電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的功能原理簡介

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1、 圖2 ESCL控制模塊 圖1 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的功能原理簡介 陳曉霞， 秦 浩， 路 影， 陳文強(qiáng)， 潘之杰， 趙福全 （浙江吉利汽車研究院有限公司， 浙江 杭州 311228） 摘要： 隨著無鑰匙進(jìn)入及一鍵啟動(dòng)系統(tǒng) （PEPS） 在汽車上的應(yīng)用 ， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖就與PEPS相結(jié)合成為汽車 防盜系統(tǒng)的一部分， 它可以防止汽車在行駛過程中意外上鎖， 有效地提高了汽車的行駛安全。 本文主要

2、介紹電子轉(zhuǎn) 向管柱鎖的基本構(gòu)造、 功能原理及內(nèi)部通信過程。 關(guān)鍵詞： 無鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)； 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖； 功能； 原理 中圖分類號(hào)： U463.854 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)： 1003-8639（2012）04-0012-03 Function and Principle of Electronic Steering Column Lock CHEN Xiao-xia, QIN Hao, LU Ying, CHEN Wen-qiang， PAN Zhi-jie， ZHAO Fu-quan （Geely Automobile I

3、nstitute, Hangzhou 311228, China） Abstract： With the application of RKE and PEPS on vehicles， the electronic steering column lock is combined with PEPS to make a part of the auto guard system， which can prevent unexpected unlocking in driving and improve driving safety. The author int

4、roduces the basic structure， function principle and the inside communication process of ESCL. Key words： PEPS (Passive Entry and Passive Start)； ESCL (Electronic Steering Column Lock)； function； principle 隨著汽車的普及和發(fā)展， 人們對汽車的性能要 求越來越高， 同時(shí)對汽車的安全性問題也越來越關(guān) 注。 為滿足人們對汽車安全性能的要求， 越來越多 的先進(jìn)技

5、術(shù)被應(yīng)用到汽車安全裝置上。 其中， 電子 轉(zhuǎn)向管柱鎖 簡稱 (Electronic steering column lock， ESCL) 與無鑰匙進(jìn)入與 啟 動(dòng) 系 統(tǒng) （ Passive Entry and Passive Start， 簡 稱PEPS） 共同成為安全性能 方面的重要部分[1] ， 已在國內(nèi)外的高檔車型上取得 了廣泛應(yīng)用。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖也是防盜系統(tǒng)的一部 分， 它主要是通過鎖舌系統(tǒng)來給轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行上鎖 和解鎖， 以起到保護(hù)汽車安全的作用， 它的安全目 標(biāo)是防止汽車在行駛中意外上鎖。 無鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)通過一個(gè)用戶攜帶的智 能

6、鑰匙提高了用戶的舒適性和安全性， 隨著無鑰匙 進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖為汽 車安全的提高奠定了基礎(chǔ)， 因其是電子式的， 無需 像機(jī)械鎖那樣需要轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)對汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開 鎖和解鎖， 在電子轉(zhuǎn)向管柱鎖監(jiān)測到上鎖和解鎖所 需 的 條 件都滿足后就能執(zhí)行相應(yīng)的上鎖和解鎖動(dòng) 作， 為用戶提供了很大的便捷。 處理器 （主處理器和從處理器） 、 2 個(gè)霍爾傳感器、 繼 電 器 等 。 控制模塊還包含了看門狗和時(shí)基控制 器。 整個(gè)控制模塊控制了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的工作狀 態(tài)[2]。 ESCL的控制模塊如圖2所示。 1 ESCL的基本架構(gòu)組成 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的結(jié)構(gòu)主要包括

7、以下部分： 鎖 舌、 傳動(dòng)軸、 傳動(dòng)齒輪、 電機(jī)以及控制單元模塊。 它的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1） 鎖舌的位置主要決定了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的 上鎖與解鎖狀態(tài)。 而其控制模塊主要包含了2 個(gè)微 修改稿收稿日期： 2012-01-10 作者簡介： 陳曉霞 （1984-）， 女， 設(shè)計(jì)工程師， 從事車身電子設(shè)計(jì)工作， 研究方向?yàn)檐嚿黼娮涌刂啤? 圖4 ESCL的解鎖流程 圖3 ESCL與PEPS的通信模塊 Operation●Maintenance 使

