此时eps系统助力电机输出被硬件路径关断并且mcu及软件处于复位过程；第三连接硬线s3是安全状态控制单元ssc与助力电机逻辑控制电路之间的连接线硬线，第四连接硬线rot是单片机mcu复位模块resetcontrol1和系统基础芯片sbc复位模块resetcontrol2之间的连接线硬线；

步骤七：延时第二预设时段安全状态控制单元ssc改变第二连接硬线s2电平状态，此时单片机mcu及软件处于复位后的重启初始化过程，若输入输出功能模块gpio识别第二连接硬线s2电平状态变化转入故障处理。

其中，步骤六中，第三连接硬线s3和第四连接硬线rot的电平状态均由高电平变为低电平，第二连接硬线s2的电平状态由高电平变为低电平。

步骤七中，第二预设时段为5ms～30ms。优选第二预设时段为20ms。

进一步改进所述的eps控制系统，该eps控制系统故障处理采用以下步骤：

步骤1：重启初始化后，输入输出功能模块gpio若识别第二连接硬线s2电平状态为非正常，则触发系统管理类软件模块sysmgm进入故障善后处理函数分支；

步骤2：系统管理类软件模块sysmgm调用基础软件模块bsw查询周期性查询模块asr中的上次软件运行周期内故障源alarm_x相应的故障标志位信息，从而获得寄存器内具体的错误码信息；

步骤3：系统管理类软件模块sysmgm调用基础软件模块bsw故障记录功能函数，将错误码信息保存到非易失性存储器中，并回读确认是否存储成功后，判断是否向系统管理类软件模块sysmgm反馈存储成功标志；

步骤4：系统管理类软件模块sysmgm根据反馈存储成功标志，判断是否向基础软件模块bsw反馈清除周期性查询模块asr寄存器请求指令；

步骤5：基础软件模块bsw根据反馈的清除asr寄存器请求指令，执行清除周期性查询模块asr寄存器操作。

进一步改进所所述的eps控制系统，步骤1中，第二连接硬线s2电平状态为高电平判断为非正常。

本发明提供一种eps控制方法，包括以下步骤：

1将安全管理单元smu和故障监控单元errormonitor之间建立硬件通信线路,将输入输出功能模块gpio和安全状态控制单元ssc之间建立硬件通信线路；

2发送协议信号至故障监控单元errormonitor，监控协议信号误差是否小于预设协议信号误差阈值，监控单片机mcu时钟源总线；

3当软件运行正常且未收集到故障源alarm_x异常信息时，维持输出协议信号；当软件运行正常或收集到故障源alarm_x异常信息时，立即停止输出协议信号；

4捕获协议信号，如果协议信号连续维持，则识别为实时在线的单片机mcu工作状态正常；如果协议信号停止或丢失，则识别为单片机mcu存在异常的工作状态且不可恢复，立即向安全状态总线ssb传递监控出的异常报警；

5收到安全状态总线ssb的异常报警信号，则立即发送第一信号ss1至助力电机，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后改变输出至输入输出功能模块gpio的电平状态；

其中，所述协议信号为频率1khz～50khz，占空比5％～95％的方波pwm信号。优选协议信号为频率是25khz,占空比是50％的方波pwm信号。

当所述协议信号为方波pwm信号时，该方波pwm信号误差阈值如下，频率误差阈值为5％，占空比误差阈值为10％。

其中，第一预设时段为5ms～30ms，优选第一预设时段为20ms。

其中，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后将第二连接硬线s2电平状态由高电平变为低电平。

进一步改进所述的eps控制方法，该eps控制方法关断助力采用以下步骤：

步骤a：初始化上电运行时，配置安全管理单元smu输出协议信号至其故障引脚errorpin；

步骤b：通过spi通信方式配置故障监控单元errormonitor监控由故障引脚errorpin输入的协议信号，若系统基础芯片sbc识别到单片机mcu各输出状态均正常则控制保持助力电机工作正常；

步骤c：通过spi通信，读取安全状态控制单元ssc输出信号电平，若系统基础芯片sbc各输出状态均正常，控制保持助力电机工作正常；

步骤d：当故障源alarm_x异常发生或周期性查询模块asr的相应的寄存器故障标志位被置起时，安全管理单元smu立即停发协议信号；

步骤e：将单片机mcu的故障源异常状态通过安全状态总线ssb传递至安全状态控制单元ssc；

步骤f：改变安全状态控制单元ssc输出至助力电机逻辑控制电路的电平状态，并且改变安全状态控制单元ssc输出至单片机mcu复位模块resetcontrol1和系统基础芯片sbc复位模块resetcontrol2的电平状态；

