转向系统专用集成电路及其操作、以及具有这样的电路的转向系统控制单元和转向系统的制作方法

本发明涉及转向系统专用集成电路、具有转向系统专用集成电路的转向系统控制单元以及包括具有转向系统专用集成电路的转向系统控制单元的转向系统。

背景技术：

1、当前机动车辆（特别是乘用车）的机电转向系统包括复杂的转向系统控制单元，以用于控制转向系统具有的、用于将转向指令转换成机动车辆的可转向车轮的对应转向运动的一个或更多个电机。例如，从wo 2021/198471 a1中已知具有转向系统控制单元的转向系统。

2、用于机动车辆的转向系统的转向系统控制单元目前通常包括用于致动电机、控制其操作和监测其操作的各种元件。通常，转向系统控制单元被设计为具有专用功率管理芯片（pmic；pmic：功率管理集成电路）或系统基础芯片（sbc）的电子控制单元（ecu；ecu：电子控制单元），其中，pmic或sbc调节和监测转向系统控制单元的各种电源区域。栅极驱动器芯片（gdu；gdu：栅极驱动器单元）接收控制信号并生成用于外部晶体管的致动信号，特别是mosfet（mosfet：金属氧化物半导体场效应晶体管），这些外部晶体管通常在桥式电路中互连并最终驱动电机。

3、整个转向系统控制单元通常由专用微控制器（mcu；mcu：微控制器单元）控制，在该专用微控制器上执行具有若干软件部件的两个软件层。软件部件大致可以分为较低和较高的软件级别，其中较低的软件级别主要负责硬件控制、电机控制以及诊断和安全功能，而较高的软件级别则处理与应用相关的功能。

4、ep 3 676 158 b1还公开了包括专用集成电路（asic；asic：专用集成电路）的电机控制单元。专用集成电路作为硬件实现方式来执行低软件级别（基础软件层）的功能。这实现了高速电机控制，并且也改善了系统的nvh性能（nvh：噪声、振动、粗糙度）。根据ep 3 676158 b1的电机控制单元仍然需要专用能量管理芯片、外部栅极驱动器单元和外部mcu来执行更高的软件级别功能。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明的目的是提供改进的转向系统控制单元和改进的转向系统。有利地，减少了转向系统控制单元的独立硬件部件的数量。此外，可以降低对转向系统控制单元的mcu的性能要求。

2、提出了解决该问题的转向系统专用集成电路和转向系统控制单元、转向系统以及用于操作转向系统专用集成电路的方法。在说明书中描述了本发明的其他有利的改进，并在附图中示出。

3、所提出的解决方案提供了转向系统专用集成电路，该转向系统专用集成电路包括：具有若干功能块的主块；至少一个栅极驱动器单元，特别是若干栅极驱动器单元，此外特别是一个栅极驱动器单元和一个继电器驱动器单元；至少一个接口；以及至少一个具有若干输入的ad转换器（ad：模拟转数字），其中，接口特别设计用于与外部单元即与位于转向系统专用集成电路外部的单元交换数据。转向系统专用集成电路的主块包括作为功能块的转向系统电机控制器、致动器管理单元、系统诊断单元和能量管理控制器，能量管理控制器也可以被称为功率管理控制器。转向系统电机控制器被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间控制转向系统电机的操作，其中，至少一个ad转换器被配置成：在转向系统电机控制器的转向系统专用集成电路的操作期间，提供用于控制转向系统电机的操作的数字化传感器信号，其中，传感器信号特别地源自外部传感器，该外部传感器特别地不包括在转向系统专用集成电路中。致动器管理单元有利地被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间监测转向系统特别是转向系统的正确功能，并且触发转向系统电机的关闭。系统诊断单元被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间监测转向系统控制单元的功能块和/或其他部件的功能性。能量管理控制器被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间提供不同电压范围内的所需电压。因此特别地，能量管理控制器是能量供应单元。特别地，致动器管理单元被设计成监测系统如何运行。有利地，致动器管理单元基于各种输入信号，特别是基于从系统诊断单元接收的输入信号来决定转向系统电机是否必须关闭。特别地，致动器管理单元可以一方面呈现接通（on）状态，另一方面呈现断开（off）状态，并且以这种方式有利地接通或断开栅极驱动器单元和相继电器。特别地，转向系统专用集成电路的操作也是当机动车辆在使用时、在机动车辆的机电转向系统的转向系统控制单元中的转向系统专用集成电路的操作。

