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用于EPS的 硬件实现的电机控制和平台

阅读：657发布：2020-05-08

专利汇可以提供用于EPS的硬件实现的电机控制和平台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于电动机械助力转向机构的电机电子控制单元 (ECU)(1)，电机电子控制单元(ECU)(1)响应于所感测到的车辆信号来控制通过辅助电机(10)的电流，其中，ECU(1)包括在硬件中实现安全和平台特征的专用集成电路 (ASIC)(2)设计。，下面是用于EPS的硬件实现的电机控制和平台专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于电动机械助力转向机构的电机电子控制单元(ECU)(1)，所述电机电子控制单元(ECU)(1)响应于所感测到的车辆信号来控制通过辅助电机(10)的电流，其特征在于：
所述ECU(1)包括在硬件中实现安全和平台特征的专用集成电路(ASIC)(2)设计。
2.根据权利要求1所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括栅极驱动器单元(GDU)监控模块，所述栅极驱动器单元(GDU)监控模块监视电力模块的状态并检测所有可能的故障并且包括用于驱动所述电机(10)的脉冲宽度调制单元。
3.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括负责所述ECU的所有传感器的接口的传感器接口电路(4)。
4.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括负责电机(10)管理的平台块(5)，所述电机(10)管理包括路径的启动测试以及所述电机(10)在正常操作和安全关闭模式下的控制。
5.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括负责核心电机控制算法的实现的电机控制块(6)。
6.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括实现扭矩安全限制器功能的安全包络块(7)，以确保所请求的电机扭矩始终在安全范围内。
7.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)包括以升压曲线的形式实现简单的转向功能的备用块(8)，所述升压曲线定义了所指示的输入扭矩与由所述电机(10)施加的辅助扭矩之间的关系。
8.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：用于功能块(3，4，
5，6，7，8)的参数由外部MCU接口(11，11’)设置。
9.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ASIC平台(2)具有如下这样的设计：所述ECU(1)能够在不同的车辆中使用而无需硬件修改，其中，所述参数仅通过软件来更改。
10.根据前述权利要求中一项所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述ECU(1)具有使用两个ASIC平台(2，2’)的两个通道，对于每个通道使用一个ASIC平台。
11.根据权利要求10所述的电机电子控制单元，其特征在于：所述两个通道共享一个外部MCU(11)。
12.一种用于辅助机动车辆的转向的电动机械助力转向机构，包括：用于转向辅助的电机(10)以及扭矩传感器，所述电机适于利用根据前述权利要求1至11中一项所述的电机电子控制单元(ECU)(1)响应于来自所述扭矩传感器的指示由所述车辆的驾驶员向转向盘施加的输入扭矩的输出信号来施加辅助扭矩。

说明书全文

用于EPS的硬件实现的电机控制和平台

[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分的电动机械助力转向机构的电机电子控制单元以及涉及根据权利要求12的前序部分的电动机械助力转向机构。

[0002] 在电动机械助力转向机构中，转向轴连接至用于由驾驶员操作的转向盘。转向轴经由小齿轮藕接至转向齿条。转向齿条杆连接至转向齿条并且连接至机动车辆的转向轮。转向轴的旋转借助于小齿轮引起转向齿条的轴向位移，该小齿轮以抗转矩的方式连接至转向轴。通过驱动电机将辅助力施加至转向机构。以电子控制单元(ECU)形式的转向控制器控制电机的辅助。响应于车辆速度、操作员转矩以及由转子位置传感器检测到的转子位置信号，控制器确定目标电机转矩，并提供信号直至电机控制器，其中经由PWM(脉冲宽度调制)计算电机电流。

[0003] 当前，ECU被实现为单通道自监测系统或双通道自监测系统。就安全和可用性要求而言，当前架构提供有限的可扩展性。具有所有传感器数据处理和安全诊断的完整的电机控制通常在安全合格的微控制器(MCU)上运行的软件中实现。电机控制和平台是导致资源消耗的主要因素。使用系统级别的ASIL-D控制器来实现所需的安全完整性级别。这种类型的电机控制的缺点是：由于在通用功能与项目特定功能之间可能的干扰，因此必须在每次软件发布时重新验证所有诊断。此外，由于不可能在软件中实现足够快的电力模块诊断，因此栅极驱动器(GDU)选择受到了限制，因为它必须包含所有诊断。万一MCU出现故障，不可能进行致动。对于故障安全操作系统，需要两个MCU。

