CN110562047A - 一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控*** - Google Patents

一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***，包含输入单元、主控单元、从控单元、输出单元；所述输出单元由两路独立的传感器信号采集电路组成，用于传感器信号的采集。主控单元中包含扭矩计算模块、冗余扭矩计算模块及扭矩监控模块，用于对电动汽车行车扭矩进行冗余计算及监控；所述从控单元中具有主控单元监视模块，该模块通过问答校验机制对主控单元进行监控；所述输出单元用于接收主控单元及从控单元的输出指令，并依据输出指令控制电动汽车运行。本发明的实施能够对行车时的扭矩进行监控和限制，可以避免非预期车辆加速度的出现，使得电动汽车行驶安全性进一步提高。

Description

一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***
技术领域
本发明属于电动汽车扭矩控制领域，特别是一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***。
背景技术
电动汽车辆以车载动力电池为动力源驱动整车行驶，具有节能、环保、高效等优点。随着国家对电动汽车产业发展的推进，国内电动汽车保有量不断增加，改善了居民生活环境及噪声污染问题。
随着电动汽车的不断发展，人们对其安全性能的要求越来越高，其中电动汽车在行驶过程中的扭矩安全尤为重要。现有技术在对电动汽车行车扭矩计算时往往采用单个扭矩计算单元或采用单个控制单元进行扭矩计算。在复杂的整车运行环境下，可能产生电磁干扰、硬件失效、软件失效、人为失误等问题，通过现有方法实施电动汽车扭矩计算可能会使得电动车辆行车扭矩失效，在车辆行驶过程中产生非预期加速度，给车辆行驶带来极大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***，以实现对电动汽车运行扭矩的监控和限制，使得电动汽车在车载控制器功能失效时，仍可以保持在安全运转的工况下，提高车辆行驶的安全性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***，包括输入单元、主控单元、从控单元、输出单元；
所述输入单元用于对车载传感器信号、CAN信号进行采集；
所述主控单元包括扭矩计算模块、冗余扭矩计算模块、扭矩监控模块；
所述扭矩计算模块用于计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述冗余扭矩计算模块用于根据驾驶员需求，冗余计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述扭矩监控模块用于对扭矩计算模块和冗余扭矩计算模块进行监控，保证行车安全；
所述从控单元具有主控单元监视模块，所述主控单元监视模块通过问答校验机制对主控单元进行RAM监控、***过压监控、任务执行时序监控等，并且发送状态指令到输出模块用于指示主控单元运行状态；
所述输出单元用于接收主控单元及从控单元指令输出，并依据输出指令控制电动汽车运行。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明通过设置冗余扭矩监控模块，相较于只有单个扭矩计算模块的电动车辆，能够实现更高行车安全性，避免车辆非期望加速度的产生，
(2)本发明通过设置主从控制单元，相较于只在单个控制单元中进行扭矩计算和扭矩监控的电动车辆，能够实现硬件平台运行的稳定性，提高了硬件运行的可靠性及错误反馈的实时性。
附图说明
图1为本发明实施的冗余扭矩监控***的结构图。
图2为本发明实施的一个扭矩计算模块的结构图。
图3为本发明实施的一个冗余扭矩计算模块的结构图。