8、用●維修 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的控制模塊有三 大 特 色 功 2） 能： ①雙防盜—— 非法侵入時(shí)車輛失去轉(zhuǎn)向、 起動(dòng) 功能； ②雙核—— 采用兩塊處理器， 避免因控制器 本 身 故 障 而 產(chǎn) 生 的 問 題 ； ③ 雙 監(jiān) 控—— 利 用 CAN 網(wǎng)絡(luò)和硬線 （Controller Area Network） （Hard wire） 對輸入信號(hào)采取兩路檢測確認(rèn)。 具有高可靠的安全 性和高智能化。 主處理器主要起到功能應(yīng)用及數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 管 的 3） 作用， 而從處理器主要起到數(shù)據(jù)安全檢測的作用。 所連接的鎖舌的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 這一性能主要取決 于PEP

9、S間的通信和選擇的防盜協(xié)議。 這個(gè)過程實(shí)現(xiàn) 主處理器中已包含了 安 全 特 性 ， 包 含 CAN 總 線 接 口， 可執(zhí)行診斷及其他功能。 通過控制橋式電機(jī)電 路的低端驅(qū)動(dòng)進(jìn)行解鎖操作， 而通過控制橋式電機(jī) 電路的高端及低端同時(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上鎖操作。 之前， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖需要通過特定的CAN報(bào)文來 得到相關(guān)信號(hào)， 在解鎖操作之前需要確保與車輛的 駕駛認(rèn)證系統(tǒng)間的認(rèn)證有效。 此認(rèn)證過程如下： 用戶按下啟動(dòng)開關(guān)后， PEPS 發(fā)送一個(gè)PEPS_CAPE_04的信號(hào)給ESCL， ESCL接收 到 從PEPS 發(fā)過來的觸發(fā)信號(hào)以后 ， 接 著 發(fā) 送 一 個(gè) ESCL_Au

10、th_01 信 號(hào) （ 包 含 了 4 字 節(jié) 的 隨 機(jī) 碼 ） 給 主處理器的安全特性有 ： ①ROM （Read Only Memory， 只讀存儲(chǔ)器） 檢測 （ROM內(nèi)容的16位的循 環(huán) 冗 余 校 驗(yàn) ） ； ② RAM （ Random Access Memory， 隨機(jī)存儲(chǔ)器） 數(shù)據(jù)備份 （安全相關(guān)數(shù)據(jù)的多樣化存 儲(chǔ)/周 期 性 的 RAM 檢 測 ） ； ③ EEPROM （ Electrically Erasable Programmable Read， 電 可 擦 除 存 儲(chǔ) 器 ） 循環(huán)冗余校驗(yàn)； ④CPU自檢； ⑤AD轉(zhuǎn)

11、換器測試； ⑥所 有在主處理器和從處理器的連接的退耦來避免回復(fù)系 統(tǒng)； ⑦控制橋式電機(jī)高端上鎖的校驗(yàn)； ⑧系統(tǒng)控制模 塊重啟功能測試； ⑨對從處理器重啟功能測試。 PEPS。 之后， ESCL和PEPS同步采用AES (Advanced Encryption Standard， 高級加密標(biāo)準(zhǔn)) 算法， 各自計(jì) 算 出 4 字 節(jié) 的 加 密 數(shù) 據(jù) 包 。 然 后 PEPS 再 發(fā) 送 PEPS_CAPE_04包含加密數(shù)據(jù)到ESCL， 收到PEPS發(fā) 送的加密數(shù)據(jù)后， ESCL將此加密數(shù)據(jù)與自身生成的 加 密 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 比 較 。 如果兩個(gè)加密數(shù)據(jù)

12、相等 ， 則 ESCL將執(zhí)行解鎖動(dòng)作并將認(rèn)證錯(cuò)誤位清零， 將加密 數(shù)據(jù)與鎖舌位置響應(yīng)信號(hào) 一 起 發(fā) 送 給 PEPS。 此 時(shí) PEPS就將接收到的加密數(shù)據(jù)與自身的加密數(shù)據(jù)再進(jìn) 行 比 較 ， 如 果 相 等 ， 就使能解鎖功能 ， 即 解 鎖 成 從處理器也叫安全處理器 ， 它 包 含 安 全 特 4） 性， 可驗(yàn)證CAN報(bào)文所包含的安全條件， 其中控制 橋式的電機(jī)電路高端驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上鎖操作。 從處理器 的安全特性有： ①自身電壓供給； ②自身具有時(shí)基 控 制 ； ③ROM 檢 測 （ROM 內(nèi)容的循環(huán)冗余校驗(yàn) ） ； 功 ； 如 果 不 相 等 ，