步骤g：延时第二预设时段改变安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio的电平状态，单片机mcu及软件处于复位后的重启初始化过程，输入输出功能模块gpio识别电平状态变化转入故障处理。

其中，步骤f中，输出至助力电机逻辑控制电路的电平状态、输出至单片机mcu复位模块resetcontrol1和系统基础芯片sbc复位模块resetcontrol2的电平状态均由高电平变为低电平。

步骤g中，改变输出至输入输出功能模块gpio的电平状态由高电平变为低电平。

其中，第二预设时段为5ms～30ms，优选第二预设时段为20ms。

进一步改进所述的eps控制方法，该eps控制方法故障处理采用以下步骤：

步骤a：重启初始化后，若识别安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio电平状态为非正常，则触发系统管理类软件模块sysmgm进入故障善后处理函数分支；

步骤b：调用上次软件运行周期内故障源alarm_x相应的故障标志位信息，从而获得寄存器内具体的错误码信息；

步骤c：故障记录功能函数，将错误码信息保存到非易失性存储器中，并回读确认是否存储成功后，判断是否反馈存储成功标志；

步骤d：根据反馈存储成功标志，判断是否反馈清除周期性查询模块asr寄存器请求指令；

步骤e：根据反馈的清除寄存器请求指令，执行清除周期性查询模块asr寄存器操作。

其中，步骤a中，安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio电平状态为低电平，则判断为非正常。

本发明硬件架构设计中，mcu与sbc间分别设置符合故障在线监控协议的持续发送的协议方波，频率1khz～50khz，占空比5％～95％，该电气特性需芯片的同步与匹配；sbc端errormonitor设置的协议方波监控功能，应可覆盖smu中预设频率误差5％以内，占空比误差10％，即sbc对mcu时钟源总线也具有监控功能；对于ssc模块的响应机制，ss2电平拉低延时值相对于rot、ss1电平拉低时刻而言，应考虑单片机复位后的启动或唤醒时间，一般为5～30ms，确保程序重新运行后可通过gpio读取到电平变化，且做为进入故障善后处理函数分支进入的重要判断条件；本发明的硬件关闭路径的使用在一定程度上已将中断isr使用率最小化，因此对于sysmgm软件模块而言，除了初始化阶段的故障善后处理方法外，在进入轮循阶段对sbc端和mcu端的轻微故障诊断可分别由周期性通过spi通信方式读取ssc、周期性查询asr寄存器的方法实现故障处理和记录；本发明为了保证mcu重启后故障记录功能的可行性，在mcu选型时应保证支持alarm_x相关寄存器的错误码不受复位过程的影响，存储直至再次软件运行周期内可清除。

本发明进入轮循阶段诊断前的初始化过程，既有对上次软件运行周期内故障源alarm_x故障码记录的确认机制，又有对寄存器内错误码信息的清除机制，有效避免了对新的诊断造成干扰的可能性。本发明在控制逻辑上，保证mcu与sbc间的通信是实时双向的数据交互的实时监控协议，更为严谨。本发明在功能安全上能确保程序跑飞异常时统一由硬件关断路径实现关闭助力的动作，降低了中断响应和故障确认时间，大大缩短系统响应时间的同时增加可靠性。处理故障记录的函数调用与故障时刻相对隔离于前后两次软件运行周期内，对于一般软件处理保存擦写记录较为耗时的操作也转移至mcu重启后的软件运行周期，有效减少了误处理的可能性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1传统的eps系统助力关闭所涉及各电子单元结构示意图。

图2本发明mcu和sbc所涉及各电子单元结构示意图。

图3本发明eps关断助力原理图。

图4本发明eps故障处理的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供的eps控制模块一实施例，该eps控制模块的单片机mcu的安全管理单元smu和系统基础芯片sbc的故障监控单元errormonitor之间增设第一连接硬线s1,单片机mcu的输入输出功能模块gpio和系统基础芯片sbc的安全状态控制单元ssc之间增设第二连接硬线s2。理论上，第一连接硬线s1和第二连接硬线s2上可传递多种信号，将本申请所涉及的信号命名如下：第一连接硬线s1上所传输信号命名为第一信号ss1，第二连接硬线s2上所传输信号命名为第二信号ss2。

