基于XC2300系列MCU的電子動(dòng)力轉向系統

如今電子動(dòng)力轉向系統(EPS)已經(jīng)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就是一種機電動(dòng)力轉向系統，它用電子控制的電機代替原來(lái)的水壓助力轉向裝置。EPS系統在發(fā)動(dòng)機倉內占用更少的空間，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，電機是通過(guò)齒輪箱連接到轉向柱的，而在中型汽車(chē)內，電機利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過(guò)齒輪箱操作。當司機轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，電機就為轉向系統提供動(dòng)力。

EPS系統工作原理

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)刷電機組成?？刂茊卧獙ο到y進(jìn)行控制，并提供電機所需的信息。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。檢測電機位置和電機電流的傳感器可確保電機工作在最佳工作狀態(tài)。圖1給出了帶系統監視功能的高級電子機械動(dòng)力轉向系統的關(guān)鍵組件。XC2300作為主處理器控制著(zhù)伺服電機和其它組件。第二個(gè)較小的微控制器或ASIC則用作監控單元。

EPS系統的主要器件

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

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電機要求的助動(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)當前位置信息。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?？梢栽趥鞲衅髦屑梢恍┰u估邏輯，具體取決于系統選用的傳感器類(lèi)型。這樣可以提高精度，減少出錯的可能性。

圖1：帶系統監視功能的電子機械動(dòng)力轉向系統結構框圖

控制單元由穩壓器、CAN收發(fā)器、信號調理電路、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)晶體管所需的柵極電壓和相關(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、低相位電壓或器件高溫。微控制器控制和監視電機與整個(gè)系統，它還必須執行診斷功能，并與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。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)激活緊急工作模式。

由于EPS系統在電機動(dòng)態(tài)和恒定扭矩方面有很高的要求，故它們需要采用復雜的算法，如場(chǎng)定向控制(FOC)技術(shù)。這種控制直接作用于電機的轉子場(chǎng)上，需要相當強的處理能力，因為它涉及計算多個(gè)坐標變換(Clark/Park變換)，并須以50?s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電機進(jìn)行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負荷還不到10%。

XC2300針對EPS系統進(jìn)行優(yōu)化

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列中的新產(chǎn)品。XC2300處理器架構可以徹底解決系統監視問(wèn)題，能夠快速處理嚴格的控制算法，并且具有廣泛的內置硬件支持?？傊?，它能夠快速且高效地處理各種復雜的任務(wù)。

安全方面：為了增強可靠性，采用循環(huán)冗余校驗(CRC) 來(lái)驗證敏感數據，其中涉及兩次寫(xiě)數據以及二者的比較。整個(gè)存儲器系統受硬件糾錯單元的保護。為了封裝不同的軟件模塊，還建立了一個(gè)存儲器保護單元。

架構/DSP功能：XC2000架構以以前開(kāi)發(fā)的C166內核(現在已經(jīng)成為行業(yè)標準)為基礎，可以提供先進(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，故而可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內執行指令。在相同的時(shí)鐘速度下，XC2300的處理能力差不多是C166的兩。XC2300還集成有一個(gè)乘法累加單元，可以很容易地實(shí)現矩陣操作或有限脈沖響應(FIR)濾波器功能。這意味著(zhù)可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內執行累積32位加法或減法的16x16位乘法?？焖俚木仃嚥僮魈幚?Clark/Park轉換)和強大的PI控制器實(shí)現在EPS中都發(fā)揮著(zhù)重要的作用。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之外，該處理器還以外設事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能，從而允許在16MB的地址空間中輕松地移動(dòng)或復制大型數據塊。程序存儲器訪(fǎng)問(wèn)為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在物理上被分成多個(gè)模塊，并采用了糾錯和監視功能，因此可獲得更高的運行可靠性。每個(gè)閃存區都可以通過(guò)口令分別實(shí)現讀寫(xiě)保護?？捎脕?lái)管理數據的嵌入式SRAM容量則高達50KB。此外，還采用了一種額外的保護機制來(lái)防止對重要的CPU寄存器的未授權訪(fǎng)問(wèn)。為了進(jìn)一步提高運行可靠性，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。

強大的外設：XC2300的外設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)、捕獲/比較(CAPCOM)模塊、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗功能、兩個(gè)獨立的高速10位A/D轉換器(轉換時(shí)間>=1.2?s)以及三個(gè)CAN模塊。眾多的觸發(fā)器資源允許AD轉換與具有相應延時(shí)的CAPCOM定時(shí)器單元之間實(shí)現同步。內置有限的幾個(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捕獲/比較單元是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)來(lái)支持獨立于CPU的多相電機控制的。以CPU頻率作為其運行時(shí)鐘的兩個(gè)獨立的16位寬定時(shí)器被用作時(shí)間基準。CAPCOM6模塊能夠產(chǎn)生多達7個(gè)的獨立脈寬調制信號，或存儲輸入信號持續時(shí)間和占空比。它在80MHz的系統時(shí)鐘下可以提供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寄存器，寄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制。在發(fā)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)電機。所有外設模塊都通過(guò)一條高速16位外設總線(xiàn)連接到CPU。XC2300系列微控制器中外設模塊的集成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。

圖2：XC2365微控制器

XC2300微控制器支持片上調試，可以通過(guò)斷點(diǎn)、存儲器/寄存器訪(fǎng)問(wèn)和單步執行等手段來(lái)進(jìn)行高效且低成本的系統仿真。

開(kāi)發(fā)工具：如今產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，仿真器、調試器、編譯器、匯編器和評估板以及軟件工程師使用的CASE工具和自動(dòng)代碼生成器等成熟的、功能強大的工具變得愈加重要，特別是在汽車(chē)行業(yè)。隨著(zhù)C166架構被越來(lái)越廣泛地接受，開(kāi)發(fā)人員可以充分利用全面并且經(jīng)過(guò)驗證的開(kāi)發(fā)工具集。目前多種相關(guān)評估工具包、軟件實(shí)例和應用指南都在供貨。

本文小結

總而言之，值得一提的是，XC2300系列微控制器具有超強功能的MAC單元、CAPCOM6單元和雙ADC，它專(zhuān)門(mén)針對EPS系統進(jìn)行優(yōu)化，完全能夠滿(mǎn)足這些系統的要求。此外， CRC單元和全面診斷能力等特性則進(jìn)一步提高了程序執行的可靠性。