13、 那 么ESCL 將認(rèn)證這個(gè)錯(cuò)誤位置 位， 提醒PEPS解鎖嘗試失敗， 并重啟認(rèn)證過程。 電 ④RAM檢測 （安全存儲(chǔ)包括標(biāo)識(shí)符）； ⑥控制橋式電機(jī)低端上鎖的校驗(yàn)。 ⑤CPU自檢； 子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖流程如圖4所示。 主處理器可直接通過SPI 總 線 將 相 關(guān) 的CAN 報(bào) 文傳輸?shù)綇奶幚砥髦小?主處理器可單獨(dú)完成轉(zhuǎn)向管 柱的解鎖操作， 而上鎖操作則需要主處理器和從處 理器同時(shí)來完成。 2 ESCL的功能特性介紹 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖是防盜系統(tǒng)的一部分， 它可以提 供以下功能： ①防止未經(jīng)過車輛認(rèn)證許可的動(dòng)作給轉(zhuǎn) 向管柱上鎖； ②通過車輛認(rèn)證許可后給轉(zhuǎn)向管柱解 鎖。

14、 在汽車使用PEPS系統(tǒng)時(shí)， 與之匹配的就是電子轉(zhuǎn) 當(dāng)然， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功能也需要滿足一 定的條件才能使能， 而滿足電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功 能的條件為： 首先需要一個(gè)來自防盜控制器的認(rèn)證請 求 （也作為觸發(fā)條件）； 其次是來自PEPS的合法的認(rèn) 證。 在同時(shí)滿足這兩個(gè)條件后如果監(jiān)測到一個(gè)有效的 解鎖請求， 就驅(qū)動(dòng)電機(jī)來調(diào)整鎖舌到解鎖狀態(tài)。 2.2 ESCL的上鎖功能 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖進(jìn)行上鎖操作的預(yù)判條件是由 向 管 柱 鎖來設(shè)置汽車的防盜系統(tǒng) ， 他 們 之 間 通 過 CAN 總線來通信[3] 。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖通過 傳 感 器 來 監(jiān)測鎖舌的位置對轉(zhuǎn)

15、向管柱進(jìn)行上鎖和解鎖。 電子 轉(zhuǎn)向管柱鎖ESCL與PEPS的通信模塊如圖3所示。 2.1 ESCL的解鎖功能 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功能是由微處理器來控 制的， 微處理系統(tǒng)處理報(bào)文及開始上鎖或解鎖的動(dòng) 作是由一個(gè)DC （直流） 電機(jī)控制通過傳動(dòng)齒輪裝置 整 車 系 統(tǒng) 來 提 供 的 ， 這些預(yù)判條件是由許多來自 《汽車電器》2012 年第 4 期 13 圖6 ESCL的上鎖內(nèi)部流程圖 圖5

16、 ESCL的上鎖流程 使用●維修 Operation●Maintenance CAN 總線的信號(hào)組成的 ， 包 括 輪 速 信 號(hào) 、 轉(zhuǎn) 速 信 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖內(nèi)部流程如圖6所示。 號(hào)、 電源模式狀態(tài)信號(hào)和繼電器盒內(nèi)的IGN1 狀態(tài)。 如果預(yù)判條件有效， 此時(shí)若有一個(gè)特定的觸發(fā)信號(hào) 會(huì)使能ESCL進(jìn)行上鎖操作， 隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖舌到鎖 止位置時(shí)即實(shí)現(xiàn)了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖功能。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖功能需要滿足以下條件 才能實(shí)現(xiàn)。 ①觸發(fā)條件： 駕駛員門由關(guān)閉到打開或 者中控鎖關(guān)閉； ②從ABS (Anti-lock Brake

17、System， 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)) 發(fā)出的車速信號(hào)≤1 km/h； ③發(fā)動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 無 效 （ 在IGN1 OFF 后無法再接收 到 任 何 轉(zhuǎn) 速）； ④繼電器盒內(nèi)的IGN1狀態(tài)為OFF； ⑤PEPS提供 的帶能源模式為OFF； ⑥內(nèi)部自檢沒有錯(cuò)誤。 在觸發(fā)條件中的任意一個(gè)條件得到滿足， 并且以 上5個(gè)預(yù)判條件確定有效以后， ESCL會(huì)以CAN報(bào)文形式 發(fā)送上鎖狀態(tài)信息， 然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖舌到上鎖位置。 值得注意的是， 在判斷輪速信號(hào)是否有效時(shí) ， 需 要 滿 足以下條件才能進(jìn)行判斷 ： 電 子 穩(wěn) 定 程 序 （Electronic Stability