4、转向系统专用集成电路的栅极驱动器单元有利地代替具有栅极驱动器单元的至少一个外部芯片。特别地，提供栅极驱动器单元和继电器驱动器单元作为至少一个栅极驱动器单元。有利地，转向系统专用集成电路的栅极驱动器单元和继电器驱动器单元代替具有对应的单元的两个外部芯片，所述两个外部芯片特别需要控制与转向系统电机相关联的桥式电路的晶体管（特别是mosfet）以及用于系统的安全和保护的其他开关和/或继电器（特别是mosfet开关和/或继电器）。这有利地减少了转向系统控制单元所需的独立硬件部件的数量。另外，能量管理控制器有利地代替具有能量管理控制器特别是pmic的外部芯片。这还有利地减少了转向系统控制单元所需的独立硬件部件的数量。

5、另一个优点是，转向系统专用集成电路还被配置成：与其他计算单元、特别是与转向系统控制单元（转向系统专用集成电路是该转向系统控制单元的一部分）内的其他计算单元和/或与转向系统控制单元外部的单元安全地通信。有利地，转向系统专用集成电路支持以下通信协议中的至少一种：can（can：控制器局域网）；flexray；以太网。有利地，这实现了使得能够拥有更高的处理速度的直接通信。

6、此外，具体地规定，转向系统电机控制器还被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间，通过生成脉冲宽度调制相电压来控制转向系统电机的功率，特别是考虑到存在于至少一个ad转换器的输入处并且由至少一个ad转换器转换的信号。

7、根据有利实施方式，转向系统专用集成电路的至少一个接口包括至少一个传感器接口。这有利地被配置成接收来自转向系统传感器的信号，并且特别地使其可供转向系统专用集成电路的主块使用。特别地，提供所谓的gpio端口（gpio：通用输入/输出）作为转向系统专用集成电路的接口，其中，端口的每个引脚可以有利地被编程为输入或输出。因此，转向系统专用集成电路的接口有利地使得能够直接处理所提供的传感器信息，这还有利地改善了性能。

8、另一有利的设计规定至少一个接口包括用于与微控制器单元交换信号的外设接口，特别是串行外设接口。特别地，该微控制器单元可以包括转向系统控制单元以及转向系统专用集成电路。然而，微控制器单元也可以是位于转向系统控制单元外部的外部微控制器单元，特别是分配给转向系统的致动器的微控制器单元。

9、有利地，转向系统专用集成电路还包括dc-dc转换器（dc：直流），其特别地被配置成从由机动车辆或机动车辆电池提供的电源范围，特别地从12 v或48 v电源范围（v：伏特）向转向系统供电。特别地，dc-dc转换器可以是电感式dc-dc转换器，尤其是降压转换器、降压-升压转换器、电容式开关调节器或具有可定义比率的降压电荷泵，其中，降压电荷泵特别地驱动较小的降压转换器或线性调节器，以便进一步降低系统的初级模拟供电轨的供电电压。

10、有利地，转向系统专用集成电路还被设计成使得它可以从至少一个ad转换器和/或从多个ad转换器通道（在时分复用ad转换器的情况下）读出这些信号。特别地，至少一个ad转换器被设计为具有不同的ad转换器通道的时分复用ad转换器。特别地，为每个传感器提供专用ad转换器。数字传感器有利地可以经由转向系统专用集成电路的gpio端口被读出。有利地，转向系统专用集成电路以这种方式特别通用。

11、另一有利的设计为转向系统专用集成电路提供了基于risc原理（risc：精简指令集计算）的处理器架构。处理器架构有利地包括arm处理器（arm：高级risc机器）或risc-v处理器，也称为risc-v内核。具体地，arm处理器或risc-v处理器用于实现功能块的功能。根据一个设计变型，转向系统专用集成电路采用硬连线用户自定义逻辑来实现逻辑，作为asic实现方式。

12、另一优点是：转向系统专用集成电路的栅极驱动器单元被设计成直接连接至车辆电池的电源区域，特别是连接至车辆电池的基于12 v或48 v的电源区域。当转向系统专用集成电路用于机动车辆中的机动车辆转向系统的转向系统控制单元中时，栅极驱动器单元因此有利地直接连接至车辆电池的电源部分，这还有利地降低了硬件复杂性。栅极驱动器单元还有利地被配置成生成用于外部mosfet的致动信号，经由该致动信号致动转向系统电机。栅极驱动器单元，特别是栅极驱动器单元的高侧/低侧驱动器，可以有利地包括电荷泵。电荷泵可以有利地用于将致动信号转换至正确的电平。

