于 偉

（海拉（上海）管理有限公司，上海 200001）

0 引言

隨著社會科技和生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成熟并普及到人們的日常生活。近年來，人工智能技術有了飛躍式發(fā)展，將智能技術和汽車工業(yè)相結合的產(chǎn)業(yè)即自動駕駛車輛的開發(fā)如火如荼。自動駕駛技術不僅可以克服司機駕駛技術差、長途長距離開車疲累造成的交通事故，而且能實現(xiàn)車輛自動按照法律法規(guī)要求通行，按照某種層面的統(tǒng)一秩序來提高通行效率，進而提高整個社會效益。

轉向系統(tǒng)是車輛必備的三大系統(tǒng)之一，是實現(xiàn)自動駕駛的核心。自動駕駛技術因為減少了司機的參與，甚至沒有人工的干預，對系統(tǒng)的健壯性和安全性提出了更高的要求，如表1所示。

表1 自動駕駛等級劃分對轉向系統(tǒng)的要求

美國汽車工程師協(xié)會（SAE）依據(jù)失效率fit（Failureinstance/time）的大小，將自動輔助駕駛從低到高分為L1～L5共五個等級。劃分等級的依據(jù)如下：定義1 000套轉向系統(tǒng)運行1 h出現(xiàn)了1次突然失去助力的失效為1 fit。一般情況下，L2的fit值要大于100，L3的fit值為10，L4/L5的fit值為1。要實現(xiàn)公路上的自動駕駛，系統(tǒng)至少需要滿足L3的安全等級，失效率達到10 fit，和飛機的失效率相當；當整車和系統(tǒng)達到了L4或L5的安全等級后，車輛就完全實現(xiàn)了在全路段、全天候下的自動駕駛。針對公路上實現(xiàn)自動駕駛最低要求的L3安全等級，轉向系統(tǒng)EPS在發(fā)生單點或有限多點失效時必須仍是安全的，這是當下需要解決的問題[1]。

解決這個問題最簡單的方案是使用兩套EPS系統(tǒng)獨立工作，當檢測到一套系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或者故障時，另一套系統(tǒng)能在預設的較短時間內全面接管工作。但這種方案存在顯而易見的缺陷：（1）成本高，甚至高于2倍的單個系統(tǒng)的價格；（2）體積更大，甚至在物理結構上無法實現(xiàn)；（3）兩套系統(tǒng)間的切換需要時間響應的策略，否則會發(fā)生指令沖突，導致整個系統(tǒng)無法工作。

舉例說明：當主系統(tǒng)的某個零件或子模塊發(fā)生故障時，主系統(tǒng)需要由控制器（MCU）對檢測到的故障信息進行確認，只有在有效確認是故障并且將故障對應到故障類型和危害等級后，保存故障代碼，啟動獨立的仲裁程序，向備用系統(tǒng)發(fā)送啟動申請，傳遞工況信息后，備用系統(tǒng)才能接管工作。實驗經(jīng)驗證明，這個流程在10 ms內完成才是安全可行的，以車速為120 km/h計，10 ms行駛的距離為0.333 m。因此，從技術角度講，設計兩套系統(tǒng)，當主系統(tǒng)發(fā)生故障時由備用系統(tǒng)接管幾乎是難以實現(xiàn)的。

本文提出了“全冗余”設計的概念以應對自動駕駛的需求，轉向系統(tǒng)不僅要滿足整車的轉向電氣功能和性能，更重要的是滿足功能安全ASIL-D的要求，如表2所示。作為車輛三大系統(tǒng)之一的轉向系統(tǒng)，必須做全冗余設計，才能滿足自動駕駛高層級的需求。

表2 功能安全對轉向系統(tǒng)的要求

轉向系統(tǒng)中，除了控制器、機械結構件和機械執(zhí)行件外，就是轉向傳感器了。轉向傳感器作為轉向系統(tǒng)的核心電子器件，必然要滿足轉向系統(tǒng)的功能安全要求，因此轉向傳感器必須是全冗余架構。本文從轉向傳感器的結構、測量原理和全冗余架構的實現(xiàn)方式三個方面進行闡述。

1 轉向傳感器的結構

轉向系統(tǒng)的基本結構如圖1所示，其所有基本控制模塊，輸入要么需要方向盤力矩信號，要么需要方向盤轉角信號（方向盤轉速通過轉角信號計算得到），這兩個信號是通過轉向傳感器來獲取的。

圖1 轉向系統(tǒng)結構示意圖

本文所述轉向傳感器能夠測量方向盤連接的輸入軸和與執(zhí)行結構連接的輸出軸之間的扭矩以及輸入軸的絕對角度。轉向傳感器結構示意圖如圖2所示，轉向傳感器除殼體塑料件外，主要由兩部分組成：扭矩測量部分（含輸入軸轉子、輸出軸轉子）和角度測量部分用的磁齒輪，這兩部分共用同一塊PCB板，完成信號的采集、處理和電信號的輸出。PCB板上主要有CIPOS線圈和專用芯片負責扭矩部分，霍爾芯片負責角度部分。

