线控转向系统软硬件容错研究综述

罗来军，李伟超，高大威,孟永刚

(1.联创汽车电子有限公司，上海 201206;2.清华大学车辆与运载学院，北京 100084)

0 引言

随着无人驾驶技术的快速发展，车内乘客对汽车转向系统的安全性提出了更高的要求。汽车线控转向(Steer-By-Wire)系统通过电缆实现对电机的控制，完成车辆的转向过程，突破了传统机械式转向的各种限制，可以基于司机的驾驶意图、路面情况、整车运行状态灵活地对转向力、转向角进行控制，提高了整车的操控性和舒适性。作为无人驾驶汽车的一项关键技术，线控转向系统得到了前所未有的关注，并已成为众多汽车厂商和研发机构的研发热点。

线控转向系统是整个无人驾驶系统的核心，其性能对整车会产生直接的影响，因此在线控转向系统中，各个装置运行的可靠性和安全性显得尤为重要。当转向系统发生故障时，汽车转向系统失效，正在行驶的汽车无法继续正常运行，严重影响车内乘客的安全。现有的线控转向系统由于缺乏容错机制，无法实现由于转向电机故障并能保持继续平稳运行的功能，难以满足未来无人驾驶汽车高安全性的需求。

线控转向系统主要由3个部分组成，转向结构组成如图1所示，即转向盘总成(包含转向盘、回正力矩电机及相应传感器等)，转向执行总成(包含前轮转向机构、转向执行电机及相应传感器等)和电子控制单元(包含主控单元和故障处理单元)。

在一个基本的转向系统中，驾驶员转动方向盘，这些输入通过一系列轴向下传递到汽车前面的转向器。使用线控转向系统，驾驶员的输入由传感器监控，并通过电子方式传输到汽车的转向装置，而无需机械连接。

当驾驶员转动方向盘时，传感器将输入中继到控制单元。控制单元随后评估该输入以及其他关键信息，例如车速和横摆角速度，然后将合适的控制信号传递给物理致动转向齿条的系统。当所有这些都在进行的时候，电子设备过滤掉来自前轮的不需要的反馈，并将相关信号传递给方向盘上的力发生器。这为驱动器提供了适当的电阻和反馈。

图1 线控转向系统结构图

由于取消了机械连接结构，转而代替为电缆连接系统各部分，同时转向系统中各种执行机构一般都为电机，这在很大程度上增加了系统的故障率，因此线控转向系统容错控制研究对于转向系统的安全性与可靠性非常重要。如何保证线控转向系统在故障状态下继续保持平稳运转，输出平稳的电磁转矩，成为未来线控转向研究领域中非常迫切的课题。

1 线控转向系统容错技术国内外研究现状

1.1 硬件冗余容错研究

文献[1]中介绍了一种基于容错控制的线控转向系统，该系统采用双电机、双微控制器结构，能够承受单点故障而不降低控制系统的性能。文献[2]中介绍了一种基于多种转向机构的容错体系结构，该机构由SBW组成，在SBW发生故障时具有制动和加速转向功能。这些备用转向功能是根据驾驶员减速和加速的意图选择的。文献[3]中介绍了一种以芯片安全为重点的线控转向(SBW)容错控制系统，电源电路由两个嵌入式电子控制模块(ECM)、主ECM和备用ECM控制，这两个控制模块互相监视状态，如果其中一个检测到另一个故障，它将接管控制功能。文献[4]中重点研究了基于永磁无刷直流电机的执行机构的使用，分析了执行机构技术的内部容错潜力，并对可能的控制方案进行了评估。

1.2 软件容错算法研究

文献[5]中提出一种基于非线性观测器的分析冗余控制方法，用于线控转向系统的容错控制，为了提高故障检测效率，提出一种基于丢番图特征的远程预测方法。在此基础上，实现了全预测容错控制策略。文献[6]中提出了一种具有线控转向和线控制动装置的汽车横摆力矩容错控制方法，针对执行器故障，在横摆力矩分配过程中，提出一种变权逆控制分配方法，仿真结果表明：该方法是一种有效的容错算法。研究人员[7-8]提出一种基于Delta算子的线控转向系统故障补偿的故障容错模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)，它部署一个观察者来估计故障信息和故障的线控转向系统状态，在每个采样时间，MPC立即补偿故障。文献[8]中提出基于分布式处理和异常决策机制的双核容错控制系统的体系结构，研究显示，双核容错控制结构和协调机制是可行的。文献[9]中提出一种处理基于控制器CAN网络的故障处理方法，利用新的错误处理算法来替换CAN的错误帧处理。文献[10]中介绍一种旨在减少传感器冗余的容错控制策略，它具有独立的控制器——转向角反馈控制器和D*反馈控制器，当传感器故障发生时，所提出的策略能够保持转向功能。文献[11]中提出一种采用非对称隶属函数(WFNN-AMF)改进差分进化算法的小波模糊神经网络，用于控制电动助力转向(EPS)系统的六相永磁同步电动机，当电机发生缺相故障后，该容错算法能够很好地维持六相电机平稳运行。

