Elektroninen ohjaus eli Steer-by-Wire on käsitteenä tuttu jo vuosien takaa. Siitä huolimatta tuotantovaiheeseen ei ole vielä päässyt juuri lainkaan ilman ohjauspyörää ohjattavissa olevia ajoneuvoja tiukkojen tienkäytön turvamääräysten vuoksi. Nyt ensimmäiset ajoneuvojen tuotantoon tarkoitetut elektronisen ohjauksen mahdollistavat ratkaisut ovat saatavissa.

Artikkelin on kirjoittanut Rutronikin Ralf Hickl. Hän toimii yrityksessä Automotive-liiketoimintayksikön tuotemyyntipäällikkönä.

Nykyisissä servo-ohjausjärjestelmissä ohjauspyörä ja ohjausvaihde on kytketty mekaanisesti toisiinsa, jolloin kuljettaja ohjaa ohjauskulmaa kaikissa tilanteissa. Sen sijaan elektronisessa ohjauksessa ei mekaanista kytkentää tarvita, vaan sähköinen ohjausjärjestelmä vastaa täysin ohjauskulman vääntövoimasta. Kuljettaja saa korkeintaan ohjauspyörän – jos sellainen vielä on käytössä – välityksellä palautetta vaadittavista toimenpiteistä kulloisenkin ohjauskulman aikaansaamiseksi. Signaalit voidaan yhtä hyvin vastaanottaa ohjaussauvasta tai ajoneuvon navigointijärjestelmästä.

Ohjauspyörä ja ohjauspyörän akseliin kiinnittävä mekaniikka voidaan jättää kokonaan pois elektronista ohjausta käytettäessä. Tästä on paljon etua etenkin turvallisuuden kannalta. Ohjauspyörän akseliin kiinnittävä tanko on erityinen turvallisuusriski kuljettajalle ajoneuvojen edestäpäin tapahtuvissa törmäystilanteissa. Samalla ajoneuvon sisätiloissa vapautuu paljon tilaa, joihin voidaan sijoittaa uudenlaisia suunnitteluja ja konsepteja. Vapautuvaa tilaa voidaan käyttää myös autonomisessa ohjauksessa tarvittavien antureiden ja ohjausyksikköjen sijoittelua varten. Ne ovat välttämättömiä elektronisen ohjauksen toteuttamisessa ilman kuljettajaa ohjattavissa ajoneuvoissa.

Rakenteeltaan kehittyneimmissä järjestelmissä ohjausvaihteeseen siirtyvät signaalit perustuvat dataan, jota on kerätty monista eri lähteistä, kuten antureilta, kameroilta, ajankohtaisesta tilatiedosta ja ympäröivän alueen kartoista. Signaalit voidaan siirtää myös langattomasti, jolloin ajoneuvoa voidaan ohjata etäältä esimerkiksi vaarallisen alueen läpi tai ohitse.

Varma toiminta kaikkein tärkeintä

Monista eduistaan huolimatta elektronisen ohjauksen hyödyntäminen ajoneuvoissa on jäänyt lapsipuolen asemaan ja sitä on käytetty lähes yksinomaan invakulkuneuvoissa. Elektronista ohjausta käyttävien järjestelmien on täytettävä tiukat turvallisuusvaatimukset, koska kuljettajalla ei ole mahdollisuutta osallistua ohjaukseen järjestelmän vikaantumistilanteissa. Saadakseen ajoneuvolle hyväksynnän yleiseen tiekäyttöön ajoneuvon toimittajan on osoitettava, ettei järjestelmän vikaantuminen aiheuta vaaraa ihmisille. Järjestelmän on oltava tiukimpien ASIL D -vaatimusten mukainen. Vikavarmistettu toiminta, jossa automaattisen vianetsinnän avulla taataan turvallinen toiminta vikatilanteessa, on vielä kaukana todellisuudesta.

Elektronisen ohjauksen käyttöön oton perusedellytyksenä on vikatilanteissa toiminnallisuuden säilyttävä arkkitehtuuri, jossa virheenilmaisu ja järjestelmä toimivat sataprosenttisesti myös vikatilanteen vallitessa. Tämä edellyttää ainakin kahden rinnakkaisen järjestelmän käyttöönottoa. Onpa Schaeffler Paravan Technologie kehittänyt elektronista ohjausta varten tiekäyttöön hyväksytyn kolmen rinnakkaisen järjestelmän teknologian. Siinä kaikki prosessit ja komennot siirretään analysoitavaksi kolmeen keskusyksikköön ja siirretään sen jälkeen kaksikanavaisiin servomoottoreihin.

