基于A(yíng)DI DSPBF506F的汽車(chē)EPS方案

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)作為傳統液壓助力轉向系統(Hydraul ic Power Steering，HPS)和電動(dòng)液壓助力轉向系統(Electro-Hydraul ic PowerSteering，EHPS)技術(shù)的替代者，其應用愈來(lái)愈廣泛。本文通過(guò)分析EPS的基本原理。市場(chǎng)以及技術(shù)優(yōu)勢，結合英飛凌。TI.飛思卡爾等半導體廠(chǎng)商的EPS方案研發(fā)現狀，給出基于ADI BF506F的EPS方案和技術(shù)評估。

　　1背景

　　電動(dòng)助力轉向系統(EPS)是未來(lái)轉向系統的發(fā)展方向，該系統由助力電機直接提供轉向助力，省去了液壓動(dòng)力轉向系統所必需的動(dòng)力轉向油泵。軟管。液壓軸。傳送帶和皮帶輪，既節省能量，又保護環(huán)境，逐漸成為轎車(chē)的標準裝置。根據咨詢(xún)公司Strategy Analyties對中國EPS市場(chǎng)的預測，在2010~2017年期間中國的EPS市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率將達到16.9%，約1800萬(wàn)套。

　　EPS市場(chǎng)之所以能有如此的增長(cháng)趨勢，也是由其本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)所決定的，這主要表現在：

　　(1)EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉向特性，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉向穩定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。

　　(2)EPS只在轉向時(shí)電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統計數字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節油約0.3至0.5升。

　　(3)EPS電機由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動(dòng)機熄火或出現故障時(shí)也能提供助力。

　　(4)EPS取消了液壓結構，其零件比HPS大為減少，因而重量更輕。結構更緊湊，易于設計和安裝，并能降低噪聲。

　　(5)EPS易于調整和檢測，可以通過(guò)設置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期。

　　(6)EPS不存在滲油問(wèn)題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。

　　(7)EPS比HPS具有更好的低溫工作性能。

　　(8)可實(shí)現自動(dòng)泊車(chē)系統等輔助功能。

　　2 EPS

　　EPS是通過(guò)電機的動(dòng)力直接給轉向系統提供輔助扭矩的系統。它依靠檢測發(fā)動(dòng)機。方向盤(pán)。車(chē)速等信息來(lái)判斷并提供合適的轉向助力，使得轉向過(guò)程能夠精確。輕松。安全地完成。通常一個(gè)EPS系統主要由轉向部件。傳感器。電機。減速機構和電子控制單元(ECU)等組成，其系統構成由圖1所示。

　　圖1 EPS系統構成

　　轉向部件將方向盤(pán)。扭桿。轉矩傳感器。助力電機減速器總成及轉向傳動(dòng)軸組合到一起，形成一個(gè)整體，完成轉向功能?？刂破鱁CU由微處理器及電子模塊組成，完成對來(lái)自轉矩傳感器。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。發(fā)動(dòng)機轉速傳感器。車(chē)速傳感器的信號的處理，并按照一定的運算判斷規律控制助力電機，使之產(chǎn)生合理的轉向助力轉矩。

　　當駕駛員操作方向盤(pán)時(shí)，連接方向盤(pán)的扭桿產(chǎn)生形變，其形變角度與施加到方向盤(pán)的轉矩成正比，轉矩傳感器將扭桿形變的角度轉化成線(xiàn)性的電壓輸出信號T，此信號與車(chē)速信號V.發(fā)動(dòng)機轉速信號w.點(diǎn)火信號G送入到控制器ECLT進(jìn)行綜合。分析。判斷和運算后輸出電流信號控制助力電機。助力電機通過(guò)傳動(dòng)機構產(chǎn)生助力轉矩，該助力扭矩施加到轉向軸上，從而輔助駕駛員完成轉向操作，系統邏輯圖如圖2所示。

　　圖2 EPS系統邏輯圖

　　3技術(shù)方案

　　為了汽車(chē)轉向的過(guò)程順利實(shí)現，EPS系統需要實(shí)現以下功能：

　　助力控制：在汽車(chē)停車(chē)及低速行駛時(shí)提供較大輔助力矩，使轉向過(guò)程快捷輕便地進(jìn)行，而在汽車(chē)高速行駛時(shí)提供較小的輔助力矩以保持轉向過(guò)程的可靠與沉穩。

