自動駕駛中的電動助力轉向系統

徐 平，鄭 虎

（上海汽車集團股份公司技術中心，上海 201800）

電動轉向系統（Electrical Power Steering System，EPS）經過這些年的發展，已取得了長足進步。EPS不僅能在不同車速下給車輛提供最佳的轉向助力［1］，而且在輔助駕駛方面，作為執行機構，提供了越來越多的功能，如自動泊車、駕駛模式切換、車道保持、側風補償、轉向力矩補償等。

近幾年，自動駕駛得到了越來越多的車企重視，如特斯拉在2016年前就宣稱能實現高速公路的Auto Pilot，但安全問題頻發［2］。即將于2018上市的全新Audi A8，宣稱能實現美國汽車工程師協會（SAE）規定的L3級別自動駕駛技術，車輛可在小于60 km/h復雜道路下自動駕駛。遇到緊急情況時，車輛會發出接管請求，給駕駛員提供8～10 s的時間評估路況，然后重新控制車輛［3］。對于自動駕駛技術，國內的車企也是不遺余力地進行研發，力求在新一輪的競爭中立于不敗之地。目前普遍認為，要實現高速公路上最高車速大于120 km/h的自動駕駛，預計要到2020年左右。

1 智能輔助駕駛等級分類

根據美國汽車工程師協會（SAE）劃分的標準［4］，智能輔助駕駛分為5個等級，從低到高分別為L1～L5。劃分的依據是其失效率fit（Failure-instance/time）的大小。定義1000套轉向系統運行106小時出現1次突然失去助力失效為1 fit。一般情況下，L2的fit值要大于100，L3的fit值為10，L4/L5的fit值為1。關于等級定義、駕駛員和系統的責任劃分，詳見表1。

要實現高速公路上的自動駕駛，系統至少需要滿足L3的安全等級，失效率達到10 fit，和飛機的失效率相當。當整車和系統達到了L4或L5的安全等級后，車輛就完全實現了在全路段、全天候下的自動駕駛。

2 滿足L3自動駕駛下的EPS

圖1是轉向系統的框圖［1］。對于機械（如小齒輪、齒條等）而言，只要其強度和疲勞滿足系統要求，自然不會導致“突然失去助力”情況的發生。對于電機、傳感器和控制單元來說，則存在電機繞組失效［5］、傳感器和控制器電子元器件失效。在L2安全等級下，這些失效都會導致EPS終止提供助力，由電動助力狀態轉入到純機械狀態，以保障車輛和乘員的安全。

圖1 電動轉向系統框圖

滿足L3安全等級的車輛，可以在高速公路上自動駕駛，假設車輛時速為120 km/h，每秒鐘車輛行駛的距離為33.33 m，如果在轉向過程中EPS某個部件發生了故障而不能得到及時有效處理，很明顯會發生嚴重的安全事故。如何確保L3安全等級的EPS在發生單點或有限多點失效時仍是安全的，是當下需要解決的問題。

表1 SAE下的輔助駕駛分級

最簡單的做法是在EPS上裝兩套系統，當一套系統失效后，立即切換到另一套系統。雖然這樣可以解決一些問題，但同時存在一些缺陷：①成本太高，基本上就是雙倍價格；②占用較大空間，在整車布置上存在困難；③兩套系統間助力切換所需時間。從安全角度上講，當一套系統的某個模塊或部件發生故障后，要立即把信息傳遞到該控制器的微處理器（MCU），MCU確認故障屬實后，再向另一套系統（即備用系統）發出啟動邀請，備用系統啟動進行助力控制。整個切換過程需要在10 ms內完成比較安全，因為對應于120 km/h的車速，10 ms行駛的距離為0.333 m，相對來說屬于安全范圍，而這么多的工作，10 ms內完成，有較大的難度。

為了達到L3的安全等級，同時避免上述的缺陷，本文提出了“冗余”設計的概念，可滿足自動駕駛的需要。下文對EPS的每個電氣部件進行展開說明。

2.1 電機設計

在冗余電機中，采用6相或12相電機，這樣就是雙三相電機或4個三相電機。以6相電機為例，當某一相電機繞組出現故障時，可以關閉對應的3相電機助力，剩下的3相電機仍然能提供50%的助力。測試表明：車輛在靜止狀態下,最大助力的50%可以覆蓋約10%的轉向盤轉角范圍（圖2）；在車輛速度超過15 km/h后，最大助力的50%可以覆蓋約85%的轉向盤轉角范圍（圖3），且該比率隨著車輛速度的提升而提高。