Schaeffler ilmoittaa ajaneensa elektronisella ohjauksella noin miljardi tiekilometriä samalla jatkuvasti optimoiden järjestelmää keräämiensä kokemusten perusteella. Yhtiö esitteli yksityiskohtaisia tuloksia koeajoistaan Rutronik Automotive Congressissa Saksassa viime syyskuussa.

Rinnakkaisjärjestelmien teknologian lisäksi tarjolla on myös ennaltaehkäisevän yllä- ja kunnossapidon palveluja, jotka varmistavat, että vikaantumiset saadaan suljettua pois jo mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. Toisin sanoen asennusta ja kokoonpanoa voidaan korjata jo ennen kuin kuluminen ja osien ikääntyminen alkaa aiheuttaa vikoja.

Elektronisen ohjausjärjestelmän komponentteja

Elektronisen ohjauksen järjestelmä koostuu

• toimilaitteena olevasta rinnakkaistoiminnallisesta turvamoottorista,
• rinnakkaisesta ja siten turvallisesta enkooderista ohjauspyörässä, -sauvassa tai vastaavassa ohjauselementissä,
• turvallisesta ohjausyksiköstä ohjaussignaalien arviointia ja toimilaitteen ohjausta varten,
• luotettavasta tiedonsiirtoyhteydestä ajoneuvossa olevaan navigoinnin ohjausyksikköön, mikä takaa automaattisen ohjauksen ajoneuvon ympäristöstä tehtävien havainnointien perusteella.

Rinnakkaisuus varmistaa toiminnan

Elektronisen ohjauksen olennaisimmat osat koostuvat tehoelektroniikan komponenteista, useista mikro-ohjaimista ja antureista sekä tehonhallintapiireistä. Kaikki tärkeimmät toiminnot toteutetaan vähintään kaksikanavaisesti, jolloin rinnakkaisuus varmistaa toiminnan luotettavuuden.

Tehoelektroniikka koostuu useista lähtöasteista, joissa on lisäksi turvaeristimet moottorin ohjaamista varten. Kutakin rinnakkaisvarmisteista sovellusta kohden tähän tarvitaan parisen kymmentä teho-MOSFET-piiriä. Luotettavan sähköisen ohjausjärjestelmän (EPS, Electric Power Steering) toteuttamista varten Infineon ja hitex tarjoavat referenssisuunnitteluun tarkoitettuja tuotteitaan. Rinnakkaisvarmisteisen suunnittelun etenemistä kuvataan kuvassa 1.

Kuva 1: Infineon/hitexin ohjauselektroniikan referenssituote vikaantumista sietävän EPS-järjestelmän suunnitteluun.

Infineonin toisen sukupolven AURIX-mikro-ohjaimet ovat riittävän tehokkaita muuttamaan ohjaussignaalit nopeiksi moottorinohjaussignaaleiksi. AURIX-mikro-ohjaimet on kehitetty ISO 26262 -standardin mukaisesti ja ne täyttävät ASIL-D-vaatimukset synkronisia kaksoisytimiä hyödyntäen.

Useat anturit mittaavat pyörimiskulmaa, moottorin virtaa ja vääntövoimaa. Infineonin XENSIV-tuoteperheen anturit soveltuvat tämän tyyppisiin tehtäviin: lineaarinen Hall-anturi mittaamaan vääntövoimaa ja virtaa, integroitu magnetoresistiivinen iGMR-anturi määrittämään roottorin asennon ja Hall-kytkin indeksilaskentaan.

Tehonhallintaan tarvitaan turvallista toimintaa tarkkailevia mikropiirejä, kuten Infineonin autoelektroniikan sovelluksiin tarkoitettuja OPTIREG-tuoteperheen tehonsyöttöpiirejä. Tehonhallintapiirit noudattavat esi- ja jälkiohjauksen konseptia boost-and-buck tai LDO-regulaattorilla ja tukevat ASIL-D-vaatimuksia.

Kuva 2: Schaeffler Paravan Technologien elektronisen ohjauksen teknologialla toteutettu VW Arteon on käytössä turva-autona autokilpailuissa.