　　回正控制：確保汽車(chē)從直行狀態(tài)到大角度轉向的過(guò)程中回正力矩相應地逐漸提高。另外，確保汽車(chē)在非轉向狀態(tài)下的直線(xiàn)行駛性能，并防止汽車(chē)在不同車(chē)速下實(shí)現回正時(shí)出現回正不足或回正超調的現象。

　　阻尼控制：利用電機感應電動(dòng)勢來(lái)減弱汽車(chē)高速行駛時(shí)出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，消除轉向輪因路面不平而引起的方向盤(pán)擺振，并在汽車(chē)高速行駛時(shí)，給轉向過(guò)程增加一定的阻尼，克服轉向發(fā)飄的感覺(jué)。

　　分析診斷功能：應能實(shí)時(shí)監控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動(dòng)排除時(shí)關(guān)斷EPS使車(chē)輛進(jìn)入傳統的機械轉向模式。

　　通訊功能：應具有通過(guò)CAN或LIN總線(xiàn)與其他系統進(jìn)行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(主要針對電機控制)的接口。

　　為實(shí)現上述功能，整個(gè)EPS系統必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統的下列組成部分的性能顯得尤為重要：

　　傳感器：傳感器給EPS系統提供了汽車(chē)行駛狀況的各種必要信息，是系統的感覺(jué)器官，其信號輸出應該盡量準確。高速。簡(jiǎn)潔。EPS系統通常需要方向盤(pán)扭矩傳感器。轉角傳感器(可選)和輪速傳感器的信號。目前通用的傳感器采用模擬信號處理方式，信號輸出精度不高且輸出的信號需要ECU進(jìn)一步處理，增加了ECU的工作負擔，而數字信號傳感器因其可給出ECU直接可用的數字信號，減少了占用的ECU資源，并提高了信號的準確性而被越來(lái)越多的EPS系統采用。

　　控制策略：傳統的轉向系統主要為駕駛員提供轉向助力，減輕轉向負擔，EPS系統還要解決諸如高速行駛過(guò)程中轉向過(guò)大?；卣扔绊戃?chē)輛穩定性和安全|生的問(wèn)題，因而需要一套高效完善的控制策略來(lái)保證其性能。

　　半導體技術(shù)的高速發(fā)展，使得EPS從成本和技術(shù)上成為可能。英飛凌。TI，以及飛思卡爾相繼推出基于自身微控制器/處理器的EPS方案。

　　3.1英飛凌的EPS方案

　　英飛凌的EPS采用XC2336B和XC836MT的雙處理器方案，如圖3所示。XC2336B通過(guò)對扭矩傳感器。發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火信號等信息的采集。處理，以相應的控制策略驅動(dòng)3相電機實(shí)現電助力轉向。

　　圖3 英飛凌的EPS解決方案

　　XC836MT為輔助處理器，實(shí)現安全控制。

　　XC2336B是一個(gè)帶五級流水線(xiàn)的最高80MHz時(shí)鐘頻率的高性能CPU并擁有一個(gè)保護數據不被非法訪(fǎng)問(wèn)的存儲器保護單元(Memor)r ProtectionUnit，MPU)。它具有不同類(lèi)型的片上存儲模塊(8kstand-by RAM，2k dual-port RAM，最高16k dataSRAM，最高16k program/data SRAM和最高320kprogram flash memory)，并使用硬件CRC檢測和ECC碼來(lái)發(fā)現數據錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多外設模塊可靈活地滿(mǎn)足各種不同的需求，擁有2個(gè)可擴展為9路的10位分辨率的同步A/D轉換器。16路通用捕捉/比較單元。兩路帶PWM產(chǎn)生器的捕捉/比較單元。5個(gè)定時(shí)器。40路通用I/O接口。多路CAN接口等等，并可通過(guò)DAP和JTAG接口進(jìn)行片上調試。此外，它還帶有看門(mén)狗和晶振看門(mén)狗來(lái)保證控制器的正常運行。