图4为本发明实施的一个扭矩监控模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***，包括输入单元1、主控单元2、从控单元3、输出单元4；
所述输入单元用于对车载传感器信号、CAN信号进行采集；
进一步，所述输入单元由两路独立传感器信号采集电路及CAN信号采集电路组成，其中一路传感器信号采集值用于主控单元中的扭矩计算模块，另一路传感器信号采集值用于主控单元中冗余扭矩计算模块，采用两路独立的传感器信号采集优点在于可以提高信号采集的稳定性，避免单路信号采集失效时所带来的危险性。
所述主控单元包括扭矩计算模块、冗余扭矩计算模块、扭矩监控模块；
所述扭矩计算模块用于根据驾驶员需求，计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述冗余扭矩计算模块用于根据驾驶员需求，冗余计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述扭矩监控模块用于对扭矩计算模块和冗余扭矩计算模块进行监控，保证行车安全；
进一步的，所述扭矩计算模块包括信号滤波单元、需求扭矩计算单元、扭矩限制计算单元、允许扭矩计算单元、扭矩滤波单元；
所述信号滤波单元用于对第一路传感器信号采集电路所采集到的信号进行滤波处理，其滤波算法为中值平均滤波法，该算法既可以平滑的处理采样信号又可以去除少量脉冲信号的干扰，且计算方便，相应速度快，可以去除短周期内随机误差和粗大误差，因此被广泛的使用。该算法具体实施过程为首先连续采样得到20个采样数据，将20个采样数据进行从大到小的排序，去除一个最大值和一个最小值，将剩余的18个采样数据取均值作为信号滤波单元的一次采样输出。
所述需求扭矩计算单元用于将信号滤波单元处理后的输出结果计算整车需求扭矩Treq，具体计算过程如下：
其中，α1(t)为第一路需求扭矩计算的扭矩负荷系数1，由第一路传感器采集到的信号经滤波后得到，ne为车辆所用电机的基速(rpm)，Tmax为电机最大输出扭矩(N·m)，Pmax为电机最大输出功率(kW)，n(t)为电机当前转速(rpm)
电动车辆车速v(t)与电机当前转速n(t)存在以下关系：
其中，r为车轮半径，为传动系的传动比
故可知车辆需求扭矩与扭矩负荷系数及车速的关系，从而可以得到由车速-扭矩负荷系数-整车需求扭矩所组成的MAP表，计算出车辆需求扭矩。
所述扭矩限制计算单元用于计算限制扭矩，用于根据电动汽车实际运行环境，对其需求扭矩进行限制，扭矩限制所依据的条件有电机最大输出扭矩、动力电池最大允许功率、动力电池最高允许的放电电流等，根据限制条件分别计算得到限制扭矩，具体计算过程如下：
(1)电动汽车需求扭矩受电机最大输出扭矩的影响，车辆需求扭矩不能大于电机最大输出扭矩，故可以得到：
其中，Tlim1为车辆限制扭矩1，Pmax为电机最大功率，n(t)为电机当前转速。
(2)电动汽车需求扭矩受动力电池最高允许的放电电流影响，车辆需求扭矩不能大于动力电池允许放电功率与整车高压附件所用功率之差，所以有：
其中，Tlim2为车辆限制扭矩2，η为动力电池使用效率，Pbatry为动力电池允许放电功率，Paccry为高压附件所用功率。
所述允许扭矩计算单元用于计算当前电动汽车的运行环境下，车辆所允许输出的扭矩，电动汽车允许扭矩Ttolete具体计算过程如下：
Ttolete＝MIN(TreqTlim1Tlim2)
所述扭矩滤波单元用于对允许扭矩计算所输出的扭矩进行平滑处理，以减小输出扭矩的波动，得到扭矩计算模块最终输出的实际扭矩Treal。
所述冗余扭矩计算模块包括信号冗余滤波单元、冗余需求扭矩计算单元、冗余扭矩滤波单元；
所述信号冗余滤波单元用于对第二路传感器信号采集电路所采集到的信号进行滤波处理，其滤波算法采用中值滤波法，该滤波对脉冲信号有良好的滤除作用，能够克服偶然因素引起的波动干扰。该算法的具体实施过程为首先连续采样得到20个采样数据，将20个采样数据进行从小到达的排序，取20个采样数据的中间值作为信号冗余滤波单元的一次采样输出；