所述安全管理单元smu发送协议信号至故障监控单元errormonitor，故障监控单元errormonitor具有协议信号监控功能，监控协议信号误差是否小于预设协议信号误差阈值，系统基础芯片sbc对单片机mcu时钟源总线具有监控功能。

当软件运行正常且安全管理单元smu未收集到故障源alarm_x异常信息时，维持输出协议信号；

当软件运行正常或安全管理单元smu收集到故障源alarm_x异常信息时，立即停止输出协议信号。

所述协议信号优选为频率1khz～50khz，占空比5％～95％的方波pwm信号,理论上存在利用其他信号作为协议信号的可能性。本实施例中，为协议信号为频率是25khz,占空比是50％的方波pwm信号。

当所述协议信号为方波pwm信号时，该方波pwm信号误差阈值如下，频率误差阈值为5％，占空比误差阈值为10％。

所述的eps控制模块，故障监控单元errormonitor通过第一连接硬线s1捕获协议信号；如果协议信号连续维持，则识别为实时在线的单片机mcu工作状态正常；如果协议信号停止或丢失，则识别为单片机mcu存在异常的工作状态且不可恢复，立即向安全状态总线ssb传递监控出的异常报警。

安全状态控制单元ssc收到安全状态总线ssb的异常报警信号，则立即发送出第一信号ss1至助力电机逻辑控制电路，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后将第二连接硬线s2电平状态由高电平变为低电平。第一预设时段为5ms～30ms。本实施例中第一预设时段为20ms。

本发明提供一种利用上述eps控制模块的eps控制系统，该eps控制系统关断助力采用以下步骤：

步骤一：初始化上电运行时，单片机mcu配置安全管理单元smu输出协议信号至其故障引脚errorpin,即发送协议信号至故障监控单元errormonitor；

步骤二：单片机mcu通过spi通信方式配置故障监控单元errormonitor，监控由故障引脚errorpin输入的协议信号，若系统基础芯片sbc识别到单片机mcu各输出状态均正常则控制保持助力电机工作正常；该识别功能由芯片内部机制实时监控；

步骤三：单片机mcu软件通过spi通信，读取第二连接硬线s2的信号电平，若系统基础芯片sbc各输出状态均正常，控制保持助力电机工作正常；该识别功能由软件任务周期性查询；

步骤四：当故障源alarm_x异常发生或周期性查询模块asr的相应的寄存器故障标志位被置起时，安全管理单元smu立即停发协议信号；

步骤五：系统基础芯片sbc的故障监控单元errormonitor将单片机mcu的故障源异常状态通过安全状态总线ssb传递至安全状态控制单元ssc；

步骤六：安全状态控制单元ssc改变第三连接硬线s3和第四连接硬线rot的电平状态，此时eps系统助力电机输出被硬件路径关断并且mcu及软件处于复位过程；第三连接硬线s3是安全状态控制单元ssc与助力电机逻辑控制电路之间的连接线硬线，第四连接硬线rot是单片机mcu复位模块resetcontrol1和系统基础芯片sbc复位模块resetcontrol2之间的连接线硬线；第三连接硬线s3和第四连接硬线rot的电平状态均由高电平变为低电平，第二连接硬线s2的电平状态由高电平变为低电平。

步骤七：延时第二预设时段安全状态控制单元ssc改变第二连接硬线s2电平状态，此时单片机mcu及软件处于复位后的重启初始化过程，若输入输出功能模块gpio识别第二连接硬线s2电平状态变化转入故障处理。第二预设时段为5ms～30ms，本实施例中第二预设时段为20ms。

该eps控制系统故障处理采用以下步骤：

步骤1：重启初始化后，输入输出功能模块gpio若识别第二连接硬线s2电平状态为非正常，则触发系统管理类软件模块sysmgm进入故障善后处理函数分支；第二连接硬线s2电平状态为低电平判断为非正常。

步骤2：系统管理类软件模块sysmgm调用基础软件模块bsw查询周期性查询模块asr中的上次软件运行周期内故障源alarm_x相应的故障标志位信息，从而获得寄存器内具体的错误码信息；

步骤3：系统管理类软件模块sysmgm调用基础软件模块bsw故障记录功能函数，将错误码信息保存到非易失性存储器中，并回读确认是否存储成功后，判断是否向系统管理类软件模块sysmgm反馈存储成功标志；