滿足L3的EPS電機設計，采用雙三相電機即可滿足要求，原因如下。

圖2 車輛靜止時轉向力曲線

圖3 車輛時速15 km/h時轉向力曲線

1）當車速大于15 km/h時，50%助力可以滿足85%的齒條行程助力要求。85%的齒條行程，對應轉向盤從中間位置向一個方向的轉動角度為459°（假設轉向盤從中間位置到極限位置轉角為540°），能覆蓋L3規定的“特定駕駛工況下”的轉角范圍。當其中3相突發故障需要關閉時，50%的助力可滿足系統要求，系統仍然控制車輛，同時提醒駕駛員接管車輛。

2）當車速低于15 km/h時，可以借助制動系統和轉向系統的共同工作，系統對車輛進行控制，同時提醒駕駛員接管車輛。

6相電機的設計理念見圖4，將6相繞組分為雙三相繞組，兩套對稱的三相繞組（圖5）空間相差30°，ABC之間相位差120°，UVW之間相位差同為120°，A和U之間相位差30°。

圖4 雙三相電機的設計理念

2.2 扭矩傳感器設計

在滿足L3等級的冗余EPS中，至少需要3路扭矩信號（圖6），有4路信號更好，以確保在其中一路信號發生故障時可以被精確監控并識別。傳統的L2等級的EPS中，多使用2路扭矩信號的扭矩傳感器(圖7)，這類傳感器只能通過相互校驗確定信號是否有問題，當其中一路信號發生故障時，系統能關閉助力，將EPS由電動助力模式切換到純機械模式。

為提升扭矩信號的可靠性，推薦在L3及以上等級的EPS中采用獨立的雙2路信號的扭矩傳感器。

2.3 控制器及電氣系統設計

對于永磁同步電機驅動的EPS，安全等級L2及以下等級的E P S控制器電路原理框圖如圖8所示。

圖5 雙三相電機繞組

圖6 3路信號的扭矩傳感器

圖7 2路信號的扭矩傳感器

圖8 安全等級L2及以下等級的EPS控制器電路原理框圖

傳統L2以下的控制器，當任何一個元器件發生問題，基于安全考慮，EPS都會采取降低助力輸出或關閉助力的措施，如電機位置傳感器發生問題，采取的是關閉助力策略［6］。這種策略在L3的安全等級要求下，需要進行相應的修改。

根據SAE L3的安全等級要求，在車輛檢測到系統發生故障后，會立即通知駕駛員接管車輛。從發生問題到駕駛員接管，期間需要耗費一定的時間，且越長越好。在車輛處于自動駕駛狀態下，需要轉換為駕駛員接管，一方面車輛需要有足夠的措施讓駕駛員從“沉睡”中驚醒，同時需要時間讓駕駛員恢復到清醒狀態，確保車輛安全；另一方面，在這段時間里，系統仍有足夠的能力，確保車輛處于安全狀態。

為了滿足安全要求，對控制器也進行冗余設計，簡單來說，是將控制系統進行雙份設計，即主芯片、電源芯片、預驅電路、CAN收發器、電機驅動橋等均用兩套零件，滿足L3的EPS控制電氣原理圖如圖9所示。其中，主芯片1和主芯片2需要運行不同的算法，且運算后的扭矩指令需要進行比較，同時需要進行時鐘的同步性校驗，以及電機位置解算、扭矩和轉角信號解算后的校核，這樣才能確保在單點失效或有限多點同時失效后，系統仍然能提供一定的助力需求，確保系統有足夠的時間，喚醒駕駛員接管車輛。

3 結束語

車輛自動駕駛是未來的發展方向，作為執行機構的轉向系統，必須確保系統足夠的安全，在發生單點失效或有限多點失效時，系統能控制車輛正常行駛，并有足夠的時間提醒駕駛員接管車輛。本文提出的“冗余”設計概念，不僅適用于EPS，同時也可被車輛上其余需要滿足L3安全等級的電氣部件借鑒；再將電機拓展為9相或12相，同時拓展預驅芯片和電源芯片，能滿足更高的L4或L5的等級要求，以迎接全自動駕駛時代的到來。

［1］ 陳慧.汽車轉向系統電子化技術發展［C］//中國汽車工程學會轉向技術分會年會，2009.

［2］ 耿源.國內第一起！特斯拉再現自動駕駛事故[DB/OL].汽車之家新聞，（2016-08-05）［2018-04-16］.https://www.autohome.com.cn/news/201608/891542.html.

［3］ 網易汽車.2018年引入/強悍自動駕駛 全新奧迪A8首發［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］ 鄭虎，張平，金燦龍.EPS電機位置傳感器故障診斷策略設計［J］.上海汽車，2017（8）：21-24.