飞思卡尔ISO26262 ASIL-D电子助力转向演示系统方案

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1. 概述

汽车电子助力转向系统(EPS)可以降低能耗,提高驾控智能水平,且更容易与其它高级安全系统集成,因而近年来在汽车中得到了大力的推广和发展。在这个领域,国内EPS供应商与国外供应商的主要差距体现在EPS控制技术和系统安全设计两方面。


飞思卡尔半导体公司在2011年推出了“采用永磁同步电机的汽车电子助力转向电控单元解决方案”,旨在帮助国内EPS供应商掌握永磁同步电机的控制技术。这一方案获得了《世界电子元器件》期刊 “2012年全国优秀IC和电子产品解决方案”最佳方案奖。


在2012年的飞思卡尔中国技术论坛上,飞思卡尔又推出了针对道路车辆-功能安全国际标准ISO26262 ASIL-D等级的EPS演示系统方案。该方案不仅演示了采用飞思卡尔功能安全品牌SafeAssure的软硬件产品,如何方便快捷地实现ASIL-D级别的EPS系统,同时也提供了整个开发阶段所涉及的安全设计文档,包括:

● 项目定义
● 危险分析和风险评估
● 功能安全概念
● 系统开发
● 安全确认。


本文将根据图1所示的ISO26262安全生命周期模型来阐述飞思卡尔如何根据ISO26262规范来开发ASIL-D等级的EPS演示系统。

 



图1:ISO26262安全生命周期模型


2. 功能安全概念设计


在概念阶段设计项目(或产品)定义、危险分析和风险评估和功能安全概念。


2.1 项目定义


项目定义描述了EPS系统的主要功能,如下所述:

 

● 根据司机意图,提供转向支持
● 主动回正
● 向车内其它系统提供转向角度(通过CAN网络)


2.2 危险分析和风险评估


危险分析和风险评估需要考虑的要素有:安全功能、失效模式、驾驶场景、严重性、暴露的可能性、可控性以及安全目标、ASIL等级、安全时间和安全状态。


根据分析,EPS系统有如下危险分析和风险评估结果:


● 安全目标1:防止电机产生自主扭矩


确保电机不能自主产生扭矩,这样会使车辆转向偏离司机意图。尤其在高速时,这种扭矩会产生意外的转向,给司机乘客和行人带来危险。这种危险可能源于传感器或电控单元ECU的故障。


ASIL等级:ASIL-D


● 安全目标2:防止电机产生死锁扭矩


确保电机不能锁死,以至司机不能正常转向。电机死锁可能由电气失效或机械失效导致。尤其在高速时,这种意外的扭矩会给司机,乘客和行人带来危险。这种危险可能源于电控单元ECU的故障,或电机及转向系统的机械故障。


ASIL等级:ASIL-D


● 安全目标3:防止系统从“安全状态”错误退出,电机产生突发扭矩


这种工况是指当EPS系统由于故障,如电机异常等原因,已经进入了所谓的“安全状态”。但是由于电气故障,EPS系统错误地从“安全状态”退出,在没有任何告警的情况下,电机重新对转向系统施加意外的扭矩,从而使司机不能按意图控制转向。


ASIL等级:ASIL-A


● 安全目标4:防止电机不提供助力


确保系统运行正常,助力施加正确。助力缺失不会导致车辆失控,因为有机械转向系统存在。一种合理的假设是:当这种故障被检测到后,显示告警信息;司机察觉后,启用“跛行回家”的行车模式,,比如降低车速等。


ASIL等级:QM


经过危险分析和风险评估后,以上四个安全目标的最高ASIL等级是ASIL-D。所以EPS系统的最高ASIL 等级是ASIL-D。


2.3 功能安全概念


为了实现系统的安全目标,对系统架构中的各个要素(Element),如传感器、控制单元和执行单元(电机),都有功能安全需求。功能安全需求主要考虑各要素的ASIL等级、工作模式、安全时间、安全状态、功能冗余即容错性能和各要素的初步架构等。它不涉及具体的硬件和软件实现细节。在EPS系统中,采用了如图2的初步系统架构,可能的功能安全需求示例如下:

 

● 整个EPS系统要求达到ASIL-D的要求。(系统)
● 安全状态的定义必须确保当系统出现致命故障时,电机的行为不会对转向系统不利影响。(系统)
● 系统必须在安全时间内进入安全状态。(控制单元)
● 控制单元必须包括电机控制通道和电机监控通道。(控制单元)

 


图2:EPS功能安全概念

 

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