基于道路汽车功能安全标准要求的7DCT驻车位置传感器新策略设计

吴小萍，姚文博，谭艳军，林霄喆，王瑞平，2

（1.宁波上中下自动变速器有限公司，浙江 宁波 315800；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

随着汽车自动化控制要求越来越高，电控系统在汽车控制领域的应用也日益增加，而电气系统的信号可靠性有时直接影响驾驶员的人身安全。因此道路汽车功能安全标准ISO 26262常会根据项目的开发过程需求，考虑系统信号的鲁棒性，使用冗余硬件信号以提高电气硬件系统安全功能等级［1］。

而对于自动变速器，驻车系统的可靠性是关系功能安全的关键系统。目前车上越来越多用到自动驻车机构。

自动驻车系统主要包括：驻车机构、驻车执行器、驻车位置传感器等。其中驻车位置传感器精确检测驻车位置属于自动变速器功能安全最高等级要求ASIL C。

根据ISO 26262的要求，对于ASIL C的安全目标相关硬件指标要求为：单点随机失效率≥97%；潜在随机失效率≥80%［2］。而根据现市场上多家著名传感器供应商分析，目前单个位置传感器普遍仅能达到ASIL B硬件功能安全等级要求，因此单个传感器信号无法达到ASIL C的要求。

降低系统单点故障指标的一种方法是冗余设计，如设计2个传感器进行相互校验，2个传感器同时发生故障，才会发生失效，能巧妙地将单点故障转化成多点故障，使系统单点故障指标得到提高［2］。

而目前为考虑到变速器的车辆平台化，使用空间非常有限，因此本文将以7DCT驻车系统为实例，主要说明如何在有限空间局限下，巧妙合理设计2个驻车位置传感器，以及这2个驻车位置传感器的控制策略设计。

1 7DCT驻车系统介绍

驻车系统结构如图1所示。因空间局限性及开发成本考虑，通常驻车执行器不单独开发，由选换挡执行器驱动整车系统运转。如图1，该设计方案也是由选换挡执行器驱动，通过选挡和换挡功能实现换挡指的转动，换挡指带动驻车机构平移，由驻车机构内部系统结构设计，实现驻车棘爪的旋转，配合驻车棘轮，即可实现驻车与非驻车状态。如图2所示，当棘爪对准棘轮齿根时，当前处于驻车状态；若棘爪对准棘轮齿顶时，将处于非驻车状态。

2 驻车位置传感器

2.1 执行器电机位置传感器

目前变速器领域用到的各电机普遍采用无刷直流电动机，为精确探测位置／转速，会匹配3个转子位置传感器。

基于上方谈到的驻车系统结构上来看，通过执行器中无刷电机的3个位置传感器可精确检测到驻车机构的移动位移，以此推算当前是否处于驻车状态。因此从软件功能角度，使用无刷直流电机3个位置传感器检测位置满足功能要求。

图1 驻车系统机构

2.2 功能安全角度系统优化点

但从功能安全角度考虑，该系统存在以下两点问题：选换挡执行器内部发生卡滞；驻车机构发生故障。

如图3所示，①代表disengaged状态，②代表middle位置，③代表engaged状态。当发生A或B故障时，执行器正常运行，从①位置运行到③位置，这时电机位置传感器会识别电机转子转动增量，软件根据电机位置传感器信号信息，判断当前处于③engaged状态。而此时由于A或B故障发生，动力并未有效传递到驻车机构，导致驻车棘轮及棘爪的位置仍然处于①disengaged状态。因此从功能安全角度考虑，单单电机位置传感器不能满足安全系统要求。

图2 驻车棘爪与棘轮相对位置图

图3 系统运动简图

为提高系统鲁棒性设计，上方引言也提到，通常会引用双传感器检测，用于相互校验。

2.3 冗余位置传感器设计

根据系统结构分析，冗余位置传感器潜在检测点位置共3处，如图4所示。

图4 冗余传感器潜在检测位置点

检测位置1：可直接检测换挡指运行角度，可规避故障B，但无法规避故障A。

检测位置2：在驻车机构上引出位置传感器的检测对象，可同时规避故障A和故障B。

检测位置3：检测驻车棘轮角度。但因车辆在执行驻车时，不能保证每次驻车棘轮齿根处刚好对准棘轮，通常在执行驻车后，在棘轮少许转动时，受驻车机构内部弹簧力，驻车棘爪才会真正地驻进棘轮。因此在检测位置3会造成车辆一直无法完成驻车的假象，引起客户抱怨。

从上面分析，检测位置2最佳。

传感器检测目标对象通常为磁铁或销 （或其他非磁铁原件）。

采用磁铁为检测目标对象优缺点：位置传感器信号精度好，但成本及空间需求大。

但往往受变速器内部空间局限性，位置传感器的检测目标无法做成磁铁式。本文中7DCT采用的目标对象为销。

而由于受驻车机构机械公差、壳体相关定位孔公差、传感器机械公差，导致这套系统对传感器气隙要求范围广，以及disengaged／middle／engaged这几个状态的机械公差大，所以导致该冗余位置传感器信号精度差，无法检测出当前的驻车状态。如图5信号曲线，在获取一定的PWM值，所对应的位置范围太大。

图5 位置传感器信号曲线

因此新策略设计，需考虑如何根据当前系统设计，满足系统功能安全等级要求。

2.4 冗余位置传感器新策略设计

从功能角度，执行器内部电机位置传感器足够探测当前驻车位置，而考虑到功能安全要求需探测故障A和故障B的模式，避免执行器内部电机位置传感器信号不可行。

若发生故障A时，驻车机构无法正常移动；若发生故障B时，动力无法传递到驻车机构，因此驻车机构也无法移动。

因此该冗余传感器的策略可由检测驻车位置改变为检测驻车机构是否移动。

从传感器信号角度区分，可判断传感器PWM波是否有增减量，如设定增减量为10%，即可判断驻车机构是否移动，及通过增量或者减量判断驻车机构的移动方向。

且从功能安全角度考虑，由disengage变到engage这个过程产生误报，会涉及到驾驶员的人身安全，而engage到disengage的误报不会产生人身安全。因此总结驻车系统策略如下。

1）控制器收到park engaged指令值。

2）控制器驱动执行器运转，这时软件会检测电机位置传感器，获取电机运行角度，计算驻车移动距离是否到达要求。

3）驻车机构受换挡指驱动发生移动，冗余位置传感器探测到信号发生变化，当信号PWM值增量大于10%时，判断驻车机构确实由disengaged位置往engaged位置方向移动。

4）策略根据2）和3）的结果，判断当前系统是否确实在engaged状态。

3 结论

本文基于汽车功能安全标准要求下，应用双驻车位置传感器，通过信号的冗余相互验证，以提高系统的鲁棒性。

而根据实际项目系统应用环境、空间局限性及机械公差范围大等情况，引入驻车位置传感器新的策略，对本驻车系统的位置检测策略开发提供了一定的研究方法。