图2中介绍了3种基于硬件冗余容错控制的线控转向系统，分别是传感器冗余、控制器冗余、电机冗余。传感器冗余系统采用双传感器结构，能够承受单一传感器故障而不降低控制系统的性能。控制器冗余系统基于多个控制单元，各控制单元具有仲裁机制，当有控制器故障时，系统可以快速切换到其他备用的控制器，对系统性能影响降到最低。电机冗余系统采用多套电驱动系统，正常运行时启用一套电驱动系统，当工作的系统发生故障时，控制单元会快速切换到备份的电驱动系统。

图2 硬件冗余拓扑结构

图3中介绍了3种基于软件容错控制的线控转向系统，分别是横摆力矩分配、CAN网络容错、模型预测。横摆力矩分配容错算法基于车辆动力学理论[12]，当转向系统故障时，通过分别调节驱动轮的横摆力矩，控制车辆在极限状况下保持直线行驶，保证了乘客安全。CAN网络容错通过设置转向系统各个故障部分的CAN节点[13]，当转向系统发生故障时，通过总线告知系统中其他单元，使得系统能快速响应故障，并执行相应动作。模型预测通过对故障状态下转向系统进行数学建模，建立起一套通用的转向控制模型[14]，当发生故障时，控制器通过控制误差调节模型参数，最终控制模型输出误差最小。

图3 软件容错算法

2 线控转向系统故障类型

线控转向系统的故障可以分为执行器故障、传感器故障、通信总线故障、电池故障等几个类型，转向系统通常都是某一个部件发生了故障,两个或多个部件同时发生故障的概率远远小于单个部件发生故障的概率,在研究中几乎可以忽略多个部件同时发生故障的可能性。

2.1 执行器故障

在转向系统中，基本上多数执行器均为电机，电机的故障类型众多，表1列举了线控转向电机可能出现的故障类型及出现的概率[15]。

(1)电机绕组出现断相故障时，可以通过位于每个相中的电流传感器观察到这种故障，当断相故障发生，要及时关闭与该相连接的开关管。

(2)电机驱动中最严重的故障之一是由于两个开关故障或端子短路导致的部分(转向绕组短路)或完整的绕组短路，在这种情况下，故障电流可以通过在电机设计阶段增加绕组的自感来控制[16]，将短路故障电流限制为额定稳态电流。如果故障是完全短路并且如果它发生在相的电流传感器之前，则可以由控制器检测和控制该故障。然而，在匝间短路的情况下，不可能消除这种情况，其中解决方案是完全关闭电机的短路故障相并最大限度地利用剩余相位继续运行。

(3)逆变器开关的开路故障类似于电机绕组断相，因此，可以采取绕组断相故障处理措施来消除这种故障。

(4)同样，逆变器开关/二极管短路类似于电机绕组短路故障，但可以通过关闭另一个开关轻松消除。

(5)电源故障可能是安全关键系统中最关键的故障，解决方案是为驱动器的每个关键部分使用多个电气隔离的电源，而不是只使用单个电源供电。

(6)位置传感器故障的解决方法是同时使用两个位置传感器进行位置检测[17-18]，实现传感器硬件并联式冗余，可以避免因位置传感器故障导致电机运转故障，这种解决方法也可用于速度传感器故障处理。

通过对转向电机故障类型的分析可以发现，转向电机的子系统众多，随着数字化与电子化浪潮的发展，大多数子系统均由电子器件与连接线缆构成，这在很大程度上增加了电机硬件故障概率，因此有必要进行硬件冗余配置，避免使用单一装置导致的电机故障。

表1 电机故障类型分类

2.2 传感器故障

扭矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的输入扭矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机。表2列出了扭矩传感器可能的故障类型[19]。