[0004] 本发明的目的是提供一种电动机械助力转向机构的电机电子控制单元，其具有容易的架构和低成本的高安全完整性级别。

[0005] 该目的通过具有权利要求1的特征的电动机械助力转向机构的电机电子控制单元，以及具有权利要求12的特征的用于辅助机动车辆的转向的电动机械机动车辆助力转向机构来实现。

[0006] 因此，提供了一种用于电动机械助力转向机构的电机电子控制单元(ECU)，该电机电子控制单元(ECU)响应于所感测到的车辆信号来控制通过辅助电机的电流，其中，ECU包括在硬件中实现安全和平台特征的专用集成电路(ASIC)设计。ASIC平台的硬件实现促进了重复使用并大大减少了项目中的测试/验证工作。ASIC可以在没有MCU的情况下提供基本辅助(升压曲线)，该升压曲线定义了驾驶员所施加的输入扭矩与由电机产生的辅助扭矩之间的静态关系。然而，可以为功能的非安全关键部分实现MCU，使得MCU没有特殊要求。

[0007] 优选的是，ASIC平台包括栅极驱动器单元(GDU)监控模块，栅极驱动器单元(GDU)监控模块监视电力模块的状态并检测所有可能的故障并且包括用于驱动电机的脉冲宽度调制单元。此外，ASIC平台可以包括负责ECU的所有传感器的接口的传感器接口电路。优选地，ASIC平台包括负责电机管理的平台块，所述电机管理包括路径的启动测试以及电机在正常操作和安全关闭模式下的控制。在优选实施方式中，ASIC平台包括负责核心电机控制算法的实现的电机控制块。

[0008] 进一步有利的是，ASIC平台包括实现扭矩安全限制器功能的安全包络块，以确保所请求的电机扭矩始终在安全范围内。

[0009] 优选地，ASIC平台包括以升压曲线的形式实现简单的转向功能的备用块，该升压曲线定义了所指示的输入扭矩与由电机施加的辅助扭矩之间的关系。

[0010] 用于功能块的参数可以通过外部MCU接口设置。优选地，ASIC平台具有如下这样的设计：ECU可以在不同的车辆中使用而无需硬件修改，其中，参数仅通过软件来更改。

[0011] 在一个实施方式中，ECU具有使用两个ASIC平台的两个通道，对于每个通道使用一个ASIC平台。该设计可以在有MCU或没有MCU的情况下使用。两个通道共享一个外部MCU是可以的。

[0012] 此外，提供了一种用于辅助机动车辆的转向的电动机械助力转向机构，其包括用于转向辅助的电机和扭矩传感器，该电机适于利用根据上面描述的电机电子控制单元响应于来自扭矩传感器的指示由车辆的驾驶员向转向盘施加的输入扭矩的输出信号来施加辅助扭矩。

[0013] 下面借助于附图描述了本发明的示例性实施方式。在所有图中，相同的附图标记指代相同的部件或功能上相似的部件。

[0014] 图1示出了根据本发明的电机电子控制单元的示意图，以及

[0015] 图2示出了根据本发明的电机电子控制单元的四个优选的实施方式。

[0016] 如图1所示，电机电子控制单元(ECU)1具有在硬件中实现安全和平台特征的专用集成电路(ASIC)设计。ASIC平台2包含数个功能块。

[0017] 最低级别是GDU(栅极驱动器单元)监控模块3，该GDU监控模块3监视电力模块的MosFET的状态并检测所有可能的故障(FET短路、FET切断、GDU未正确地驱动FET、FET处于线性模式)。该实现完全在硬件中进行，以能够在a)FET损坏之前或者b)如果在FET故障之后第二个连续故障发生之前非常快速地(几微秒的范围)反应。该块3还包含PWM生成块(未示出)，该PWM生成块获得应当被致动的电压矢量，并发射用于电机驱动的三相PWM信号。