18、Program， 簡 稱ESP） 的 規(guī) 范 要 求首先需要確認(rèn)循環(huán)冗余校驗(yàn)無錯(cuò)誤， 其目的是確 保網(wǎng)關(guān)在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中無錯(cuò)誤； 其次， 要 求報(bào)文計(jì)數(shù)器無錯(cuò)誤， 即數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中無漏 除數(shù)據(jù)現(xiàn)象， 保證數(shù)據(jù)幀的完整傳輸； 最后， 要求至 少3個(gè)輪速信號(hào)有效 （且輪速信號(hào)的值要小于1 km/h）。 對ABS相應(yīng)的約束條件為： 點(diǎn)火開關(guān)為OFF狀態(tài)時(shí)， 在連續(xù)30 s內(nèi)， 輪速信號(hào)為0的情況下， ABS不再發(fā) 送 輪 速 信 號(hào) ， 同 時(shí) 繼 電 器 關(guān) 閉 ， 即IGN1 OFF， 發(fā) 3 ESCL的機(jī)械設(shè)計(jì)說明 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的正常工作電壓為12 V， 它

19、的低 壓范圍為＜8 V， 過壓范圍為＞16 V。 如果出現(xiàn)過壓或 低壓情況時(shí)， ESCL就會(huì)通過診斷來存儲(chǔ)錯(cuò)誤信息， 這里電子轉(zhuǎn)向管柱通過兩個(gè)Pin 腳 與 電 源 相 連 。 關(guān) 于對極性顛倒所進(jìn)行的保護(hù)， 這里采用二極管來實(shí) 現(xiàn)。 ESCL通過CAN總線與整車進(jìn)行通信。 動(dòng) 機(jī) 管 理 系 統(tǒng) 簡 稱 （ Engine Management System， EMS） 不再發(fā)送轉(zhuǎn)速信號(hào)。 在滿足這些條件后， 如 果出現(xiàn)遙控開關(guān)發(fā)出中控鎖關(guān)閉命令或駕駛員車門 由關(guān)閉到打開兩個(gè)觸發(fā)條件中的任意一個(gè)， ESCL可 執(zhí)行上鎖操作。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖和解鎖動(dòng)作的

20、執(zhí)行是通 過CAN總線與PEPS通信， 然后驅(qū)動(dòng)鎖舌改變位置來 決定的。 ESCL的上鎖流程如圖5所示。 4 結(jié)束語 ESCL 是 在PEPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 發(fā) 展 起 來 的 ， 隨 著PEPS 系統(tǒng)的 廣 泛 應(yīng) 用 ， ESCL 也越來越受到汽車 界的重視， 它高安全性和高智能化的特點(diǎn)也正順應(yīng) 了廣大消費(fèi)者的需求。 本文著重介紹了ESCL的結(jié)構(gòu) 原理及功能， 詳細(xì)闡述了ESCL的解鎖和上鎖過程以 及內(nèi)部通信過程。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的廣泛應(yīng)用體現(xiàn) 了汽車安全系統(tǒng)的又一重要突破和創(chuàng)新。 目 前 ， 國 內(nèi) 有 很 多汽車上都應(yīng)用電子式轉(zhuǎn)向 鎖， 最為典型是豐田汽車的

21、凱美瑞和大霸王， 并且 得到了廣大用戶的認(rèn)可。 參考文獻(xiàn)： ［1］ GB / T 7258-2004， 機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)條件［S］. ［2］ 張雄偉. 單片機(jī)的原理與開發(fā)應(yīng)用 （ 第 三 版 ） ［M］. 北 京 ： 電子工業(yè)出版社， 2003. ［3］ ISO 76372-2 (2004) Road Vehicles-Electrical Disturban- ces From Conduction and Coupling-Part 2: Electrical Tra- nsient Conduction Along Supply Lines Only［S］. 2004. （編輯 孫韶華） 14 《汽車電器》2012 年第 4 期