表2 扭矩传感器故障类型

转速传感器用于检测汽车轮胎转速以及转向电机的转速，转速信号送给ECU后，根据当前车速或者电机转速，决定当前方向盘的转向力矩或者电机控制策略。表3列出了转速传感器可能的故障类型[19]。

表3 转速传感器故障类型

2.3 通信总线故障

通信总线传递着各个执行器与传感器的有用信息，使得各个机构之间紧密配合，高效地完成控制指令。表4列出了通信总线可能的故障类型[20]。

表4 通信总线故障类型

2.4 电源

转向系统的电源一般由蓄电池提供，蓄电池通过各种直流转换器或者电源芯片，为执行器、传感器与通信总线供电，目前主流的蓄电池电压为12 V。考虑到线控转向系统的功率等级，未来线控转向系统的电压等级会提升至42 V。表5列出了可能的电源故障类型[21]。

表5 电源故障类型

3 线控转向软硬件容错方法

为了保证转向系统能够正常工作,转向系统必须能够容忍至少有任何一个电气或电子故障，并且必须包括检测这些故障和处理故障的手段。这种手段可以通过容错系统架构来实现。目前的容错方法从技术的角度可以分为两大类：一类是依靠硬件备份的冗余技术，一类是依靠软件的容错算法技术。

3.1 硬件冗余备份

硬件冗余的含义就是针对线控转向系统中的执行器、传感器、控制器、电源等装置进行备份，备份的装置可以实现与原装置一样的功能，备份的装置可以与原装置同时工作，也可以一个工作而另一个处于待命状态。

图4所示为线控转向硬件冗余容错架构，该硬件冗余方案实现了转向装置的一比一备份，当正常工作的装置出现故障，备份装置可以快速代替其功能，从而维持转向系统继续工作，具有非常可靠的容错能力。

图4 线控转向硬件冗余容错架构

3.2 软件容错算法

不同于硬件备份，软件容错算法在不改变转向系统结构、增加过多设备的情况下，对故障后、剩余正常工作的转向系统装置进行控制。当部分装置故障时，通过实时数据采样，定位故障类型与位置，通过整合剩余正常工作的装置，互相协同工作，从而达到正常工作状态。软件容错算法框架如图5所示。

图5 软件容错算法框架

针对转向系统各部分的故障类型，表6中列举了对应的容错策略，对软件容错算法做一个简要说明。

表6 故障类型对应的软件容错方法

续表6

3.3 软硬件容错方案对比

硬件冗余方案采用一比一装置备份，甚至三比一的装置备份，保证转向系统非常高的可靠性能，但是这会导致转向系统体积庞大，质量增大，不利于整车的设计；同时转向系统的造价成本会非常高，经济效益低下。软件容错方案在不增加过多的装置情况下，通过对ECU里存储的程序进行升级，避免了转向系统的体积与质量增加，同时降低了系统成本，但是容错算法开发复杂，成熟度不高，转向系统各部分耦合关联性强，当出现两种以上故障类型，现有的容错算法不能够满足汽车安全的需求，所以软件容错的可靠性要低于硬件冗余。软硬件容错技术对比如表7所示。

表7 软硬件容错技术对比

通过两者的对比可以发现，硬件备份技术与软件容错技术具有高度互补性，硬件备份技术能够在硬件层面提升容错控制技术的可靠性，同时，软件容错技术能够减少因硬件冗余导致转向系统在空间体积等方面的需求。因此，未来的线控转向电机驱动系统将是同时拥有硬件备份与容错算法的高度智能的系统，相比于目前的线控转向电机驱动系统能够大幅提高车辆行驶的稳定性与安全性，保证无人驾驶技术的安全发展。

4 结语

通过介绍线控转向系统的软硬件容错国内外研究现状，针对线控转向的实际工程需求，从软硬件两个角度对故障容错技术进行了详细的分析：硬件冗余技术具有较高的可靠性，但是增加了线控转向系统的体积与质量，另外各个备份子系统之间的同步问题也比较难以解决；容错控制技术能够通过控制算法保证故障后转向系统的平稳运行，克服了因硬件备份带来的体积与质量增大的缺点，但是无法有效处理部分故障类型，尤其是机械故障，导致该技术可靠性不高。未来线控转向电机故障处理技术的发展趋势将是硬件冗余与容错控制算法的互相结合。