電子動(dòng)力轉向系統架構及控制器選型指南

今天，電子動(dòng)力轉向系統(EPS)已成為減少二氧化碳排放的關(guān)鍵要素之一。因此各種不同類(lèi)型的汽車(chē)都裝備有機電動(dòng)力轉向系統。那么在實(shí)現電子助力轉向系統時(shí)需要用到哪些技術(shù)呢?

EPS是一種機電動(dòng)力轉向系統，它用電子控制的馬達代替原來(lái)的水壓助力轉向裝置。EPS系統在發(fā)動(dòng)機艙內占用更少的空間，更容易組裝，而且能夠節省燃油消耗。另外它在轉向系統中不再使用有毒的液壓油。在小型車(chē)輛中，馬達是通過(guò)齒輪箱連接到轉向柱的，而在中型汽車(chē)內，馬達利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過(guò)齒輪箱作業(yè)。當司機轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，馬達就為轉向系統提供動(dòng)力。

EPS系統是如何工作的?

電子動(dòng)力轉向系統由一個(gè)控制單元、眾多傳感器和一個(gè)無(wú)刷馬達組成?？刂茊卧獙ο到y進(jìn)行控制，并提供馬達所需的信息。另外，它還從傳感器接收信息，這些傳感器主要用來(lái)測量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數。檢測馬達位置和馬達電流的傳感器可確保馬達工作在最佳狀態(tài)。圖1為帶系統監視功能的高階電子機械動(dòng)力轉向系統關(guān)鍵組件。XC2300作為主處理器控制著(zhù)伺服馬達和其它組件。第二個(gè)較小的微控制器或ASIC則作為監控單元。

EPS系統中的主要組件

傳動(dòng)裝置是一個(gè)三相同步或異步無(wú)刷馬達。馬達的旋轉場(chǎng)以電子方式產(chǎn)生。信號頻率約20kHz的脈沖寬度調變(PWM)信號將影響馬達的速度和扭矩。

旋轉編碼器或磁性傳感器，即所謂的巨型磁阻(GMS)，可以提供識別轉子位置的數據。通常兩個(gè)相位電流是通過(guò)分路電路或霍爾傳感器測量的。上述傳感器都是模擬輸出，因此需要經(jīng)過(guò)放大才能用于進(jìn)一步的處理。作用在轉向柱上的力量以及馬達要求的助動(dòng)力通過(guò)扭矩傳感器測量。信號處理在控制單元中完成。車(chē)輪傳感器提供汽車(chē)速度信息，轉向角度傳感器提供方向盤(pán)目前位置信息。其它控制單元則處理這些信號。數據是在CAN總線(xiàn)上傳輸的?？梢栽趥鞲衅髦姓弦恍┰u估邏輯，具體取決于系統選用的傳感器類(lèi)型。這樣可以提高精密度，減少出錯的可能性。

控制單元由眾多的穩壓器、CAN收發(fā)器、信號處理電路、橋式驅動(dòng)器、電源開(kāi)關(guān)和微控制器組成。

穩壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的各種電壓。CAN收發(fā)器用于CAN總線(xiàn)和微控制器之間的橋接。數據信號處理是模擬還是數字方式取決于傳感器類(lèi)型。因為微控制器不能直接控制電源開(kāi)關(guān)(B6橋)，因此需要橋式驅動(dòng)器。橋式驅動(dòng)器產(chǎn)生快速開(kāi)關(guān)晶體管所需的閘極電壓和相關(guān)電流。智能驅動(dòng)器還包含有診斷接口，它能檢測各種問(wèn)題，如半橋短路、低相位電壓或組件高溫。微控制器控制和監視馬達與整個(gè)系統，它還必須執行診斷功能，并與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊。此外還采用了另外一個(gè)控制器來(lái)進(jìn)行檢錯，并在必要時(shí)啟動(dòng)緊急工作模式。

由于EPS系統在馬達動(dòng)態(tài)和?定扭矩方面有很高的要求，故它們需要采用復雜的算法，如FOC(針對場(chǎng)的控制)。這種控制直接作用于馬達的轉子場(chǎng)上，需要相當強的處理能力，因為它涉及運算多個(gè)坐標轉換(Clark/Park轉換)，并須以50μs間隔調節兩個(gè)相位電流。需要通過(guò)一個(gè)PWM信號并使用空間向量方法對馬達進(jìn)行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負載還不到10%。