步骤4：系统管理类软件模块sysmgm根据反馈存储成功标志，判断是否向基础软件模块bsw反馈清除周期性查询模块asr寄存器请求指令；

步骤5：基础软件模块bsw根据反馈的清除asr寄存器请求指令，执行清除周期性查询模块asr寄存器操作。

本发明提供一种eps控制方法，包括以下步骤：

1)将安全管理单元smu和故障监控单元errormonitor之间建立硬件通信线路,将输入输出功能模块gpio和安全状态控制单元ssc之间建立硬件通信线路；

2)发送协议信号至故障监控单元errormonitor，监控协议信号误差是否小于预设协议信号误差阈值，监控单片机mcu时钟源总线；

3)当软件运行正常且未收集到故障源alarm_x异常信息时，维持输出协议信号；当软件运行正常或收集到故障源alarm_x异常信息时，立即停止输出协议信号；

4)捕获协议信号，如果协议信号连续维持，则识别为实时在线的单片机mcu工作状态正常；如果协议信号停止或丢失，则识别为单片机mcu存在异常的工作状态且不可恢复，立即向安全状态总线ssb传递监控出的异常报警；

5)收到安全状态总线ssb的异常报警信号，则立即发送第一信号ss1至助力电机，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后改变输出至输入输出功能模块gpio的电平状态；第一预设时段为5ms～30ms，本实施例中第一预设时段为20ms。

其中，所述协议信号为频率1khz～50khz，占空比5％～95％的方波pwm信号。本实施中，协议信号为频率是25khz,占空比是50％的方波pwm信号。

当所述协议信号为方波pwm信号时，该方波pwm信号误差阈值如下，频率误差阈值为5％，占空比误差阈值为10％。

其中，安全状态控制单元ssc延时第一预设时段后将第二连接硬线s2电平状态由高电平变为低电平。

该eps控制方法关断助力采用以下步骤：

步骤a：初始化上电运行时，配置安全管理单元smu输出协议信号至其故障引脚errorpin；

步骤b：通过spi通信方式配置故障监控单元errormonitor监控由故障引脚errorpin输入的协议信号，若系统基础芯片sbc识别到单片机mcu各输出状态均正常则控制保持助力电机工作正常；

步骤c：通过spi通信，读取安全状态控制单元ssc输出信号电平，若系统基础芯片sbc各输出状态均正常，控制保持助力电机工作正常；

步骤d：当故障源alarm_x异常发生或周期性查询模块asr的相应的寄存器故障标志位被置起时，安全管理单元smu立即停发协议信号；

步骤e：系统基础芯片sbc端errormonitor根据协议信号停发事件，将单片机mcu的故障源异常状态通过安全状态总线ssb传递至安全状态控制单元ssc；

步骤f：改变安全状态控制单元ssc输出至助力电机逻辑控制电路的电平状态，并且同时通过安全状态总线ssb总线改变复位模块resetcontrol2和输出至单片机mcu复位模块resetcontrol1的电平状态；输出至助力电机逻辑控制电路的电平状态、输出至单片机mcu复位模块resetcontrol1和系统基础芯片sbc复位模块resetcontrol2的电平状态均由高电平变为低电平。

步骤g：延时第二预设时段改变安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio的电平状态，单片机mcu及软件处于复位后的重启初始化过程，输入输出功能模块gpio识别电平状态变化转入故障处理。第二预设时段为5ms～30ms，本实施例中第二预设时段为20ms，改变输出至输入输出功能模块gpio的电平状态由高电平变为低电平。

该eps控制方法故障处理采用以下步骤：

步骤a：重启初始化后，若识别安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio电平状态为非正常，则触发系统管理类软件模块sysmgm进入故障善后处理函数分支；

步骤b：调用上次软件运行周期内故障源alarm_x相应的故障标志位信息，从而获得寄存器内具体的错误码信息；

步骤c：故障记录功能函数，将错误码信息保存到非易失性存储器中，并回读确认是否存储成功后，判断是否反馈存储成功标志；

步骤d：根据反馈存储成功标志，判断是否反馈清除周期性查询模块asr寄存器请求指令；

步骤e：根据反馈的清除寄存器请求指令，执行清除周期性查询模块asr寄存器操作。

其中，步骤a中，安全状态控制单元ssc输出至输入输出功能模块gpio电平状态为低电平，则判断为非正常。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。