圖2 轉向傳感器結構示意圖

2 轉向傳感器的測量原理

轉向傳感器的扭矩測量本質上是測量輸入軸和輸出軸之間的角度差，用這兩者的角度差值乘以扭桿的剛性系數(shù)即得到扭矩值，如圖3所示。

圖3 轉向傳感器扭矩測量結構示意圖

海拉的CIPOSR專利[2]的平面化設計能夠有效簡化輸入軸和輸出軸同時測量角度的架構。PCB板上的扭矩測量部分主要由CIPOS專用芯片、激勵線圈、接收線圈組成。測量時，CIPOS專用芯片向激勵線圈施以特定頻率的電流，這個交變電流產(chǎn)生感應磁場，當轉子葉片切割這個感應磁場時，接收線圈內產(chǎn)生的感應電流會有相應的變化。輸入軸轉子和輸出軸轉子采用不同的周期信號設計：輸入軸轉子葉片數(shù)為18片，對應輸入軸角度信號為20°/周期；輸出軸轉子葉片數(shù)為9片，對應輸入軸角度信號為40°/周期；實際轉向系統(tǒng)中設計的產(chǎn)生扭矩的角度差在±6°以內。

由圖2可以看出，輸入軸帶動齒輪組進而帶動磁齒輪轉動。角度的測量基于霍爾效應，由PCB板上的角度霍爾芯片感應磁齒輪的旋轉輸出角度值。由于齒輪組的齒比關系，方向盤轉動一圈360°對應于磁齒輪的296°。

轉向系統(tǒng)要求方向盤能實時區(qū)分正反方向的絕對角度以及在上電時刻的真實機械角度，由于單一的角度信號輸出是有周期的，且實際駕駛過程中方向盤的工作角度大于360°，因此需要將輸入軸的40°和角度測量的296°做游標算法[3]，得到在±738°的范圍內的唯一確定值來反映方向盤的絕對角度。如圖4所示，圖4（a）中灰色曲線為輸入軸角度，以40°為周期，深灰色曲線為296°周期的角度測量值；圖4（b）中淺灰色曲線為兩者游標算法后的結果。

圖4 方向盤絕對角度的游標算法結果示意圖

3 全冗余的實現(xiàn)方式

為滿足自動駕駛對轉向系統(tǒng)的功能安全AISL-D的要求，轉向系統(tǒng)必須全冗余，即兩個控制器、兩個電機[4]。由于兩個電機在一個轉向管柱中物理上不能實現(xiàn)，因此采用一個電機定子、一個雙繞組線圈的轉子實現(xiàn)電氣全冗余。相應的轉向傳感器也要全冗余，由于物理安裝方式的限制不能安裝兩個傳感器，因此轉向傳感器采用圖5所示結構實現(xiàn)電氣全冗余。

圖5 轉向傳感器電氣全冗余架構示意圖

如圖5所示，采用四顆CIPOS專用芯片和一顆雙晶圓即兩個獨立霍爾單元的角度霍爾芯片，可作為兩個獨立工作的轉向傳感器，輸出信號給兩個獨立的轉向控制器，或者一個雙核獨立工作的轉向控制器。即便是作為兩套獨立的測量系統(tǒng)，但因為是全冗余的轉向傳感器，在原本同一測量系統(tǒng)的兩路扭矩信號的同步性校驗的基礎上，還能實現(xiàn)四路扭矩信號的兩兩校驗；更進一步，四路扭矩信號可與任一霍爾角度信號組成一套轉向傳感器。同時，電源和地均作為兩套獨立的電源接入設計，一套接整車電源和地，一套接控制器的電源和地，避免了電源的共因失效（單點失效）。因此，這個全冗余架構不僅兩套測量系統(tǒng)能獨立工作，并且能互相完成校驗；甚至在校驗并識別出某一路工作異常時，能選取正常工作的信號組成一套測量系統(tǒng)繼續(xù)工作，使得轉向系統(tǒng)無縫處理故障，保持正常工作，保障安全駕駛。

從自動駕駛等級L3的安全要求這個起點討論，車輛處于自動駕駛狀態(tài)下檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障后，必須由司機迅速掌控：首先車輛必須有預設的確定性措施讓司機意識到需要接管控制；其次，需要讓司機迅速認識到車況、路況和工況，采取必要、正確、有效的動作確保車輛安全；最后，系統(tǒng)必須保證正常工作，能完全執(zhí)行司機的操作意圖。因此，對控制器也進行全冗余設計，設計兩個能獨立工作的控制器，同時兩者之間又有通信，能夠協(xié)同工作。獨立工作的控制單元是指兩者各自運行不同的程序，且運算后的扭矩指令互相進行校驗，與此同時對兩個控制單元的工作時鐘做同步性校驗，對解算后的電機位置、扭矩和轉角信號做校驗，這樣才能確保在單點失效或者預設的有限多點同時失效后系統(tǒng)仍然能正常工作，保證系統(tǒng)有足夠的時間來喚醒司機人工接管車輛，并執(zhí)行司機的控制意圖。

所以，對于轉向傳感器的接口即轉向控制器來講，是兩套獨立運行的測量系統(tǒng)接入兩個獨立的控制單元。正常工作時，這兩部分獨立運行，可以對四路扭矩信號和兩路霍爾角度信號進行同步性監(jiān)測和兩兩校驗。兩個控制器最后得出的控制結果（指令）也能相互校驗。當某個單元的控制器出現(xiàn)異常，甚至當某個控制器異常并帶有一路轉向傳感器異常時，仍有一個控制器帶一套轉向傳感器的測量系統(tǒng)維持正常駕駛，異常部分可以在事后處理，不僅避免了跛行模式的尷尬，最重要的是避免了失去轉向功能帶來的災難性后果。

4 結語

本文提出了一種全冗余架構的轉向傳感器，闡述了其結構和測量原理，著重講述了如何實現(xiàn)全冗余的技術架構以滿足自動駕駛和功能安全ASIL-D的需求，不僅順應了當前的市場發(fā)展趨勢，還有著深厚的技術儲備能滿足將來的市場需求。