CN106020078B - 一种用于双余度转向机的余度控制器电路 - Google Patents

一种用于双余度转向机的余度控制器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于双余度转向机的余度控制器电路，属于汽车电气控制技术领域，该电路由第一、第二和第三子控制器构成；其中，第一、第二子控制器组成结构相同，分别用于控制余度转向机中的一路电机，并相互监控，当对方电机或子控制器发生故障时切断对方子控制器控制的电机，使双余度转向机进入单余度工作模式；第三子控制器同时对第一、第二子控制器进行监控，并能在一个子控制器出现故障时切断该子控制器对另一子控制器的传输信号，避免由该路子控制器故障引起的误切断；三个子控制器通过余度线传网络进行通讯与互相监控。该电路能有效驱动双余度转向机在线传转向***中完成正常的转向操作，在完成转向功能的前提下保证转向***的安全可靠性。

Description

一种用于双余度转向机的余度控制器电路
技术领域
本发明属于汽车电气控制技术领域，特别涉及一种用于双余度转向机的控制器电路。
背景技术
线传转向***与传统的机械转向***相比，取消了方向机与转向机之间的机械连接，通过电信号传递转向与回正信号。这一改变使得汽车转向***的操纵稳定性、被动安全性及驾驶的舒适性得到提高。但是由于线传转向***中电子元器件的可靠性不如传统的机械转向，在线传转向***中往往采用双余度或者更多余度的方式，使得转向***在单一故障下仍能正常工作，从而提高线传转向***的安全可靠性。
双余度转向机是双余度线传转向***中负责执行使转向功能的机构，其由两个电机作为动力源，通过齿轮啮合带动转向器进行转向操作。在本申请人已申请公开的专利(申请公开号CN105313954A)《一种用于线传转向的双驱动转向机构》中叙述了一种双余度转向机的结构。在双余度转向机中，由于两个电机地位相同，当一路电机驱动发生故障时，***要求检测到故障并把故障通道隔离，从而保障转向仍能正常进行。为保证转向功能的可靠性，双余度转向机需要由余度控制器进行控制。
在对双余度转向机进行控制的控制器的已有技术中，往往采用非余度的单一控制器或者双控制器加中央控制器的方案。这样的控制器在单一控制器或者中央控制器故障下无法保证***功能的实现及驾驶员的转向安全，对转向功能可靠性的保证是不足的。
发明内容
本发明为克服已有技术的不足之处，提出一种用于双余度转向机的余度控制器电路，能够有效驱动双余度转向机在线传转向***中完成正常的转向操作；同时，在完成转向功能的前提下保证转向***的安全可靠性。
一种用于双余度转向机的余度控制器电路，其特征在于，该电路由第一子控制器、第二子控制器和第三子控制器构成；其中，第一子控制器与第二子控制器组成结构相同，分别用于控制余度转向机中的一路电机，并且互相进行监控，当对方子控制器出现故障时切断该路电机，使双余度转向机进入单余度工作模式；第三子控制器同时对第一子控制器和第二子控制器进行监控，并能在一个子控制器出现故障时切断该子控制器对另一子控制器的传输信号，以避免由该路子控制器故障引起的误切断，保证线传转向***正常的工作；三个子控制器通过由FlexRay总线与CAN总线构成的余度线传网络进行通讯与互相监控。
本发明提出的余度控制器电路用于余度线传转向***的双余度转向机，其具有以下特点：
1、能够有效驱动双余度转向机在线传转向***中完成正常的转向操作；
2、当余度控制器发生任何单一故障时，能通过三个子控制器之间有效的故障诊断与隔离机制使线传转向***继续安全工作；
3、余度控制器与余度方向机、余度转向机、余度电源、余度线传网络共同组成余度线传转向***，在对双余度转向机进行控制时，能够在高效完成转向功能的前提下保证线传转向***的安全可靠性；
附图说明
图1为本发明的余度控制器整体电路结构示意图。
图2为本发明的余度控制器电路中第一子控制器的电路结构示意图。
图3为本发明的余度控制器电路中的第三子控制器的电路结构示意图。
图4为本发明的余度控制器电路中故障隔离模块的实施例电路结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于双余度转向机的余度控制器电路结合附图及实施例说明如下：