　　XC836MT是一顆具有8051內核的微控制器，作為備份微控制器，它最主要的作用是對主微控制器進(jìn)行監控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車(chē)進(jìn)入機械轉向狀態(tài)，避免汽車(chē)失控而引發(fā)危險。

　　3.2 T I的EPS方案

　　TI公司的C2000系列DSP，如低端的TMS320F28016.高端的TMS320F28335均有相應的EPS方案。以TMS320F28016為例，其集成CAN通信接口，片上集成32K字節FLASH存儲器，12K字節SRAM，2K字節OTP ROM，60MHz內部總線(xiàn)頻率，16通道12位模數轉換器(ADC)，轉換時(shí)間可達267ns;正交編碼脈沖(QEP)接口。定時(shí)器捕獲比較功能以及16路獨立的脈寬調制(PWM)輸出通道，可以方便實(shí)現完整的系統集成控制功能，并提供看門(mén)狗電路。電源監視等。

　　圖4 TI公司的EPS方案

　　與TMS320F28016相比，TMS320F2812主頻提高到150MHz，TMS320F28335增加了浮點(diǎn)運算單元。TI的EPS方案如圖4所示。

　　3.3飛思卡爾的EPS方案

　　飛思卡爾的EPS方案以MPC560xP和MPC564xL作為核心處理器，其中MPC560xP為單核，主頻可達64MHz的32位處理器，高達512KB的片上FLASH和40KB的片上RAM，擁有CAN.LIN總線(xiàn)等接口，2個(gè)10bitl5通道的ADC，8路獨立的PWM等外設資源。MPC564xL為雙核處理器，主頻高達120MHz，1MB片上FLASH以及128KB片上RAM，2個(gè)PWM單元，每個(gè)單元4路，以及3路6通道通用定時(shí)器，擁有2個(gè)LIN和CAN，兩個(gè)12bitADC，各16通道。其EPS方案結構圖如圖5所示。

　　圖5 飛思卡爾EPS方案結構圖

　　3.4方案比較

　　如果僅從EPS功能實(shí)現上考慮，控制策略采用傳統PID控制，上述方案均能滿(mǎn)足要求，且英飛凌的(XC2336B+XC836MT)方案。，rI的TMS320一F28016方案以及飛思卡爾的MPC560xP方案均能實(shí)現低成本。

　　然而，由于實(shí)際中EPS往往具有非線(xiàn)性。時(shí)變不確定性，使得傳統的PID不能達到理想的效果，以致對實(shí)際運行工況的適應性很差，因此，需要采用較為高級的控制策略，如模糊控制，以使系統具有較強的魯棒性，在提高系統的操縱輕便性的同時(shí)，能保證駕駛員獲得充分的路感，從而獲得較為理想的助力特性。

　　復雜的控制策略意味著(zhù)復雜的算法和運算負荷，這就需要較高性能的處理器，如TI公司的TMS320F28335.飛思卡爾公司的MPC564xL，尤其是ADI公司的BF506F等。

　　4 AD I DSP BF506F的優(yōu)勢

　　ADI DSP BF506F是一個(gè)400MHz主頻的低功耗處理器，片上4MB FLASH，雙12位，2MSPS，12通道高速ADC，擁有CAN.UART通信接口，6對PWM輸出。值得強調的一點(diǎn)是，12位的標稱(chēng)值，可以達到11.5位的ENOB，這個(gè)在業(yè)界是非常領(lǐng)先的。

　　與TMS320F28335.MPC564xL相比，BF506F主頻更高。片上FLASH更大。ADC數量精度高，更重要的一點(diǎn)是，BF506F具有更高的性?xún)r(jià)比。

　　ADI BF506F EPS電控板如圖6所示。

　　圖6 ADI　BF506F　EPS電控板

　　5結論

　　在外設資源相差不大，高主頻意味著(zhù)比較高的運算處理能力，因此，選擇BF506F系列處理器實(shí)現EPS，在硬件平臺不用變更的情況下，更容易實(shí)現算法?？刂撇呗陨?。

　　ADI BF506F EPS演示平臺如圖7所示。

　　圖7　ADI BF506F EPS演示平臺