自动驾驶中的电动助力转向系统

徐 平，郑 虎

（上海汽车集团股份公司技术中心，上海 201800）

电动转向系统（Electrical Power Steering System，EPS）经过这些年的发展，已取得了长足进步。EPS不仅能在不同车速下给车辆提供最佳的转向助力［1］，而且在辅助驾驶方面，作为执行机构，提供了越来越多的功能，如自动泊车、驾驶模式切换、车道保持、侧风补偿、转向力矩补偿等。

近几年，自动驾驶得到了越来越多的车企重视，如特斯拉在2016年前就宣称能实现高速公路的Auto Pilot，但安全问题频发［2］。即将于2018上市的全新Audi A8，宣称能实现美国汽车工程师协会（SAE）规定的L3级别自动驾驶技术，车辆可在小于60 km/h复杂道路下自动驾驶。遇到紧急情况时，车辆会发出接管请求，给驾驶员提供8～10 s的时间评估路况，然后重新控制车辆［3］。对于自动驾驶技术，国内的车企也是不遗余力地进行研发，力求在新一轮的竞争中立于不败之地。目前普遍认为，要实现高速公路上最高车速大于120 km/h的自动驾驶，预计要到2020年左右。

1 智能辅助驾驶等级分类

根据美国汽车工程师协会（SAE）划分的标准［4］，智能辅助驾驶分为5个等级，从低到高分别为L1～L5。划分的依据是其失效率fit（Failure-instance/time）的大小。定义1000套转向系统运行106小时出现1次突然失去助力失效为1 fit。一般情况下，L2的fit值要大于100，L3的fit值为10，L4/L5的fit值为1。关于等级定义、驾驶员和系统的责任划分，详见表1。

要实现高速公路上的自动驾驶，系统至少需要满足L3的安全等级，失效率达到10 fit，和飞机的失效率相当。当整车和系统达到了L4或L5的安全等级后，车辆就完全实现了在全路段、全天候下的自动驾驶。

2 满足L3自动驾驶下的EPS

图1是转向系统的框图［1］。对于机械（如小齿轮、齿条等）而言，只要其强度和疲劳满足系统要求，自然不会导致“突然失去助力”情况的发生。对于电机、传感器和控制单元来说，则存在电机绕组失效［5］、传感器和控制器电子元器件失效。在L2安全等级下，这些失效都会导致EPS终止提供助力，由电动助力状态转入到纯机械状态，以保障车辆和乘员的安全。

图1 电动转向系统框图

满足L3安全等级的车辆，可以在高速公路上自动驾驶，假设车辆时速为120 km/h，每秒钟车辆行驶的距离为33.33 m，如果在转向过程中EPS某个部件发生了故障而不能得到及时有效处理，很明显会发生严重的安全事故。如何确保L3安全等级的EPS在发生单点或有限多点失效时仍是安全的，是当下需要解决的问题。

表1 SAE下的辅助驾驶分级

最简单的做法是在EPS上装两套系统，当一套系统失效后，立即切换到另一套系统。虽然这样可以解决一些问题，但同时存在一些缺陷：①成本太高，基本上就是双倍价格；②占用较大空间，在整车布置上存在困难；③两套系统间助力切换所需时间。从安全角度上讲，当一套系统的某个模块或部件发生故障后，要立即把信息传递到该控制器的微处理器（MCU），MCU确认故障属实后，再向另一套系统（即备用系统）发出启动邀请，备用系统启动进行助力控制。整个切换过程需要在10 ms内完成比较安全，因为对应于120 km/h的车速，10 ms行驶的距离为0.333 m，相对来说属于安全范围，而这么多的工作，10 ms内完成，有较大的难度。

为了达到L3的安全等级，同时避免上述的缺陷，本文提出了“冗余”设计的概念，可满足自动驾驶的需要。下文对EPS的每个电气部件进行展开说明。

2.1 电机设计

在冗余电机中，采用6相或12相电机，这样就是双三相电机或4个三相电机。以6相电机为例，当某一相电机绕组出现故障时，可以关闭对应的3相电机助力，剩下的3相电机仍然能提供50%的助力。测试表明：车辆在静止状态下,最大助力的50%可以覆盖约10%的转向盘转角范围（图2）；在车辆速度超过15 km/h后，最大助力的50%可以覆盖约85%的转向盘转角范围（图3），且该比率随着车辆速度的提升而提高。