本发明提出的一种用于双余度转向机的余度控制器电路的组成结构如图1所示，该电路由第一子控制器、第二子控制器和第三子控制器构成；其中，第一子控制器与第二子控制器组成结构相同，分别用于控制余度转向机中的一路电机，并且相互监控，当对方电机或子控制器发生故障时切断对方子控制器控制的电机，使双余度转向机进入单余度工作模式；第三子控制器同时对第一子控制器和第二子控制器进行监控，并能在一个子控制器出现故障时切断该子控制器对另一子控制器的传输信号，避免由该路子控制器故障引起的误切断，保证线传转向***正常的工作；三个子控制器通过由FlexRay总线(新型车载网络标准)与CAN总线(控制器局域网络)构成的余度线传网络进行通讯与互相监控。
所述余度控制器电路中，第一子控制器设有5个外部接口：电机接口PM1、功率电源接口PP11、数字电源接口PP12、转角传感器接口PAS1、通讯接口PC1，和2个内部接口P12、P13；第二子控制器设有5个外部接口：电机接口PM2、功率电源接口PP21、数字电源接口PP22、转角传感器接口PAS2、通讯接口PC2，和2个内部接口P21、P23；第三子控制器设有1个外部接口即通讯接口PC3，和2个内部接口P31、P32；其中，三个子控制器分别通过通讯接口PC1、PC2和PC3接入外部的余度线传网络；第一、第二子控制器通过电机接口PM1、PM2与各自控制的电机相连，分别通过功率电源接口PP11和PP21、数字电源接口PP12和PP22连接外部由功率电源和数字电源构成的余度电源，通过转角传感器接口PAS1、PAS2与外部的转角传感器相连；第一、第二子控制器之间通过内部接口P12、P21互相连接，第一、第三子控制器之间通过内部接口P31、P13互相连接，第二、第三子控制器之间通过内部接口P23、P32互相连接。
本发明的各子控制器的具体构成结合附图分别说明如下：
本实施例中在对电机进行驱动的第一、第二子控制器的电路组成相同，以第一子控制器的电路为例具体说明如下：第一子控制器的电路结构如图2所示，主要包括单片机E及其***电路(所述***电路指单片机附属的最小电路，如晶振等，均为常规的电子元器件)、电源模块P1和P2、由CAN转角收发器CS和电流传感器CS构成的信息处理模块、由CAN收发器C及FlexRay收发器F构成的通讯模块、由故障隔离模块B和H桥驱动回路D构成的电机驱动模块、5个外部接口以及2个内部接口；上述各电子元器件的连接关系为：单片机E与通讯模块中的CAN收发器C和FlexRay收发器F连接后通过通讯接口PC1分别接入外部余度线传网络中的CAN总线和FlexRay总线，并通过内部接口P12向第二子控制器传输信号s12；单片机E通过信息处理模块中的CAN转角收发器CS与转角传感器接口PAS1连接，并通过其内部的A/D模块采集电流传感器CS经电机接口PM1测得的电机电流信号ui；功率电源接口PP11通过功率地GND1、功率电源VBAT分别与电机驱动模块中的H桥驱动回路D、故障隔离模块B连接，H桥驱动回路D的一端通过电流传感器CS、电机接口PM1与电机的正极Motor+相连，H桥驱动回路D的另一端通过电机接口PM1与电机的负极Motor-相连，H桥驱动回路D获得单片机E的驱动信号INH及控制信号PWM，故障隔离模块B通过内部接口P12、P13分别获得第二子控制器向第一子控制器发出的信号s21、第三子控制器向第一子控制器发出的信号s31；数字电源接口PP12获得的12V数字电源及数字地GND，其中，12V数字电源通过保险丝f串联后分别与转角传感器接口PAS1及内部接口P13相连，再依次经过12V转5V电源模块P1后给通讯模块和信息处理模块的CAN转角收发器供电，5V电源再经5V转3.3V电源模块P2向单片机E供电，数字地GND分别与转角传感器接口PAS1及内部接口P13相连，与单片机E共地。数字地GND与功率地GND之间通过0Ω电阻相连。
本实施例的第三子控制器与第一、第二子控制器的不同之处为去除了第一、第二子控制器中的电机驱动模块、信息处理模块及其相应的外部接口，其具体结构如图3所示，第三子控制器包括单片机E及其***电路(所述***电路指单片机附属的最小电路，如晶振等，均为常规的电子元器件)，由CAN收发器C和FlexRay收发器F组成的通讯模块，电源模块P1和P2，通讯接口PC3，以及内部接口P31和P32；其中，通讯接口PC3连接余度线传网络的CAN总线和FlexRay总线，并通过CAN收发器C、FlexRay收发器F与单片机E进行信息的接收与发送；经由P31、P32两个内部接口分别输入的12V数字电源在第三子控制器内通过保险丝f1和f2并联后经12V转5V电源模块P1给通讯模块中的CAN收发器C、FlexRay收发器F供电，其后经5V转3.3V电源模块P2为单片机E供电；单片机E通过内部接口P31对第一子控制器输出信号s31、通过内部接口P32对第二子控制器输出信号s32。
