专利名称：一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种电动助力转向系统控制方法，属于汽车底盘电子控制技术领域，尤其涉及一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法。
背景技术：
汽车电动助力转向系统(Electronic Power Steering简称EPS)是一种机电一体控制系统，相比传统液压助力转向系统不需要液压泵、不需要液压管路和液压油；液压式助力转向器的液压泵需要一直工作，电动助力转向器电机只有在需要转向助力情况下才工作节省了能源。电动助力转向系统可实现随车速提供助力，根据控制策略提供不同的助力使得驾驶手感好、驾驶操纵轻便。电动助力转向器的控制系统是控制电机工作的核心，控制器的可靠稳定工作成为了转向系统安全稳定可靠的关键。专利CN101308383B《一种电动助力转向控制方法和系统》采用双MCU来保证控制器的安全可靠性，由主MCU工作从MCU对其进行监控，当检测到主MCU出现故障时，停止主MCU工作，由从MCU进行工作，采用这种方法从一定程度上面提高了系统的可靠性，但增加了产品的成本，增加了电路和控制难度。专利CN100478694C介绍的发动机信号检测和车速信号检测的方法，但是最终基于单片机输出高低电平和内部逻辑判断与计算，当出现故障时不能独立于ECU进行保护操作。其主要问题集中在以下方面:电动助力转向系统，由扭矩传感器检测驾驶员操纵方向盘转动的方向和扭矩，扭矩信号经过外围处理电路进行分压滤波等处理后输入到微处理器。发动机信号、车速信号、电流检测信号等完全依赖于微处理器的运算处理，当出现故障时信号经过输入微处理器内部A/D检测以及I/O 口进行判断，由微处理器输出保护控制信号。故障信号从发生到检测，再经过处理判断与控制需要一个过程，这一短暂的处理时间对于行驶中的汽车至关重要，如果微处理器发生故障，则控制器的故障保护功能将全部失效。当汽车行驶时控制系统部分模块发生故障时直接切断助力，会影响到汽车驾驶的稳定性和安全性。
发明内容
本发明旨在针对背景技术中存在的不足，而提出的基于冗余控制策略不完全依赖ECU微处理器，具有容错控制功能的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法。一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，由扭矩信号处理模块、电机监控模块、发动机信号检测模块、车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块组成，车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、H桥驱动电路控制模块、电机监控模块和继电器控制模块依次线路连接，扭矩信号处理模块、ECU微处理器和发动机信号检测模块均与继电器控制模块线路连接，扭矩信号处理模块、电机监控模块和发动机信号检测模块均连接至E⑶微处理器，E⑶微处理器、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块依次线路连接。作为本发明的进一步改进，所述的扭矩信号处理模块包括信号检测滤波电路和信号监控与保护电路。
作为本发明的进一步改进，所述的电机监控模块包括电流检测模块、电流信号故障检测保护电路和电机线路故障检测保护电路。作为本发明的进一步改进，发动机信号检测模块包括发动机信号处理电路和信号判断与保护电路。作为本发明的进一步改进，E⑶微处理器包括容错控制模块。本发明公开了一种新型汽车电动助力转向容错控制方法，当转动方向盘进行转向操作时，扭矩信号处理模块将检测到的信号通过信号监控与保护电路输入至继电器控制模块，另一路扭矩信号经过信号检测滤波电路输入至ECU微处理器；车速信号检测模块将检测到的车速信号输入至ECU微处理器，ECU微处理器根据扭矩信号和车速信号计算出控制逻辑信号分别输入至逻辑驱动电路和继电器控制模块；逻辑驱动电路将信号依次输入至H桥驱动电路控制模块和电机监控模块，电流经过电机监控模块中的电流检测模块输入至ECU微处理器；ECU微处理器根据电机电流检测模块的反馈电流信号与扭矩信号处理模块及车速信号检测模块进行控制运算，输出对应的助力控制信号；当车速信号检测模块或电机电流信号检测模块出现故障时，ECU微处理器通过容错控制模块采用容错控制模式同时报警。