汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器雙機(jī)容錯研究

汽車在運(yùn)行過程中往往會出現(xiàn)一些無法預(yù)料的故障，這些故障在運(yùn)行過程中難以維修。為了提高汽車的可靠性與安全性，必須采取容錯控制，即當(dāng)有些部件失效時，失效部件在系統(tǒng)中的功能可用其他部件完全或部分代替，使系統(tǒng)能繼續(xù)保持規(guī)定的性能或不喪失最基本的功能，以保證汽車返回維修點(diǎn)維修。汽車轉(zhuǎn)向器良好的可靠性是汽車行駛的關(guān)鍵。在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）中，當(dāng)傳感器和執(zhí)行電機(jī)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以采用解析冗余容錯控制的方法，使系統(tǒng)仍能按原定性能指標(biāo)（或性能指標(biāo)略有降低）安全地完成控制任務(wù)。而當(dāng)CPU出現(xiàn)故障時系統(tǒng)就不能進(jìn)行任何操作。因此，在設(shè)計(jì)EPS控制器時，采用雙CPU結(jié)構(gòu)的控制器，以提高EPS控制器的可靠性。

1 EPS控制器的組成

??? 通常，EPS控制電路的核心是一個16位的8086CPU。所設(shè)計(jì)的EPS控制器是由兩個8086CPU構(gòu)成的雙CPU結(jié)構(gòu)控制器，如圖1所示?？刂破鬟€包括一個別10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個8位D/A 轉(zhuǎn)換器和一個8K字節(jié)的ROM，256個字節(jié)的RAM。由4個MOSFET級成的H橋電機(jī)驅(qū)動電路?？刂齐娐返妮斎?a target="_blank">信號包括扭矩、車速、電機(jī)電流、動力裝置溫度、蓄電池電壓、起動機(jī)開關(guān)電壓和交流發(fā)動機(jī)L端電壓等信號。電機(jī)電流信號作為反饋控制信號。

EPS中扭矩傳感器的輸出為0～5V的電壓信號，信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器被輸入到16位的8086CPU中，CPU根據(jù)這些信號和車速計(jì)算出最優(yōu)助力扭矩?？刂破鲗⒂?jì)算出的扭矩值作為電流命令值送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，再將其輸入到電流控制電路。電流控制電路把來自CPU中的電流命令值同電機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比較，生成一個差值信號。該差值信號被用作反饋控制信號。

2 EPS控制系統(tǒng)的容錯?

可靠性理論認(rèn)為，并聯(lián)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)并聯(lián)部件中的任何一個失效時，其功能可以由與之并聯(lián)的其余部件完成。為了使系統(tǒng)具有容錯能力，在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧蛊洳⒙?lián)，可以在某單元發(fā)生故障時由冗余的單元接替工作，即硬件的冗余配置。

??? 雙機(jī)容錯系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能和價格比，其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)雙8086CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

這種雙8086CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是一種非表決式的雙機(jī)冗余系統(tǒng)。每臺CPU作為另一臺CPU的熱備份，雙機(jī)在任務(wù)級上同步運(yùn)行。所有輸人信號通過輸入接口同時送到兩臺CPU上，但CPU運(yùn)算、處理后的輸出量受仲裁切換邏輯的控制，只有主CPU輸出。當(dāng)主CPU發(fā)生故障時，其輸出通道將被切換邏輯自動切斷，同時打開備用CPU的輸出緩沖，備用CPU改換為主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，這時系統(tǒng)降級為單機(jī)運(yùn)行。

3 EPS雙CPU系統(tǒng)的組成及功能

雙CPU系統(tǒng)由如下5部分組成（圖2）。

3.1 結(jié)果比較模塊

??? 系統(tǒng)運(yùn)行是否正確、容錯性能的好壞都與結(jié)果比較模塊密切相關(guān)，它是判斷雙系統(tǒng)中是否存在故障的主要措施。但是，當(dāng)雙系統(tǒng)的結(jié)果比較不一樣時，則難以確認(rèn)故障的位置，此時在系統(tǒng)中采用以下方法判斷故障的位置。

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??? 圖3為四電壓高速比較器，圖中V1表示CPU1系統(tǒng)中輸出的控制指令電壓信號，V2表示CPU2系統(tǒng)輸出的控制指令電壓信號。利用四電壓高速比較器比較V1和V2的值是否在正確的范圍內(nèi)，通過芯片CT74LS32生成工作通道信號AO和A1并連接到切換電路。當(dāng)V1信號沒有輸出時，選通V2信號的輸出；反之選通V1信號的輸出。當(dāng)VI, V2都有信號輸出時，選通V2信號的輸出。

