摘要：作为执行机构的电动助力转向系统，需要进行冗余设计，才能满足整车高等级的自动驾驶需要。本文从功能安全等级类着手，提出满足1、3等级的EPS电机、扭矩传感器、控制器等电控系统硬件的冗余概念设计，为满足自动驾驶需求的转向系统设计提供了借鉴。

    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，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。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8～10s的时间评估路况，然后重新控制车辆。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，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1了小时出现1次突然失去助力失效为1fit。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驶的安全等级，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。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、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。

    满足L3安全等级的车辆，可以在高速公路上自动驾假设车辆时速为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。
    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1.3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。
    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4590（假设转向盘从中间位置到极限位置转角为5400），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1200，A和U之间相位差30°。

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