EPS控制器硬件功能安全性设计与分析研究

关键词： EPS，功能安全，ISO26262，硬件架构指标，故障树分析
I
ABSTRACT
The Research on the Functional Safety Designing and Analysis of EPS Controller
With the application of Electronic/Electrical/Programmable system(E/E/PES) in vehicles becoming more and more influent, the function of vehicle are very rich and the traffic and recalling of vehicles as the failure of electronic system is also increasing too. Although EPS system brings the driving comfort to the drivers, at the same time EPS controller is closely related to safety, it is particularly urgent to do research on how to make the controller meet the assistance performance and the functional safety requirements simultaneously. Since the promulgation of road functional safety standard ISO26262 in 2011, it makes some norms of product development security process life cycle of automotive electrical and electronic, at the same time the fifth part of the standard guides the process of hardware development and evaluation. In this paper, the safety life cycle and automobile safety integrity level is introduced, and the ASIL and safety goal values of the EPS system are confirmed. The hardware structure and the every function module circuits are designed based on the dual core microprocessor of MPC5643L chip. With the ISO26262 standards and IEC62380 data of handbook, through the calculation of the failure data of components, the hardware architecture of parallel redundant circuit of torque sensing is calculated. And an improved strategy with higher hardware architecture value- heterogeneous redundancy circuit, in addition the diagnosis strategy is added into the software strategy to achieve higher hardware architecture. Then with the aid of Isograph fault tree analysis software, the fault tree model of EPS controller is established with "non driver's intention steer" as the top event, in accordance with the sort of acquisition, decision-making, implementation until to the electronic components in the circuit. Through the quantitative calculation of FTA, Probabilistic Metric for Random Hardware Failures value is got to compare and evaluate with the safety goal value.
曰
：
■
期
；
年
ｉ
月
，
曰
摘
要
EPS 控制器硬件功能安全性设计与分析研究
电子/电气/可编程电子系统(E/E/PES)在汽车安全中的应用越来越广泛， 其在丰富汽 车功能的同时，因为汽车电子故障而造成的交通安全和召回车辆也在逐渐增加。EPS 系统给驾驶员带来了驾驶舒适性的同时，控制器作为与转向安全紧密相关部分，如何 使控制器硬件在实现助力功能的前提下还能达到功能安全性要求并证明控制器设计满 足功能安全性要求的研究尤为迫切。 道路功能安全标准 ISO26262 于 2011 年颁布以来， 对于汽车电子电气的功能安全相关产品开发过程的安全生命周期进行了规范，其第五 部分为硬件设计开发和分析评估做了大量指导。 首先本文研究了 ISO26262 标准中对于汽车安全生命周期和安全完整性等级的要 求，确认了 EPS 控制器功能安全完整性等级和安全目标值。并基于锁步技术的双核微 处理器 MPC5643L 为主芯片 EPS 控制器的硬件电路架构设计， 对控制器的采集、 控制、 驱动、通信功能模块电路进行了电路设计。在软件方面设计了基于永磁同步电机力矩 控制的曲线型助力策略。 然后以 ISO26262 标准和 IEC62380 数据手册为基础，通过计算元器件的失效率和 失效模式分布律，对扭矩传感平行冗余电路结构的硬件架构指标计算，给出了一种符 合更高功能安全的电路改进设计策略——异构冗余方法，并在软件策略中加入诊断策 略，通过诊断覆盖率的提高取得了更高的硬件架构安全等级。然后借助 Isograph 故障 树分析软件，对 EPS 控制器以“非驾驶员意向转向”为顶事件进行了故障树建模，按照 采集、 决策、 执行对控制器产生的故障分析， 一直到控制器电路中的电子元器件为止。 结合计算得到的元器件失效数据对故障树定量计算，得到 EPS 控制器的随机硬件失效 率。通过以上分析得到了一种硬件功能安全的评价和计算方法。 最后从功能安全测试的需求建立了原地转向测试试验台和上位机监控软件，对 EPS 控制器进行冗余信号和基本功能测试，通过开发故障注入板对扭矩传感器信号进 行故障注入测试，来验证 EPS 控制器的安全机制符合功能安全需求。
ｉ
ｌ ｉ
ｉ
ｌ
ｉ
ｏ ｆ Ｅ Ｐ Ｓ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒｏ
ｌ ｌ
ｅ
ｒ
作 者 姓 名
：
杨巧亮 辆Ｔ 程
．
领域
（
方向
）
：
指 诗 教 师 类 别 答 辩
ｎ
：
张 述 伟 副 教授
．
：
１
：
巧硕

．
１：
期
：
年 Ｉ月
巧１
未 未 经本 论文 作 者 的 书 面 授 权
分 类 号：U463.44 研究生学号：2013424059
单位代码：10183 密 级：公开
吉 林 大 学 硕士学位论文
（专业学位）
EPS 控制器硬件功能安全性设计与分析研究
The Research on the Functional Safety Designing and Analysis of EPS Controller
IV
目
录
第 1 章 绪论 ...................................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义 ..................................................................................... 1 1.2 电动助力转向系统概述 ......................................................................... 2 1.2.1 EPS 系统的结构 ............................................................................... 2 1.2.2 EPS 系统优点 ................................................................................... 3 1.2.3 EPS 系统的发展现状 ....................................................................... 4 1.3 功能安全国内外研究现状 ..................................................................... 6 1.3.1 国外研究现状 ................................................................................... 6 1.3.2 国内研究现状 ................................................................................... 8 1.4 本文主要的研究内容 ............................................................................. 9 第 2 章 面向功能安全的 EPS 控制器硬件架构设计................................... 11 2.1 功能安全概念 ....................................................................................... 11 2.2 ISO26262 标准介绍 .............................................................................. 13 2.2.1 汽车安全生命周期 ......................................................................... 13 2.2.2 汽车安全完整性等级 ..................................................................... 14 2.3 硬件设计功能安全目标值 ................................................................... 16 2.4 EPS 控制器功能安全目标确认 ........................................................... 17 2.5 EPS 控制器硬件系统结构设计 ........................................................... 19 2.5.1 ECU 可靠性架构的选择 ................................................................ 19 2.5.2 EPS 控制器硬件架构设计 ............................................................. 21 2.6 本章小结 ............................................................................................... 22 第 3 章 EPS 控制器设计 ................................................................................ 25 3.1 EPS 控制器硬件电路设计 ................................................................... 25 3.1.1 供电电路设计 ................................................................................. 25 3.1.2 MCU 最小系统电路设计............................................................... 26 3.1.3 预驱电路设计 ................................................................................. 27 3.1.4 三相桥电路设计 ............................................................................. 28