所述冗余需求扭矩计算单元用于根据信号冗余滤波单元处理后的输出结果计算冗余需求扭矩TreducyReq，具体计算过程如下：
其中，α2(t)为第二路冗余需求扭矩计算的扭矩负荷系数，由第二路传感器采集到的信号经冗余滤波后得到，ne为车辆所用电机的基速(rpm)，Tmax为电机最大输出扭矩(N·m)，Pmax为电机最大输出功率(kW)，n(t)为电机当前转速(rpm)
所述冗余扭矩滤波单元用于对冗余需求扭矩进行滤波处理，得到冗余扭矩计算模块最终输出的实际冗余扭矩TreducyReal
所述扭矩监控模块包括扭矩仲裁单元、仲裁后处理单元、扭矩指令输出单元；
所述扭矩仲裁单元用于对扭矩计算模块最终得到的实际扭矩Treal及冗余扭矩计算模块最终得到的冗余实际扭矩TreducyReal进行可信度仲裁，仲裁过程如下：
当|Treal-TreducyReal|≤ΔT时，扭矩仲裁单元认为扭矩计算模块及冗余扭矩计算模块计算结果可信，扭矩仲裁单元将仲裁结果传递给仲裁后处理单元；
当|Treal-TreducyReal|＞ΔT时，扭矩仲裁单元任务扭矩计算模块及冗余扭矩计算模块计算结果不可信，扭矩仲裁单元将仲裁结果传递给仲裁后处理单元，注意扭矩仲裁方法中的ΔT根据为保证扭矩安全的设定值。
所述仲裁结果后处理单元用于根据扭矩仲裁单元中的仲裁结果，计算仲裁扭矩Tarbitra，计算过程如下：
当扭矩仲裁结果为可信时，其仲裁扭矩Tarbitra为：
Tarbitra＝MIN(Treal TreducyReal)
当扭矩仲裁结果为不可信时，其仲裁扭矩Tarbitra为：
Tarbitra＝T*
T*为设定扭矩，可使电动车辆在较低的速度及功率下运行，以保证在扭矩失效情况下的行车安全。
所述扭矩指令输出单元用于将仲裁后处理所输出的扭矩转化成扭矩指令，通过CAN通信总线，传递给输出单元。
所述从控单元具有主控单元监视模块，所述主控单元监视模块位于从控单元内，完全独立于主控单元，通过问答校验机制对主控单元进行RAM监控、***过压监控、任务执行时序监控等，并且发送状态指令到输出模块用于指示主控单元运行状态。具体监控方法为首先建立主控单元与从控单元的通讯机制，然后主控单元监视模块在每个驾驶循环内对主控单元进行问答检验，当主控单元与从控单元的问答校验不一致时，从控单元认为主控单元中出现错误，接着通过从控单元发出状态指令到输出单元以指示主控单元出错，需限制电动汽车的输出功率；当主控单元与从控单元的问答一致时，从控单元通过状态指令指示输出单元依照主控单元的扭矩指令进行扭矩输出。
所述输出单元用于接收主控单元及从控单元指令输出，并依据输出指令控制电动汽车运行。
通过本发明提出的基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***可以极大的提高电动汽车的扭矩安全，能够保证电动汽车扭矩计算的稳定性，较为完整的解决电动汽车在运行过程中的扭矩失效问题，使得电动汽车行驶安全性进一步提高。

Claims (6)

1.一种基于主从硬件构架的冗余扭矩监控***，其特征在于，包括输入单元、主控单元、从控单元、输出单元；
所述输入单元用于对车载传感器信号、CAN信号进行采集；
所述主控单元包括扭矩计算模块、冗余扭矩计算模块、扭矩监控模块；
所述扭矩计算模块用于计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述冗余扭矩计算模块用于根据驾驶员需求，冗余计算电动车辆达到驾驶员所需的扭矩；
所述扭矩监控模块用于对扭矩计算模块和冗余扭矩计算模块进行监控，保证行车安全；
所述从控单元具有主控单元监视模块，所述主控单元监视模块通过问答校验机制对主控单元进行RAM监控、***过压监控、任务执行时序监控等，并且发送状态指令到输出模块用于指示主控单元运行状态；
所述输出单元用于接收主控单元及从控单元指令输出，并依据输出指令控制电动汽车运行。
