程梁 劉鵬 崔興龍

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司 上海市 201821）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是一種在驅(qū)動電機的幫助下配合駕駛員實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動作的系統(tǒng)。EPS 作為汽車底盤的重要部件，直接影響著車輛行駛時的安全性和可靠性。智能駕駛技術(shù)在近幾年發(fā)展迅猛，整車廠對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求逐步提高，如何確保車輛在智能駕駛狀況下能安全應(yīng)對各種突發(fā)狀況是未來汽車發(fā)展的熱點問題之一。

1 引言

出于安全性保障，目前在高等級智能駕駛方案中，冗余設(shè)計已貫穿在汽車設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。冗余，即為了提升系統(tǒng)可靠性，重復(fù)配置兩套部件或機能。智能駕駛的前提是安全性因而冗余設(shè)計必不可少，即使在行駛過程中其中一套系統(tǒng)突發(fā)故障，另外一套系統(tǒng)也能實現(xiàn)基本功能，以確保行駛安全。冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計雖然導(dǎo)致了成本有所增加，但行駛安全是車輛設(shè)計的前提，在目前智能駕駛不斷普及、硬件可靠性提升較為困難的情形下，采用冗余設(shè)計思路是主流發(fā)展方向之一[1]。

雙冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從控制領(lǐng)域來看，實際上是并行的兩套完全一致的獨立控制系統(tǒng)，包含電源、傳感器和執(zhí)行部件等，如圖1 所示。正常狀態(tài)下，兩套系統(tǒng)同時工作，各輸出50%的需求轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力，若系統(tǒng)中某一部件出現(xiàn)故障，另一套系統(tǒng)仍完整獨立，能繼續(xù)提供部分助力，從而避免完全無助力的情況。兩套系統(tǒng)之間會協(xié)同調(diào)控，但不存在相互干涉的問題，保證了兩套控制系統(tǒng)的相對獨立性。

狀態(tài)機是表示有限種狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間相互跳轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型，其主要作用是描述對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應(yīng)來自外界的各種事件[2]。在計算機科學(xué)中，狀態(tài)機被廣泛用于建模應(yīng)用行為、硬件電路系統(tǒng)設(shè)計、軟件工程，編譯器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、和計算與語言的研究[3]。EPS 作為汽車底盤的重要安全部件，軟件設(shè)計復(fù)雜，隨著性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)機不能完全滿足要求。雙冗余系統(tǒng)狀態(tài)機可以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整個生命周期，提升轉(zhuǎn)向舒適性、優(yōu)化駕駛感受，在檢測到嚴(yán)重故障時能主動關(guān)閉系統(tǒng)切斷轉(zhuǎn)矩輸出，保護乘員安全和延長系統(tǒng)硬件壽命；在無轉(zhuǎn)向需求時能及時進入休眠狀態(tài)，防止車載蓄電池過度消耗，提升車輛的續(xù)航里程，增加產(chǎn)品競爭力。

2 傳統(tǒng)狀態(tài)機

如圖2 所示，傳統(tǒng)狀態(tài)機有以下幾種狀態(tài)：初始化狀態(tài)、錯誤狀態(tài)、正常狀態(tài)（助力提升和助力降低）、預(yù)退出狀態(tài)和退出狀態(tài)。成功上電后系統(tǒng)通過進行初始化完成必要的硬件和軟件激活。初始化成功后，系統(tǒng)進入正常狀態(tài)，此模式下分為助力提升和助力降低兩種狀態(tài)，車輛在正常行駛時，系統(tǒng)會根據(jù)實際工況逐步提升助力轉(zhuǎn)矩，由于車輛進行原地轉(zhuǎn)向時阻力較大，系統(tǒng)會快速增加助力轉(zhuǎn)矩。在正常狀態(tài)或者初始化狀態(tài)下，若系統(tǒng)檢測到錯誤后，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)到錯誤狀態(tài)并切斷轉(zhuǎn)矩輸出。當(dāng)系統(tǒng)需要關(guān)閉時會切換到預(yù)退出狀態(tài)，在接收到硬件下電請求后系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到退出狀態(tài)。