[0018] ASIC的下一个块是传感器接口电路4。该块4负责ECU的所有传感器的接合，例如转子位置传感器、电流测量传感器、柱扭矩传感器、转向盘角度传感器以及温度传感器。除了扭矩传感器和转向角度传感器以外，传感器优选地经由模拟信号连接，优选地使用SENT协议或SPC协议。该块的实现将物理信号(模拟或SENT/SPC)转换为内部格式，并从电信号中解码出实际值(电流、角度、扭矩、温度)。传感器诊断有利地由硬件完全地实现，例如在双通道系统的情况下两个通道之间的比较、RPS的半径检查以及范围检查。模块4的输出是可以被其他单元使用的合格(可靠/不可靠/不可用)的信号集。

[0019] 下一个块被称为平台5，并且其实现当前由平台软件完成的大多数功能。平台5从上面提到的传感器接口块4接收传感器信号，并将其用于硬件中的进一步计算。平台5产生电机的电角度，从测量的电流样本中产生电流矢量，并且平台5根据温度、电流和电机速度来计算必要的退化(扭矩极限)程度。该块4还负责致动器管理，致动器管理包括致动器路径(包括GDU、FET和安全继电器)的启动测试以及致动器在正常操作和安全关闭下的控制。基于在块中实现的所有诊断，块4评估必要的动作(下降辅助、关闭致动器)。块4还包含根本原因分析电路以解释实际诊断图。所有这些功能优选地在硬件中实现。

[0020] 电机控制块6负责核心电机控制算法的实现。这是由两个控制器(未示出)组成的并行PI结构。输入传感器的信号由平台块5提供，并且参考电机扭矩由安全包络块7提供。块6的输出是在电机上致动的电压矢量。致动在GDU块3中完成。

[0021] 安全包络块7实现扭矩安全限制器功能。接收到来自转向应用(在外部非安全评级的MCU上运行，未示出)的输入扭矩请求，并对其施加安全限制。结果是针对电机控制的参考扭矩请求。块7的主要目的是确保请求的电机扭矩始终在安全范围内。

[0022] 备用块8实现简单的转向功能，即使在没有外部MCU装置的情况下，该转向功能也能够提供辅助。该控制是简单的升压曲线，该升压曲线依赖于输入柱扭矩和外部升压查找表。

[0023] 所有块3、4、5、6、7、8包含可以经由外部MCU接口(未示出)进行设置的数个参数(如诊断极限、控制器参数、查找表)。在内部，这些参数存储在基于SRAM的寄存器中，并通过CRC和连续检查进行保护。该解决方案的目的是能够在不同的车辆中使用ASIC而无需硬件修改。这样，基本的安全措施在稳定的硬件装置中实现，并且仅通过软件更改其参数即可。

[0024] 由于硬件实现，由于内置的快速诊断，因此无需对所有发布中的安全功能进行重新验证。GDU 3可以是任意类型。安全由ASIC确保。由于所有安全功能均在硬件中实现，因此MCU选择变得更加容易。电机控制频率可以任意高，因为硬件可以支持任意频率(最高达MHz范围)。这引起更好的NVH(噪声、振动和粗糙度)和动态行为。内置的备用转向控制8可以在没有MCU的情况下给予辅助。可以避免第二个MCU的成本和复杂性。

[0025] 图2示出了本发明的四个实施方式。可以建立不同的架构以满足各种OEM要求。所有实施方式具有以下共同之处：在ASIC 2之后布置PM 9，该PM 9致动所计算出的对于电机10所需的电机电流。

[0026] 实施方式a)放弃使用MCU。相反，实施方式b)具有在ASIC 2的上游的MCU 11。外部MCU 11可以设置用于ASIC 2的块的参数。实施方式c)和d)具有两个通道，其中在实施方式c)中，用于两个通道的一个MCU 11被布置在两个ASIC 2、2’的上游，并且其中在实施方式d)中，使用了两个MC 11、11’，对于每个通道使用一个MC 11、11’。

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