结合附图对本实施例中第一子控制器的各器件的具体实施方式及功能说明如下：
所述通讯模块中的CAN收发器C、FlexRay收发器F通过通讯接口PC1分别接入余度线传网络中的CAN总线、FlexRay总线，单片机通过CAN收发器C、FlexRay收发器F与余度线传网络进行信息的收发；
所述信息处理模块中的CAN转角收发器CS接收从转角传感器接口PAS1测得的转角信号，单片机对上述转角信号进行数据处理；信息处理模块中的电流传感器CS通过与电机两端相连的电机接口PM1测得电机电流信号ui，该信号经单片机的A/D模块采集后由单片机获得；本实施例采用的电流传感器为霍尔式电流传感器；
本实施例的H桥驱动回路D由两块半桥驱动芯片及其***电路组成，用于接受单片机E的驱动信号INH以及控制信号PWM，驱动电机执行转向操作；
本实施例的故障隔离模块B用于控制电机电源的通断，主要由数字门控电路Opp(非门)和Or(或门)、高边驱动芯片s1以及下拉电阻R组成，如图4所示；故障隔离模块B的工作原理为：由第三子控制器向第一子控制器传输的信号s31通过非门Opp后接下拉电阻R，再与由第二子控制器向第一字控制传输的信号s21共同经过或门Or，输出信号由高边驱动芯片s1的输入端获取；其中，所述下拉电阻R的作用为保持其引脚正常状态下为低电平。所述故障隔离模块B的作用为：当第一、第二子控制器均正常工作时，第二子控制器对第一子控制器的信号s21与第三子控制器对第一子控制器的信号s31均为高电平，或门Or输出端为高端平，保持故障隔离模块B常通，电流i1流向电机M1的通道导通，电机正常工作；而当第一或第二子控制器发生故障时，故障隔离模块B一方面接收第二子控制器的信号s21，在第一子控制器故障时能通过该信号由高电平到低电平的跳变使或门Or输出端为低电平，从而隔离第一子控制器对其控制电机的驱动；另一方面接收第三子控制器的信号s31，在第二子控制器故障时通过该信号由高电平到低电平的跳变，使或门Or输出端始终为高电平，从而隔离第二子控制器对第一子控制器的误切断。
本实施例的电源模块由两块DC-DC电压转换芯片及其***电路组成，即12V转5V电源模块P1和5V转3.3V电源模块P2，所述***电路指的是电容等一些常规的电路组成；电源模块的工作原理为：从数字电源接口PP12和功率电源接口PP11分别输入12V的数字电源和12V的功率电源VBAT；输入的12V数字电源，通过串联的保险丝f，经转角传感器接口PAS1直接给转角传感器供电，并经12V转5V电源模块P1后给第一子控制器的通讯模块和信息处理模块的CAN转角收发器供电，再经过5V转3.3V电源模块P2后为第一子控制器内的单片机E供电；12V的功率电源通过铜片连接的接插件连接有刷直流电机的正极Motor+和负极Motor-，并通过电机接口PM1对电机进行供电；
本实施例中第一子控制器的内部接口为P12和P13，其作用分别为：内部接口P12用于传输第一子控制器中单片机E向第二子控制器发送的信号s12及第二子控制器向第一子控制器中故障隔离模块B发送的信号s21；内部接口P13用于传输第三子控制器向第一子控制器中故障隔离模块B发送的信号s31及第一子控制器通过数字电源接口PP12向第三子控制器提供的12V数字电源及数字地GND。
