汽车电动助力转向系统控制器双机容错研究

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，当传感器和执行电机出现故障时，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。而当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 转换器和一个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、起动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转换器被输入到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，再将其输入到电流控制电路。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号。

2 EPS控制系统的容错 

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。

    双机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机冗余系统。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改换为主机运行状态，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）。

3.1 结果比较模块

    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，此时在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压信号。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，选通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，系统正常运行；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，把自检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±△I。I为助力电机电流，由转向助力特性曲线（图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4中的曲线离散化，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。

3.2 三态缓冲

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

3.3 状态诊断

    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为片选电路的真值表。显然，无论处于何种状态，OUTI和OUT2中只可能一个信号有效。

3.4 双机切换装置

切换装置是一个多路信号选择器，完全自动运行。采用AD7501芯片作为多路信号选择器，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，无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力。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。

3.5 同步电路

    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；在同步逻辑电路中，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，硬件电路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，顺序执行下一条指令。

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。

4 试验研究

    对双CPU控制器进行了常温工作寿命试验，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。

5 结束语