作为本发明的进一步改进，扭矩信号处理模块中的信号监控与保护电路由逻辑电路与电压比较电路信号组成，主辅路扭矩信号经过比较判断方向盘的转动方向与微处理器输出控制电机方向进行故障检测与保护操作，同时对主辅路扭矩信号进行故障诊断，检测主辅路电压是否超过阈值，超出阈值后进行保护控制。作为本发明的进一步改进，电机监控模块是由电流检测电路和电机线路故障检测电路组成，当电机无助力操作时由监控电路进行诊断并控制保护电路继电器，当助力时由电流检测电路反馈电机状态进行保护控制。作为本发明的进一步改进，所述的容错控制模块，当控制器出现可以容忍的部分故障时，转为容错保护控制模式，并由ECU微处理器直接根据扭矩信号经过容错模式运算后直接控制电机助力。传统液压助力转向系统耗能，污染环境、驾驶手感受限不能随速调节等弊端，而电动助力转向系统由电机代替液压泵随速按需提供助力具有节能环保驾驶手感好等特点。电动助力转向器控制系统是实现各种助力效果的核心部分。控制器的可靠稳定运行性能关系到整个汽车驾驶系统的安全稳定性。为提高控制器的安全可靠性，本发明采用了冗余信号处理功能的检测保护模块与容错控制方法，当控制器出现部分故障时，微处理器通过容错控制可保证一定的助力功能保持驾驶稳定性，故障检测与保护不完全依赖于ECU，可以为微处理器节约运算时间，提高控制精度和效率，故本发明可以提高控制系统的可靠性和稳定性对汽车安全稳定驾驶具有重要的作用。
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图1是本发明汽车电动助力转向器控制系统结构框 图2是电流检测模块原理示意 图3是本发明扭矩信号阈值比较处理模块原理示意 图4是本发明扭矩主辅路信号比较模块原理示意 图5是本发明电机方向控制故障检测诊断控制模块原理示意图； 图6是发动机信号检测模块原理示意 图7是本发明发动机信号与车速信号故障检测诊断模块原理结构 图8是本发明故障诊断继电器保护控制模块原理示意 图9是电机线路检测及电机故障诊断电路原理示意 图10、图11是容错控制模块控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图1-11对本发明的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法，做进一步说明:
本发明公开了一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，是由扭矩信号处理模块、电机监控模块、发动机信号检测模块、车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块组成，车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、H桥驱动电路控制模块、电机监控模块和继电器控制模块依次线路连接，扭矩信号处理模块、ECU微处理器和发动机信号检测模块均与继电器控制模块线路连接，扭矩信号处理模块、电机监控模块和发动机信号检测模块均连接至E⑶微处理器，E⑶微处理器、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块依次线路连接。所述的扭矩信号处理模块包括信号检测滤波电路和信号监控与保护电路。所述的电机监控模块包括电流检测模块、电流信号故障检测保护电路和电机线路故障检测保护电路。发动机信号检测模块包括发动机信号处理电路和信号判断与保护电路。E⑶微处理器包括容错控制模块。本发明是一种新型汽车电动助力转向容错控制方法:当转动方向盘进行转向操作时，扭矩信号处理模块将检测到的信号通过信号监控与保护电路输入至继电器控制模块，另一路扭矩信号经过信号检测滤波电路输入至ECU微处理器；车速信号检测模块将检测到的车速信号输入至ECU微处理器，ECU微处理器根据扭矩信号和车速信号计算出控制逻辑信号分别输入至逻辑驱动电路和继电器控制模块；逻辑驱动电路将信号依次输入至H桥驱动电路控制模块和电机监控模块，电机电流经过电机监控模块中的电流检测模块处理后输入至E⑶微处理器出⑶微处理器根据电机电流检测模块的反馈电流信号与扭矩信号处理模块及车速信号检测模块进行控制运算，输出对应的助力控制信号；当车速信号检测模块或电机电流信号检测模块出现故障时，ECU微处理器通过容错控制模块采用容错控制模式同时输出报警信号。