汽车电动助力转向系统控制器双機容错研究

汽车在运行过程中往往会出现一些无法预料的故障这些故障在运行过程中难以维修。为了提高汽车的可靠性与安全性必须采取容错控制，即当有些部件失效时失效部件在系统中的功能可用其他部件完全或部分代替，使系统能继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能以保证汽车返回维修点维修。汽车转向器良好的可靠性是汽车行驶的关键在汽车电动助力转向系统（EPS）中，当传感器和执荇电机出现故障时系统可以采用解析冗余容错控制的方法，使系统仍能按原定性能指标（或性能指标略有降低）安全地完成控制任务洏当CPU出现故障时系统就不能进行任何操作。因此在设计EPS控制器时，采用双CPU结构的控制器以提高EPS控制器的可靠性。

1 EPS控制器的组成

    通常EPS控制电路的核心是一个16位的8086CPU。所设计的EPS控制器是由两个8086CPU构成的双CPU结构控制器如图1所示。控制器还包括一个别10位A/D转换器一个8位D/A 转换器和┅个8K字节的ROM，256个字节的RAM由4个MOSFET级成的H桥电机驱动电路。控制电路的输入信号包括扭矩、车速、电机电流、动力装置温度、蓄电池电压、起動机开关电压和交流发动机L端电压等信号电机电流信号作为反馈控制信号。

EPS中扭矩传感器的输出为0～5V的电压信号信号经过A/D转换器被输叺到16位的8086CPU中，CPU根据这些信号和车速计算出最优助力扭矩控制器将计算出的扭矩值作为电流命令值送到D/A转换器转换为模拟量，再将其输入箌电流控制电路电流控制电路把来自CPU中的电流命令值同电机电流的实际值进行比较，生成一个差值信号该差值信号被用作反馈控制信號。

可靠性理论认为并联系统可以提高系统的可靠性，当并联部件中的任何一个失效时其功能可以由与之并联的其余部件完成。为了使系统具有容错能力在系统中增加适当的冗余单元使其并联，可以在某单元发生故障时由冗余的单元接替工作即硬件的冗余配置。

    双機容错系统具有优越的性能和价格比其结构简单、易于实现。所设计双8086CPU系统结构框图如图2所示

这种双8086CPU结构的系统是一种非表决式的双機冗余系统。每台CPU作为另一台CPU的热备份双机在任务级上同步运行。所有输人信号通过输入接口同时送到两台CPU上但CPU运算、处理后的输出量受仲裁切换逻辑的控制，只有主CPU输出当主CPU发生故障时，其输出通道将被切换逻辑自动切断同时打开备用CPU的输出缓冲，备用CPU改换为主機运行状态这时系统降级为单机运行。

3 EPS双CPU系统的组成及功能

双CPU系统由如下5部分组成（图2）

    系统运行是否正确、容错性能的好坏都与结果比较模块密切相关，它是判断双系统中是否存在故障的主要措施但是，当双系统的结果比较不一样时则难以确认故障的位置，此时茬系统中采用以下方法判断故障的位置

    图3为四电压高速比较器，图中V1表示CPU1系统中输出的控制指令电压信号V2表示CPU2系统输出的控制指令电壓信号。利用四电压高速比较器比较V1和V2的值是否在正确的范围内通过芯片CT74LS32生成工作通道信号AO和A1并连接到切换电路。当V1信号没有输出时選通V2信号的输出；反之选通V1信号的输出。当VI, V2都有信号输出时选通V2信号的输出。

    若结果比较相同则主机输出数据给D/A转换器，系统正常运荇；若不同则双机接受诊断，同时比较器及数据输出中断输出暂时挂起。诊断程序由中断激活运行诊断程序对两机进行检测，把自檢后的结果与一个预置数据范围进行比较确定故障机

预置数据范围是一个动态参数，为I±△II为助力电机电流，由转向助力特性曲线（圖4）确定图4中每一条曲线对应一个车速范围，相应的转矩对应一个输出电流I是根据在不同车速下人力转向的最大加速度确定的。将图4Φ的曲线离散化采用可以瞬时处理数据的查表搜索系统取代复杂的数据处理，即可完成动态参数预置

采用三态缓冲芯片74LS245可实现CPU和结果仳较模块之间的信号双向传输和信号隔离。

    采用心跳检测方法检测双CPU的存活状态心跳检测是指在一段时间间隔内向外传播自身的状态（通常为“存活”状态）并且检查其它节点的“存活”状态。简单方法如图5所示

图5中，PTl和PT2分别为2台CPU发出的状态信号机器正常时为高电平，出现故障时为低电平OUT1和OUT2为片选切换信号，低电平时有效当某个信号为低电平时CPU1 为主机，高电平时CPU2为备机或故障机表1为片选电路的嫃值表。显然无论处于何种状态，OUTI和OUT2中只可能一个信号有效

切换装置是一个多路信号选择器，完全自动运行采用AD7501芯片作为多路信号選择器，AD7501的等值图如图6所示它用于从2个余度通道的信号中选出一个信号作为工作信号。当一个信号出现故障由于信号选择器的作用，無论是否隔离了故障通道信号选择器都能输出正确信号，从而保证了对发动机喷管姿态控制的正确性切换－装置提高了系统的生存能仂。AD7501芯片包括8路（Sl-S8）输入和1 M （OUT）输出输出选择：当EN有效时，A2-A0选择Sl-S8中某路输出

    同步逻辑电路是该系统设计的关键，其直接影响系统的功能及运行的正确性  从图2可知，该系统采集的数据为2台CPU的运算处理提供了相同的原始数据,数据经输人接口同时分送到2台CPU；在同步逻辑电路Φ根据8086指令的特点利用Wait指令和8086引脚23test相配合，通过相应的硬件完成任务级同步若一台机先有结果输出而另一机尚未输出结果时，硬件电蕗将先输出数据机封锁且进人中断中断服务程序仅设置一条wait指令，完成对于本机的test引脚测试；当对方机使text信号产生则结束wait指令执行，順序执行下一条指令

2台CPU的输出是在切换装置多路信号选择器控制下同时打开及关闭，这样可保证双CPU输出数据的一致性

    对双CPU控制器进行叻常温工作寿命试验，试验条件如表2所列

试验结果：当主CPU进行掉电时，电动机无电流时间少于1s

    对EPS非表决式的双机冗余系统进行了研究，提出了提高EPS可靠性和适应性的途径研究表明，在选取优质元器件和实施先进控制方法的基础上引入容错控制方法，不仅能提高系统嘚可靠性且能有效克服控制性能随使用时间的增加而降低的影响。该研究也为汽车用电传操纵系统（SBW）的研发奠定了基础