傳統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)機沒有被單獨封裝，許多接口與不同的軟件組件相互關(guān)聯(lián)，如看門狗、轉(zhuǎn)子位置傳感器等，會激活一些不必要的模塊而增加功耗。在正常狀態(tài)下，即使客戶需要更多不同的狀態(tài)，也只能用助力提升和助力降低兩種狀態(tài)進行表示，沒有進一步的細分。面對更精確的控制以及能耗要求，傳統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)機已無法滿足整車廠的設(shè)計要求。

3 改進型狀態(tài)機

為滿足整車廠對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計了如圖3 所示的系統(tǒng)狀態(tài)機。其包含以下幾種狀態(tài)，ECU初始化狀態(tài)、軟件初始化狀態(tài)、正常狀態(tài)、產(chǎn)線狀態(tài)、故障狀態(tài)、重置狀態(tài)、錯誤狀態(tài)和應(yīng)用關(guān)閉狀態(tài)。

圖1：雙冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖2：傳統(tǒng)狀態(tài)機

圖3：改進型系統(tǒng)狀態(tài)機

ECU 初始化是系統(tǒng)啟動后狀態(tài)機模塊的第一個狀態(tài)，此狀態(tài)主要用于等待硬件庫和基礎(chǔ)軟件的初始化。如果系統(tǒng)需要像轉(zhuǎn)向角一樣通過通信總線發(fā)送信號，則可以在所有需要的信號都可用后立即執(zhí)行此操作。

在軟件初始化狀態(tài)下所有傳感器和執(zhí)行器都已完全初始化，并且應(yīng)用程序的接口也已成功激活。應(yīng)用程序會調(diào)用相關(guān)應(yīng)用程序組件的初始化函數(shù)，以此實現(xiàn)內(nèi)部狀態(tài)機的初始化。初始化狀態(tài)和初始化函數(shù)可以實現(xiàn)在不重置系統(tǒng)的情況下重新啟動應(yīng)用程序或部分應(yīng)用程序，以此提升軟件響應(yīng)速度和故障處理能力，也為以后代碼的優(yōu)化提供了必要基礎(chǔ)。

參照客戶需求，在正常狀態(tài)下 EPS 能夠根據(jù)系統(tǒng)計算的轉(zhuǎn)矩要求提供對應(yīng)的助力輸出。當(dāng)處在故障狀態(tài)下，系統(tǒng)會根據(jù)檢測到的故障嚴(yán)重程度，通過調(diào)用相應(yīng)的助力降低函數(shù)來減少助力輸出比例。如果需要針對不同類型的故障而采取特殊措施，如單獨降低助力級別，則需要在助力控制模塊中進行處理。

產(chǎn)線狀態(tài)是一種特殊的狀態(tài)，此狀態(tài)只能在生產(chǎn)過程中使用而不能用于測試，也不能在整車上進行相關(guān)試驗。在這種狀態(tài)下EPS所能提供的各種功能與生產(chǎn)需求相同。 相比正常的狀態(tài)，將有不同的助力曲線用于助力輸出，診斷事件管理器的配置也會有所不同。

圖4：整體框架設(shè)計

圖5：停機許可邏輯

圖6：雙ECU 內(nèi)部通訊

如果進入到重置狀態(tài)，則EPS 必須執(zhí)行重置或關(guān)閉動作。 此時系統(tǒng)會自動記錄與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)并在ECU 模塊中完成硬件庫關(guān)閉請求。應(yīng)用關(guān)閉狀態(tài)是一個過程狀態(tài)，在這種狀態(tài)下不會進行其他操作，僅僅表示應(yīng)用程序已完全關(guān)閉。

4 整體框架設(shè)計

為實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)順利切換，還需要其他組件進行協(xié)助，以此共同完成相關(guān)操作，整體框架如圖4 所示。

系統(tǒng)狀態(tài)機模塊可協(xié)調(diào)一個完整的生命周期并在發(fā)生嚴(yán)重錯誤時進行停機處理。系統(tǒng)狀態(tài)機模塊控制任務(wù)列表在不同的ECU 狀態(tài)中切換對應(yīng)狀態(tài)。同時系統(tǒng)狀態(tài)機模塊不再控制助力輸出，而是由新增助力控制模塊進行處理。點火信號模塊會檢測停機條件并通過調(diào)用停機協(xié)助模塊來請求關(guān)閉系統(tǒng)。