以图1为例，对其进行控制方法做具体说明:主要包括扭矩信号处理模块、电机监控模块、发动机信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、继电器控制模块、H桥电机驱动控制电路模块组成。扭矩传感器信号处理模块将方向盘的扭矩处理后，通过信号监控与保护电路与继电器控制模块连接，同时另一路扭矩信号经信号滤波电路调理与微处理器连接。车速信号处理模块将车速信号进行滤波调理后与微处理器相连接。发动机信号经过信号处理模块一路与微处理器连接、另外一路与继电器控制模块连接。微处理器根据扭矩信号和车速信号计算出需要助力的方向和扭矩值，并输出逻辑控制信号与逻辑驱动电路连接，微处理器故障诊断与继电器控制模块连接。电机控制信号经过逻辑驱动电路进行逻辑计算后与H桥电机驱动电路控制模块相连，H桥电机驱动电路控制模块将控制信号进行驱动放大后控制H桥从而控制电机助力。H桥电机驱动电路控制模块与电机监控模块连接，电机驱动助力电流经过电流检测电路，将电流值转换为可以检测的信号，信号进入电机监控模块经过放大滤波后与微处理器的输入端连接。微处理器根据电流检测模块(如图2所示)的反馈电流信号与扭矩信号处理模块的扭矩信号及车速信号进行控制运算输出对应的助力控制。当车速信号或电流检测模块出现故障时，微处理器采用容错控制模式同时输出报警信号。扭矩信号处理模块中的信号监控与保护电路由逻辑电路与电压比较电路信号组成，主辅路扭矩信号经过比较判断方向盘的转动方向与微处理器输出控制电机方向进行故障检测与保护操作，同时对主辅路扭矩信号进行故障诊断，检测主辅路电压是否超过阈值，超出阈值后进行保护控制。如图3所示，扭矩主辅路信号均采用图3所示电路。主辅路信号输入到双限比较器中，信号经过电阻R4进入运算放大器Al的正向输入端3脚，反向输入端2脚接经过分压处理后的阈值区间的下限值。同一路的扭矩信号经过电阻R7后与运算放大器的A2的反向输入端连接，A2的正向输入端接经过分压电路处理后的阈值区间的上限值。经过双限比较器处理后的信号可以对扭矩传感器信号进行检测同时判断电路线路是否发生故障。扭矩信号主辅路N1、N2经过差分比较电路，如图4所示，分别输入运算放大器A的正反向输入端，经过比较后输出高低电平代表电机的旋转方向，同时输出的方向信号与微处理器4输出的驱动方向信号进行与运算，判断结果相同则开启驱动继电器否则关闭驱动电源并进行故障检测，如图5所示，电机旋向比较判断逻辑电路图。上述的发动机信号检测模块如图6所示，包括信号调理与诊断电路，根据脉冲信号转换模拟电压信号原理，利用发动机传感器输出的脉冲频率信号转换为模拟电压信号，将发动机信号输出电压与阈值进行比较，超过阈值后则进行故障保护操作关闭继电器保护汽车电源。具体是将发动机转速传感器输出信号，一路经过滤波调理后输入到微处理器4的脉冲信号捕获输入端，另外一路信号进入数模转换电路，如图7所示，发动机信号由输入端IN进入，电容C3和二极管Dl以及二极管D2将脉冲信号转换为模拟电压，经电容C4、C1和二极管D3、D4将电压信号放大，最终电压信号经过滤波后从升压模块的OUT端输出。发动机信号经过脉冲信号转换为模拟电压信号，该信号直接与继电器控制模块的输入端相连。如图8所示，为继电器控制电路图，控制信号经与门Ul后通过三极管Ql的开关控制继电器Kl开关。上述电机监控模块，是由电流检测电路和电机线路故障检测电路组成，当电机无助力操作时由监控电路进行诊断并控制保护电路继电器，当助力时由电流检测电路反馈电机状态进行保护控制。如图9所示，为电机线路故障诊断电路。诊断电路IN端输入高电平，三极管Ql、Q2导通，电机Ml、电源P1、电阻Rl和光耦Ul组成的闭合检测回路，OUT输出高低电平判断电机线路以及电机是否发生故障，当运行时通过电流信号与扭矩信号进行诊断电机线路及电机是否出现故障。容错控制模块，当控制器出现可以容忍的部分故障时，转换为容错保护控制模式，并由ECU微处理器直接根据扭矩信号经过运算后直接控制电机助力，如图示10、图11所示，上述容错控制实现方法为，当汽车行驶过程中控制器检测到例如发动机信号故障、车速信号故障及电流检测模块故障等可容忍故障时，控制策略自动切换到容错控制方式，控制器以预先设定好的助力增益进行转向助力控制，这时只能实现基本的轻便助力，防止突然失去助力影响行车安全，保证驾驶的安全稳定性，同时输出故障报警信号。
权利要求