13、根据另一有利设计，转向系统专用集成电路具有多个低压调节器，特别是n个低压调节器ldo-1至ldo-n（ldo：低压差调节器）。有利地，低压调节器被设计成即使输入电压仅略微大于输出电压时也提供恒定的输出电压。特别地，规定经由低压调节器ldo-1至ldo-n向包括转向系统专用集成电路的转向系统控制单元的所有传感器、收发器和其他电路供电。转向系统专用集成电路的内部ldo有利地确保转向系统专用集成电路自身的电源。

14、根据另一有利实施方式，转向系统专用集成电路包括asic监测控制器，该asic监测控制器被设置成为转向系统专用集成电路提供基本管理和支持功能。有利地，管理和支持功能包括监测低压调节器和dc-dc转换器，和/或激活或停用用于节能的部件，和/或针对过压和欠压的保护功能，和/或内部时钟信号的管理及其同步。有利地，这还提高了转向系统专用集成电路的可靠性和性能。

15、此外，转向系统专用集成电路有利地包括电流测量电路。特别地，这被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间，借助于连接至转向系统专用集成电路的至少一个另外的传感器、特别借助于分配给电机的转子位置传感器实现转向系统电机的闭环控制。

16、特别地，规定转向系统电机控制器被设计成使用脉冲宽度调制（pwm）来控制转向系统电机的功率，其中，转向系统电机控制器在输出相处有利地生成脉冲宽度调制相电压以用于致动电机。特别地，反馈信号用于控制，具体包括用于检测相电流的在电测量电阻器（分流器）两端所下降的电压信号，以及来自转子位置传感器的模拟信号。用于相电流测量的电压信号和转子位置信号二者都有利地经由至少一个ad转换器馈送至转向系统电机控制器。数字化转子位置信号有利地用于执行相电流到用于控制的坐标系的变换。

17、转向系统专用集成电路的另一有利设计规定，主块包括作为另外的功能块的专用功能块。专用功能块有利地配置成使得用于机电转向系统的专用功能可以在专用功能块中实现。根据另一方面，这些专用功能被通用化使得它们也可以用于其他电机控制应用。有利地，操作机电转向系统所需的另外的外设电路也集成在转向系统专用集成电路中。

18、有利地，转向系统专用集成电路还包括用于一些传感器信号的旁路功能，特别是用于来自转向角传感器和/或扭矩传感器的传感器信号。转向系统专用集成电路还有利地被配置成对这些传感器信号进行数字处理和滤波，将它们用于可信度检查、诊断功能和初始化，并且使它们可用于也包括在转向系统控制单元中的微控制器单元。有利地，高级软件功能可以访问该信息。此外，转向系统专用集成电路还具有必要的phy接口，在转向系统专用集成电路内的转向系统的操作期间，这有利地能够实现与这些传感器信号的交互。

19、为了解决开头提到的任务而进一步提出的用于机动车辆的机电转向系统的转向系统控制单元，包括根据本发明提出的转向系统专用集成电路。特别地，转向系统控制单元包括转向系统专用集成电路，该转向系统专用集成电路包括：具有若干功能块的主块；至少一个栅极驱动器单元，特别是栅极驱动器单元和继电器驱动器单元；至少一个接口；以及至少一个ad转换器。主块包括作为功能块的转向系统电机控制器、致动器管理单元、系统诊断单元和能量管理控制器。转向系统电机控制器被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间控制转向系统电机的操作。另一优点是：转向系统电机控制器被配置成通过生成pwm信号表示的相电压（pwm-signaled phase voltage）来控制转向系统电机的功率。为此，有利地使用反馈信号，包括用于在电测量电阻器处的相电流测量的模拟电压信号和来自转子位置传感器的模拟信号。相电流信号和位置信号二者都经由转向系统专用集成电路的ad转换器馈送至转向系统电机控制器，其中，数字化位置信号有利地用于转换至由调节器使用的坐标系。致动器管理单元有利地被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间监测转向系统，并且触发转向系统电机的关闭。系统诊断单元被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间监测转向系统控制单元的功能块和/或其他部件的功能性，以及能量管理控制器被配置成在转向系统专用集成电路的操作期间提供不同电压范围内的所需电压。特别地，转向系统控制单元的转向系统专用集成电路可以单独地或组合地具有上述特征。这有利地使得能够实现上述关于转向系统控制单元的优点。

20、此外，特别规定，转向系统控制单元包括多个转向系统传感器，特别是以下传感器中的至少一个，特别是以下所有传感器：转子位置传感器；电测量电阻器，特别是分流器；电池电压监测传感器；温度传感器；扭矩传感器；转向角传感器。