2.根据权利要求1所述的监控***，其特征在于，所述扭矩计算模块包括信号滤波单元、需求扭矩计算单元、扭矩限制计算单元、允许扭矩计算单元、扭矩滤波单元；
所述信号滤波单元用于对采集到的信号进行滤波处理；
所述需求扭矩计算单元用于将信号滤波单元处理后的输出结果计算整车需求扭矩Treq，具体计算过程如下：
其中α1(t)为扭矩负荷系数，由第一路传感器采集到的信号经滤波后得到，ne为车辆所用电机的基速，Tmax为电机最大输出扭矩，Pmax为电机最大输出功率，n(t)为电机当前转速；
根据电动车辆车速与电机当前转速得到车辆需求扭矩与扭矩负荷系数及车速的关系得到由车速-扭矩负荷系数-整车需求扭矩所组成的MAP表，计算出车辆需求扭矩；
所述扭矩限制计算单元用于计算限制扭矩，用于根据电动汽车实际运行环境，对其需求扭矩进行限制，扭矩限制所依据的条件有电机最大输出扭矩、动力电池最大允许功率、动力电池最高允许的放电电流、动力电池的SOC值；输出三者允许的最小值；
所述扭矩滤波单元用于对允许扭矩计算所输出的扭矩进行平滑处理，得到扭矩计算模块最终输出的实际扭矩Treal。
3.根据权利要求1所述的监控***，其特征在于，所述扭矩限制计算单元，具体计算过程为：
(1)根据电机最大输出扭矩，计算第一车辆限制扭矩Tlim1：
其中Pmax为电机最大功率，n(t)为电机当前转速；
(2)根据动力电池最高允许的放电电流，计算第二车辆限制扭矩Tlim2：
其中η为动力电池使用效率，Pbatry为动力电池允许放电功率，Paccry为高压附件所用功率；
(3)确定电动汽车允许扭矩Ttolete：
Ttolete＝MIN(Treq Tlim1 Tlim2) 。
4.根据权利要求1所述的监控***，其特征在于，所述冗余扭矩计算模块包括信号冗余滤波单元、冗余需求扭矩计算单元、冗余扭矩滤波单元；
所述信号冗余滤波单元用于对采集到的信号进行滤波处理；
所述冗余需求扭矩计算单元用于根据信号冗余滤波单元处理后的输出结果计算冗余需求扭矩TreducyReq，具体计算过程如下：
其中α2(t)为扭矩负荷系数，由第二路传感器采集到的信号经冗余滤波后得到，ne为车辆所用电机的基速；Tmax为电机最大输出扭矩，Pmax为电机最大输出功率；n(t)为电机当前转速；
所述冗余扭矩滤波单元用于对冗余需求扭矩进行滤波处理，得到冗余扭矩计算模块最终输出的实际冗余扭矩TreducyReal。
5.根据权利要求1所述的监控***，其特征在于，所述扭矩监控模块包括扭矩仲裁单元、仲裁后处理单元、扭矩指令输出单元；
所述扭矩仲裁单元用于对扭矩计算模块最终得到的实际扭矩Treal及冗余扭矩计算模块最终得到的冗余实际扭矩TreducyReal进行可信度仲裁，仲裁过程如下：
当|Treal-TreducyReal|≤ΔT时，扭矩仲裁单元认为扭矩计算模块及冗余扭矩计算模块计算结果可信，扭矩仲裁单元将仲裁结果传递给仲裁后处理单元；
当|Treal-TreducyReal|＞ΔT时，扭矩仲裁单元任务扭矩计算模块及冗余扭矩计算模块计算结果不可信，扭矩仲裁单元将仲裁结果传递给仲裁后处理单元；
其中ΔT根据为保证扭矩安全的设定值
所述仲裁结果后处理单元用于根据扭矩仲裁单元中的仲裁结果，计算仲裁扭矩Tarbitra，计算过程如下：
当扭矩仲裁结果为可信时，其仲裁扭矩Tarbitra为：
Tarbitra＝MIN(Treal TreducyReal)
当扭矩仲裁结果为不可信时，其仲裁扭矩Tarbitra为：
Tarbitra＝T*
T*为车辆安全运动的设定扭矩；
所述扭矩指令输出单元用于将仲裁后处理所输出的扭矩转化成扭矩指令，传递给输出单元。
6.根据权利要求1所述的监控***，其特征在于，所述输入单元由两路独立传感器信号采集电路及CAN信号采集电路组成，其中一路传感器信号采集值用于主控单元中的扭矩计算模块，另一路传感器信号采集值用于主控单元中冗余扭矩计算模块。
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