本实施例的余度控制器电路在正常工作时，由第一子控制器和第二子控制器分别驱动双余度转向机的一路电机，从而驱动双余度转向机正常执行转向功能。正常工作时三个子控制器呈相互监控的工作状态。当第一子控制器或其控制的电机发生单一故障时，第二子控制器能检测到该故障，并且通过信号s21切断第一子控制器所驱动电机的电源，同时，第三子控制器也检测到该故障，通过信号s31切断由第一子控制器对第二子控制器传输的信号s12，从而避免信号s12对第二子控制器所驱动电机的影响，即避免由第一子控制器故障引起的误切断，保证第二子控制器及其所驱动电机的正常工作，线传转向***在第二子控制器的控制下仍能执行正常的转向功能；相似的，当第二子控制器或其控制的电机发生单一故障时，第一子控制器能检测到该故障，并且通过信号s12切断第二子控制器所驱动电机的电源，同时，第三子控制器也检测到该故障，通过信号s32切断由第二子控制器对第一子控制器传输的信号s21，从而避免信号s21对第一子控制器所驱动电机的影响，即避免由第二子控制器故障引起的误切断，保证第一子控制器及其所驱动电机的正常工作，线传转向***在第一子控制器的控制下仍能执行正常的转向功能；当第三子控制器发生故障时，不会影响***的转向功能。在这样的三个子控制器之间的故障诊断与隔离机制下，能保证余度控制器控制的双余度转向机在任何单一故障下均能正常完成转向功能，保证***的安全性。

Claims (4)

1.一种用于双余度转向机的余度控制器电路，其特征在于，该电路由第一子控制器、第二子控制器和第三子控制器构成；其中，第一子控制器与第二子控制器组成结构相同，分别用于控制余度转向机中的一路电机，并且互相进行监控，当对方子控制器出现故障时切断该路电机，使双余度转向机进入单余度工作模式；第三子控制器同时对第一子控制器和第二子控制器进行监控，并能在一个子控制器出现故障时切断该子控制器对另一子控制器的传输信号，以避免由该路子控制器故障引起的误切断，保证线传转向***正常的工作；三个子控制器通过由FlexRay总线与CAN总线构成的余度线传网络进行通讯与互相监控；
所述第一、第二子控制器均设有电机接口、功率电源接口、数字电源接口、转角传感器接口、通讯接口和两个内部接口；第三子控制器设有通讯接口和两个内部接口；其中，三个子控制器分别通过各自的通讯接口接入外部的余度线传网络；第一、第二子控制器分别通过电机接口与各自控制的电机相连，通过各自的功率电源接口、数字电源接口与外部的余度电源相连，通过各自的转角传感器接口与外部的转角传感器相连；第一、第二子控制器之间通过各自的第一内部接口(P12、P21)互相连接，第一子控制器的第二内部接口(P13)与第三子控制器的第一内部接口(P31)之间互相连接，第二子控制器的第二内部接口(P23)与第三子控制器的第二内部接口(P32)之间互相连接。
2.如权利要求1所述电路，其特征在于，第一、第二子控制器的电路均包括单片机及其***电路、两个电源模块、由CAN转角收发器和电流传感器构成的信息处理模块、由CAN收发器及FlexRay收发器构成的通讯模块、由故障隔离模块和H桥驱动回路构成的电机驱动模块、五个外部接口以及两个内部接口；所述各电子元器件的连接关系为：单片机分别与CAN收发器、FlexRay收发器、CAN转角收发器、电流传感器、H桥驱动回路以及第一内部接口相连，CAN收发器、FlexRay收发器均连接通讯接口，CAN转角收发器连接转角传感器接口；H桥驱动回路的第一端连接电流传感器并通过电机接口与外部电机的正极相连，第二端通过电机接口与外部电机的负极相连；H桥驱动回路的第三端与故障隔离模块串联后与功率电源接口相连，第四端通过功率电源接口接功率地；故障隔离模块分别与两个内部接口相连；单片机依次与两个电源模块串联并经保险丝与数字电源接口相连，数字电源接口通过所述保险丝分别与转角传感器接口、第二内部接口相连。
3.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述第三子控制器包括单片机及其***电路、由CAN收发器和FlexRay收发器组成的通讯模块、两个电源模块、通讯接口和两个内部接口；所述各电子元器件的连接关系为：单片机分别与CAN收发器、FlexRay收发器以及2个内部接口相连，CAN收发器、FlexRay收发器均连接通讯接口；经由两个内部接口分别输入的数字电源通过两个保险丝并联后经第一电源模块(P1)与CAN收发器、FlexRay收发器并联连接，其后经第二电源模块(P2)与单片机连接。
4.如权利要求2所述电路，其特征在于，所述故障隔离模块包括由非门和或门组成的数字门控电路、高边驱动芯片以及下拉电阻；其中，由第三子控制器向第一或第二子控制器传输的信号通过非门后接下拉电阻，再与第一、第二子控制器之间传输的信号共同经过或门，输出信号由高边驱动芯片的输入端获取。
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