助力控制模塊主要用于根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)控制系統(tǒng)的扭矩輸出。 它檢查ECU 狀態(tài)和系統(tǒng)的整體狀態(tài)，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輛速度、點火信號等，并啟用或禁用輸出級別并且通過牽引力控制系統(tǒng)實現(xiàn)扭矩輸出。此模塊可以根據(jù)不同車速和請求，選用對應(yīng)助力曲線。比如某日系車企要求在巡航模式下，盡可能的關(guān)閉內(nèi)燃機或氣缸以節(jié)省燃料，此時需要限制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電流輸出，在睡眠模式時電流輸出也需要被限制；某美系車企要求若發(fā)生特殊的故障，需要根據(jù)故障等級減小助力大小，比如其中一個扭矩傳感器出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)實際輸出助力為需求助力的50%。

將助力控制模塊單獨分離，可以很好的滿足不同客戶的定制需求，避免反復(fù)更改系統(tǒng)狀態(tài)機模型，大大縮短了開發(fā)周期。

客戶定制狀態(tài)模塊包含客戶特定的ECU 狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)進行切換時，此模塊為整車廠的特定功能提供一些選項。

由于閃存、關(guān)機、重置、企業(yè)服務(wù)總線鎖定等原因，停機協(xié)助模塊可用于發(fā)出系統(tǒng)關(guān)機請求。除了客戶端調(diào)用關(guān)閉請求外，后續(xù)所有步驟將自動執(zhí)行。停機協(xié)助模塊會對所有關(guān)閉請求進行優(yōu)先級排序，并將最重要的請求發(fā)送到系統(tǒng)狀態(tài)機模塊和助力控制模塊。

停機許可模塊會檢查當(dāng)前各種條件，如車速和轉(zhuǎn)矩傳感器輸出數(shù)值，以確定是否允許關(guān)閉助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。檢查當(dāng)前駕駛情況下是否允許停機，并將許可標(biāo)志發(fā)送到助力控制模塊，如圖5 所示。為防止意外停機導(dǎo)致助力突然消失，影響行駛安全，只有存在停機請求并且停機許可申請通過，系統(tǒng)才會執(zhí)行停機操作。

兩套冗余的系統(tǒng)除了相互獨立提供助力外，還會進行必要的內(nèi)部通訊，以應(yīng)對各種突發(fā)工況。為了使兩個ECU 之間的功能同步，需要共享的數(shù)據(jù)使用串行外設(shè)接口（SPI）進行通訊，無需實時同步的數(shù)據(jù)則使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）進行傳輸，其內(nèi)部通訊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

改進型狀態(tài)機將系統(tǒng)狀態(tài)進行拆分處理并且將EPS 應(yīng)用程序也設(shè)計成單獨的模塊。為提升通用部件的利用率，將通用狀態(tài)處理和客戶特定狀態(tài)處理分開。針對不同的系統(tǒng)架構(gòu)以及客戶特殊需求，可以定制不同的故障處理策略，系統(tǒng)會根據(jù)既定的各種故障狀態(tài)，執(zhí)行相對應(yīng)的動作，防止系統(tǒng)進行不必要的重置和關(guān)閉。同時新設(shè)計的系統(tǒng)狀態(tài)機可以支持雙冗余的ECU 系統(tǒng)及相關(guān)控制策略。

5 結(jié)語

系統(tǒng)狀態(tài)機作為雙冗余電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的決策模塊，在應(yīng)對各種工況時起著至關(guān)重要的作用。本文在傳統(tǒng)狀態(tài)機的基礎(chǔ)上，根據(jù)雙冗余設(shè)計的思路，設(shè)計了改進型的系統(tǒng)狀態(tài)機，并將助力控制模塊進行獨立設(shè)計，以應(yīng)對客戶的各種定制化需求，為配合系統(tǒng)狀態(tài)機能夠順利運轉(zhuǎn)，完成了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，為實現(xiàn)雙ECU 功能同步，設(shè)計了內(nèi)部通訊。隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，滿足深度智能駕駛功能安全要求的冗余電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將逐步普及，雙冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計方案也將隨之改進，實現(xiàn)成本和性能平衡。