1.一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，其特征在于是由扭矩信号处理模块、电机监控模块、发动机信号检测模块、车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块组成，车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、H桥驱动电路控制模块、电机监控模块和继电器控制模块依次线路连接，扭矩信号处理模块、ECU微处理器和发动机信号检测模块均与继电器控制模块线路连接，扭矩信号处理模块、电机监控模块和发动机信号检测模块均连接至E⑶微处理器，E⑶微处理器、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块依次线路连接。
2.如权利要求1所述的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，其特征在于所述的扭矩信号处理模块包括信号检测滤波电路和信号监控与保护电路。
3.如权利要求1所述的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，其特征在于所述的电机监控模块包括电流检测模块、电流信号故障检测保护电路和电机线路故障检测保护电路。
4.如权利要求1所述的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，其特征在于发动机信号检测模块包括发动机信号处理电路和信号判断与保护电路。
5.如权利要求1所述的一种新型汽车电动助力转向容错控制装置，其特征在于ECU微处理器包括容错控制模块。
6.一种新型汽车电动助力转向容错控制方法，其特征在于当转动方向盘进行转向操作时，扭矩信号处理模块将检测到的信号通过信号监控与保护电路输入至继电器控制模块，另一路扭矩信号经过信号检测滤波电路输入至ECU微处理器；车速信号检测模块将检测到的车速信号输入至ECU微处理器，ECU微处理器根据扭矩信号和车速信号计算出控制逻辑信号分别输入至逻辑驱动电路和继电器控制模块；逻辑驱动电路将信号依次输入至H桥驱动电路控制模块和电机监控模块，电机电流经过电机监控模块中的电流检测模块处理后输入至E⑶微处理器出⑶微处理器根据电机电流检测模块的反馈电流信号与扭矩信号处理模块及车速信号检测模块进行控制运算，输出对应的助力控制信号；当车速信号检测模块或电机电流信号检测模块出现故障时，ECU微处理器通过容错控制模块采用容错控制模式同时输出报警信号。
7.根据权利要求6所述一种新型汽车电动助力转向容错控制方法，其特征在于扭矩信号处理模块中的信号监控与保护电路由逻辑电路与电压比较电路信号组成，主辅路扭矩信号经过比较判断方向盘的转动方向与微处理器输出控制电机方向进行故障检测与保护操作，同时对主辅路扭矩信号进行故障诊断，检测主辅路电压是否超过阈值，超出阈值后进行保护控制。
8.根据权利要求6所述一种新型汽车电动助力转向容错控制方法，其特征在于电机监控模块是由电流检测电路和电机线路故障检测电路组成，当电机无助力操作时由监控电路进行诊断并控制保护电路继电器，当助力时由电流检测电路反馈电机状态进行保护控制。
9.根据权利要求6所述一种新型汽车电动助力转向容错控制方法，其特征在于容错控制模块，当控制器出现可以容忍的部分故障时，转为容错保护控制模式，并由ECU微处理器根据扭矩信号经过运算后直接控制电机助力。
全文摘要
本发明公开了一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法，属于汽车底盘电子控制技术领域，是由扭矩信号处理模块、电机监控模块、发动机信号检测模块、车速信号检测模块、ECU微处理器、逻辑驱动电路、继电器控制模块和H桥驱动电路控制模块组成，本发明是一种新型汽车电动助力转向容错控制装置及方法，所述的ECU信号监控诊断模块包括扭矩传感器的信号电压状态监控，可以实现扭矩传感器信号故障、信号电压阈值、扭矩传感器主辅路信号差异判断、以及扭矩传感器与电机电流关系等故障地诊断与保护，可实现容错控制确保汽车安全稳定驾驶，控制器不完全依赖于ECU，可以为微处理器节约运算时间，提高控制精度和效率。
文档编号B62D127/00GK103112495SQ201310040460
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月2日 优先权日2013年2月2日
发明者郭永丰, 陈兰, 马鑫磊, 施平, 王广林, 韦东波, 申佐文, 胡淼, 彭秋菊 申请人:哈尔滨工业大学