圖1：具備系統監視功能的電子機械動(dòng)力轉向系統中的關(guān)鍵組件。

XC2300微控制器

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列的新產(chǎn)品，該組件可解決系統監視問(wèn)題，能夠快速處理嚴格的控制算法，并具有廣泛的內建硬件支持?？傊?，它能夠快速且高效地處理各種復雜的任務(wù)。

為了增強可靠性，XC2300在安全方面采用了循環(huán)冗余校驗(CRC)來(lái)驗證感應數據，其中涉及兩次寫(xiě)入數據以及二者的比較。整個(gè)內存系統受硬件糾錯單元的保護。為了整合不同的軟件模塊，還設立了一個(gè)內存保護單元。

XC2000的架構是以之前開(kāi)發(fā)的C166核心為基礎，可提供先進(jìn)的控制和DSP功能。然而，與C166架構不同的是，它具有高性能管線(xiàn)結構，故可在單頻率周期內執行指令。在相同的頻率速度下，XC2300的處理能力約為C166的兩倍。XC2300還整合一個(gè)乘法累加單元，可容易實(shí)現矩陣作業(yè)或有限脈沖響應(FIR)濾波器功能。這意味著(zhù)可在單頻率周期內執行累積32位加法或減法的 16x16位乘法?？焖俚木仃囎鳂I(yè)處理(Clark/Park轉換)和PI控制器在EPS中都發(fā)揮了重要作用。XC2300支持最多128個(gè)中斷源，共有 16個(gè)中斷等級。除了典型的中斷處理，該處理器還以外圍事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能，允許在16MB的地址空間中輕松地移動(dòng)或復制大型數據區塊。程序內存存取為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在實(shí)體上被分成多個(gè)模塊，并采用了糾錯和監視功能，可獲得更高的執行可靠性。每個(gè)閃存區都可通過(guò)密碼分別實(shí)現讀寫(xiě)保護?？捎脕?lái)管理數據的嵌入式 SRAM容量為50KB。此外還采用了一種額外的保護機制來(lái)防止對重要CPU緩存器的未授權存取。為了進(jìn)一步提高執行可靠性，當某些受限指令被執行或者是 CPU堆棧寫(xiě)入溢出時(shí)也可以觸發(fā)保護機制。

外圍功能

XC2300的外圍模塊包含了靈活的定時(shí)單元、三個(gè)USIC模塊(用于支持不同的同步和異步串行接口)、擷取/比較(CAPCOM)模塊、一個(gè)實(shí)時(shí)頻率和看門(mén)狗功能、兩個(gè)獨立的高速10位A/D轉換器(轉換時(shí)間》=1.2μs)以及三個(gè)CAN模塊。眾多的觸發(fā)器資源允許AD轉換與具有相應延遲的CAPCOM定時(shí)器單元之間實(shí)現同步。內建有限的幾個(gè)檢查器可以對多個(gè)電壓源進(jìn)行后臺監視，不會(huì )增加CPU任何負擔。

CAPCOM6擷取/比較單元是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)來(lái)支持獨立于CPU的多相馬達控制。以CPU頻率作為其執行頻率的兩個(gè)獨立的16位寬定時(shí)器被作為時(shí)間基準。CAPCOM6模塊能夠產(chǎn)生多達7個(gè)的獨立脈寬調變信號，或儲存輸入信號持續時(shí)間和工作周期。它在80MHz的系統頻率下可以提供12.5ns的分辨率。一個(gè)8位的定時(shí)器支持死區時(shí)間(dead time)產(chǎn)生。該信號可以單獨分配給每個(gè)通道。由于采用了同步設計和影子緩存器，緩存器更新可得到正確的定義。CAPCOM6單元支持同步和異步脈寬調變。在產(chǎn)生錯誤時(shí)，每個(gè)輸出都可以立即進(jìn)入不活動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)系統中，使用兩個(gè)CAPCOM6單元可以最多控制兩個(gè)馬達。所有外圍模塊都通過(guò)一條高速16 位外圍總線(xiàn)連接到CPU。XC2300系列微控制器中外圍模塊的整合度比其它微控制器架構要高，因此CPU可以集中資源執行運算和診斷任務(wù)。XC2365 微控制器中的關(guān)鍵功能模塊如圖2所示。