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??? 若結(jié)果比較相同，則主機(jī)輸出數(shù)據(jù)給D/A轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)正常運(yùn)行；若不同，則雙機(jī)接受診斷，同時比較器及數(shù)據(jù)輸出中斷，輸出暫時掛起。診斷程序由中斷激活，運(yùn)行診斷程序?qū)蓹C(jī)進(jìn)行檢測，把自檢后的結(jié)果與一個預(yù)置數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行比較確定故障機(jī)。

預(yù)置數(shù)據(jù)范圍是一個動態(tài)參數(shù)，為I±△I。I為助力電機(jī)電流，由轉(zhuǎn)向助力特性曲線（圖4）確定。圖4中每一條曲線對應(yīng)一個車速范圍，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩對應(yīng)一個輸出電流。I是根據(jù)在不同車速下人力轉(zhuǎn)向的最大加速度確定的。將圖4中的曲線離散化，采用可以瞬時處理數(shù)據(jù)的查表搜索系統(tǒng)取代復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，即可完成動態(tài)參數(shù)預(yù)置。

3.2 三態(tài)緩沖

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???

采用三態(tài)緩沖芯片74LS245可實(shí)現(xiàn)CPU和結(jié)果比較模塊之間的信號雙向傳輸和信號隔離。

3.3 狀態(tài)診斷

??? 采用心跳檢測方法檢測雙CPU的存活狀態(tài)。心跳檢測是指在一段時間間隔內(nèi)向外傳播自身的狀態(tài)（通常為“存活”狀態(tài)）并且檢查其它節(jié)點(diǎn)的“存活”狀態(tài)。簡單方法如圖5所示。

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圖5中，PTl和PT2分別為2臺CPU發(fā)出的狀態(tài)信號，機(jī)器正常時為高電平，出現(xiàn)故障時為低電平。OUT1和OUT2為片選切換信號，低電平時有效。當(dāng)某個信號為低電平時CPU1 為主機(jī)，高電平時CPU2為備機(jī)或故障機(jī)。表1為片選電路的真值表。顯然，無論處于何種狀態(tài)，OUTI和OUT2中只可能一個信號有效。

3.4 雙機(jī)切換裝置

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切換裝置是一個多路信號選擇器，完全自動運(yùn)行。采用AD7501芯片作為多路信號選擇器，AD7501的等值圖如圖6所示。它用于從2個余度通道的信號中選出一個信號作為工作信號。當(dāng)一個信號出現(xiàn)故障，由于信號選擇器的作用，無論是否隔離了故障通道，信號選擇器都能輸出正確信號，從而保證了對發(fā)動機(jī)噴管姿態(tài)控制的正確性。切換－裝置提高了系統(tǒng)的生存能力。AD7501芯片包括8路（Sl-S8）輸入和1 M （OUT）輸出。輸出選擇：當(dāng)EN有效時，A2-A0選擇Sl-S8中某路輸出。

3.5 同步電路

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??? 同步邏輯電路是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其直接影響系統(tǒng)的功能及運(yùn)行的正確性。? 從圖2可知，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為2臺CPU的運(yùn)算處理提供了相同的原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)輸人接口同時分送到2臺CPU；在同步邏輯電路中，根據(jù)8086指令的特點(diǎn)利用Wait指令和8086引腳23test相配合，通過相應(yīng)的硬件完成任務(wù)級同步。若一臺機(jī)先有結(jié)果輸出而另一機(jī)尚未輸出結(jié)果時，硬件電路將先輸出數(shù)據(jù)機(jī)封鎖且進(jìn)人中斷，中斷服務(wù)程序僅設(shè)置一條wait指令，完成對于本機(jī)的test引腳測試；當(dāng)對方機(jī)使text信號產(chǎn)生，則結(jié)束wait指令執(zhí)行，順序執(zhí)行下一條指令。

2臺CPU的輸出是在切換裝置多路信號選擇器控制下同時打開及關(guān)閉，這樣可保證雙CPU輸出數(shù)據(jù)的一致性。

4 試驗(yàn)研究

??? 對雙CPU控制器進(jìn)行了常溫工作壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所列。

試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)主CPU進(jìn)行掉電時，電動機(jī)無電流時間少于1s。

5 結(jié)束語