21、根据另一有利实施方式，转向系统控制单元包括微控制器单元，特别是a-mcu（a-mcu：应用微控制器单元）。微控制器单元有利地被配置成存储操作转向系统所需的配置，其中，微控制器单元和转向系统专用集成电路还有利地被配置成：当转向系统控制单元启动时彼此通信，从而将配置从微控制器单元加载至转向系统专用集成电路中。更高软件级别的功能也可以在微控制器单元上运行。

22、转向系统控制单元的一种设计变型规定，转向系统控制单元包括存储器单元，特别是闪存，以及更具体地是外部闪存。存储器单元有利地被配置成存储操作转向系统所需的配置，其中，存储器单元和转向系统专用集成电路还有利地被配置成：当转向系统控制单元启动时彼此通信，从而将配置从存储器单元加载至转向系统专用集成电路中。如果提供位于转向系统控制单元外部的外部微控制器单元，特别是分配给致动器的微控制器单元，则该设计是特别有利的。例如，在智能致动器的实现方式中可能是这种情况，其中，软件被重新定位至区域计算机或中央计算机。

23、为了解决开头提到的问题而进一步提出用于机动车辆的机电转向系统包括：转向轴，经由该转向轴可以借助于转向手柄指定转向命令；转向致动器，其具有至少一个电机作为转向系统电机，其中，转向致动器被设计成使用电机将转向命令转换成机动车辆的可转向车轮的转向运动；以及根据本发明设计的转向系统控制单元。

24、特别地，机电转向系统包括转向系统控制单元，该转向系统控制单元包括转向系统专用集成电路。转向系统专用集成电路包括：具有若干功能块的主块；至少一个栅极驱动器单元，特别是栅极驱动器单元和继电器驱动器单元；以及至少一个接口，其中，主块包括作为功能块的转向系统电机控制器、致动器管理单元、系统诊断单元和能量管理控制器，并且其中，转向系统电机控制器被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间控制转向系统电机的操作，并且特别地，通过生成脉冲宽度调制相电压来控制其功率。

25、转向系统专用集成电路的至少一个ad转换器有利地被配置成向转向系统电机控制器提供数字化传感器信号，用于在转向系统专用集成电路的操作期间控制转向系统电机的操作，其中，反馈信号特别用于控制。反馈信号有利地包括在与电机相关联的电测量电阻器两端所下降的并对应于相电流的模拟电压信号，以及来自与电机相关联的转子位置传感器的模拟信号。有利地，用于相电流测量的电压信号和转子位置信号经由至少一个ad转换器的输入被数字化并馈送至转向系统电机控制器。此外有利的是，数字化转子位置信号用于执行将相电流转换至调节器使用的坐标系。

26、还由转向系统专用集成电路包括的致动器管理单元有利地被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间，特别是在机动车辆中的转向系统的操作期间，监测转向系统，特别是转向系统的正确功能，以监测转向系统，特别是转向系统的正确功能，并且触发转向系统电机的关闭。还包括在转向系统专用集成电路中的系统诊断单元被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间，特别是在机动车辆中的转向系统的操作期间，监测转向系统控制单元的功能块和/或其他部件的功能性，并且能量管理控制器被配置成：在转向系统专用集成电路的操作期间，特别是在机动车辆中的转向系统的操作期间，提供不同电压范围内的所需电压。特别地，转向系统控制单元的转向系统专用集成电路可以单独地或组合地具有上述特征。这样的优点在于：实现上述与转向系统相关的转向系统专用集成电路的优点。特别地，根据有利的设计变型，机电转向系统被设计为线控转向系统。

27、为了解决开头提到的问题，还提出了用于操作根据本发明设计的集成电路的方法，该集成电路用于具有机电转向系统的机动车辆中（特别是在具有根据本发明设计的机电转向系统的机动车辆中）的转向系统应用，其中，转向系统包括具有相关联的转子位置传感器和相关联的电测量电阻器的转向系统电机，其规定：转向系统专用集成电路的转向系统电机控制器在转向系统专用集成电路的操作期间调节转向系统电机的操作，并且通过生成的脉冲宽度调制相电压来控制其功率。转向系统电机控制器有利地使用反馈信号来控制转向系统电机，其中，反馈信号包括在电测量电阻器两端所下降的并对应于相电流的模拟电压信号，以及来自转子位置传感器的模拟信号。用于相电流测量的电压信号和转子位置信号二者都有利地经由转向系统专用集成电路的至少一个ad转换器的输入被数字化并馈送至转向系统电机控制器。另外，数字化转子位置信号有利地由转向系统电机控制器使用以执行相电流到用于控制的坐标系的变换。