满足L3的EPS电机设计，采用双三相电机即可满足要求，原因如下。

图2 车辆静止时转向力曲线

图3 车辆时速15 km/h时转向力曲线

1）当车速大于15 km/h时，50%助力可以满足85%的齿条行程助力要求。85%的齿条行程，对应转向盘从中间位置向一个方向的转动角度为459°（假设转向盘从中间位置到极限位置转角为540°），能覆盖L3规定的“特定驾驶工况下”的转角范围。当其中3相突发故障需要关闭时，50%的助力可满足系统要求，系统仍然控制车辆，同时提醒驾驶员接管车辆。

2）当车速低于15 km/h时，可以借助制动系统和转向系统的共同工作，系统对车辆进行控制，同时提醒驾驶员接管车辆。

6相电机的设计理念见图4，将6相绕组分为双三相绕组，两套对称的三相绕组（图5）空间相差30°，ABC之间相位差120°，UVW之间相位差同为120°，A和U之间相位差30°。

图4 双三相电机的设计理念

2.2 扭矩传感器设计

在满足L3等级的冗余EPS中，至少需要3路扭矩信号（图6），有4路信号更好，以确保在其中一路信号发生故障时可以被精确监控并识别。传统的L2等级的EPS中，多使用2路扭矩信号的扭矩传感器(图7)，这类传感器只能通过相互校验确定信号是否有问题，当其中一路信号发生故障时，系统能关闭助力，将EPS由电动助力模式切换到纯机械模式。

为提升扭矩信号的可靠性，推荐在L3及以上等级的EPS中采用独立的双2路信号的扭矩传感器。

2.3 控制器及电气系统设计

对于永磁同步电机驱动的EPS，安全等级L2及以下等级的E P S控制器电路原理框图如图8所示。

图5 双三相电机绕组

图6 3路信号的扭矩传感器

图7 2路信号的扭矩传感器

图8 安全等级L2及以下等级的EPS控制器电路原理框图

传统L2以下的控制器，当任何一个元器件发生问题，基于安全考虑，EPS都会采取降低助力输出或关闭助力的措施，如电机位置传感器发生问题，采取的是关闭助力策略［6］。这种策略在L3的安全等级要求下，需要进行相应的修改。

根据SAE L3的安全等级要求，在车辆检测到系统发生故障后，会立即通知驾驶员接管车辆。从发生问题到驾驶员接管，期间需要耗费一定的时间，且越长越好。在车辆处于自动驾驶状态下，需要转换为驾驶员接管，一方面车辆需要有足够的措施让驾驶员从“沉睡”中惊醒，同时需要时间让驾驶员恢复到清醒状态，确保车辆安全；另一方面，在这段时间里，系统仍有足够的能力，确保车辆处于安全状态。

为了满足安全要求，对控制器也进行冗余设计，简单来说，是将控制系统进行双份设计，即主芯片、电源芯片、预驱电路、CAN收发器、电机驱动桥等均用两套零件，满足L3的EPS控制电气原理图如图9所示。其中，主芯片1和主芯片2需要运行不同的算法，且运算后的扭矩指令需要进行比较，同时需要进行时钟的同步性校验，以及电机位置解算、扭矩和转角信号解算后的校核，这样才能确保在单点失效或有限多点同时失效后，系统仍然能提供一定的助力需求，确保系统有足够的时间，唤醒驾驶员接管车辆。

3 结束语

车辆自动驾驶是未来的发展方向，作为执行机构的转向系统，必须确保系统足够的安全，在发生单点失效或有限多点失效时，系统能控制车辆正常行驶，并有足够的时间提醒驾驶员接管车辆。本文提出的“冗余”设计概念，不仅适用于EPS，同时也可被车辆上其余需要满足L3安全等级的电气部件借鉴；再将电机拓展为9相或12相，同时拓展预驱芯片和电源芯片，能满足更高的L4或L5的等级要求，以迎接全自动驾驶时代的到来。

［1］ 陈慧.汽车转向系统电子化技术发展［C］//中国汽车工程学会转向技术分会年会，2009.

［2］ 耿源.国内第一起！特斯拉再现自动驾驶事故[DB/OL].汽车之家新闻，（2016-08-05）［2018-04-16］.https://www.autohome.com.cn/news/201608/891542.html.

［3］ 网易汽车.2018年引入/强悍自动驾驶 全新奥迪A8首发［O L］.（2017-07-11）［2018-04-16］.http://auto.163.com/17/0711/16/CP32AABL0008856R.html.

［4］ SAE J3016，Taxonomy and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving System［S］.

［5］ EMANUEL BRANCATO. Life expectancy of motors［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine， 1991(7):14-16,19-22.

［6］ 郑虎，张平，金灿龙.EPS电机位置传感器故障诊断策略设计［J］.上海汽车，2017（8）：21-24.