基于OSEK/VDX的電動(dòng)助力系統設計

　　隨著(zhù)電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉向（Electronic Power Steering，EPS）系統的研究取得了很大進(jìn)步。目前，汽車(chē)電動(dòng)助力轉向已部分取代傳統液壓動(dòng)力轉向（Hydraulic Power Steering，HPS）。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，已經(jīng)取得了相當大的成果，在輕型轎車(chē)、廂式車(chē)上得到了廣泛應用[1].

　　傳統的軟件設計不容易維護，移植性差，且實(shí)時(shí)性得不到保證。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在汽車(chē)上得到越來(lái)越多的應用。為了滿(mǎn)足日益復雜的汽車(chē)電子控制軟件的開(kāi)發(fā)需要，實(shí)現應用軟件的可移植性和不同廠(chǎng)商的控制模塊間的可兼容性，1993年德國汽車(chē)工業(yè)界聯(lián)合推出了“汽車(chē)電子的開(kāi)放式系統及接口軟件規范”，即OSEK（open systems and the corresponding inteRFaces for automotive electronics）規范，旨在為汽車(chē)上的分布控制單元提供一個(gè)開(kāi)放結構的工業(yè)標準。1994年法國汽車(chē)工業(yè)界使用的汽車(chē)分布式運行系統VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規范合并，形成OSEK/VDX規范[2].目前該規范已經(jīng)成為ISO國際標準（ISO17356）?；诖?，本文提出了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的EPS軟件設計方法。

　　1 EPS系統的結構和工作原理

　　1.1 EPS系統的結構

　　根據電機安裝位置的不同，EPS可分為轉向軸助力式、小齒輪助力式和齒條助力式。圖1是一個(gè)典型電動(dòng)助力轉向系統的示意圖。EPS控制系統的主要組成部件[3]：

圖1 電動(dòng)助力轉向系統示意圖

　?、?扭矩信號傳感器，測量駕駛員作用在轉向盤(pán)上的力矩大小和方向。

　?、?車(chē)速信號傳感器，測量汽車(chē)的行駛速度，在不同的車(chē)速和方向盤(pán)轉矩的情況下，會(huì )提供不同的助力，以保證EPS系統在低速下靈活，高速下具有較好的“路感”。

　?、?助力電動(dòng)機，是EPS系統最關(guān)鍵的部件之一，助力電動(dòng)機要求低轉速大扭距、轉動(dòng)慣量小、可靠性高、振動(dòng)小、噪聲小，且尺寸小、質(zhì)量輕。

　?、?電磁離合器，主要起安全保護的作用，當EPS發(fā)生故障時(shí)，電磁離合器會(huì )及時(shí)切斷電動(dòng)機和轉向柱的連接，汽車(chē)以傳統的機械轉向裝置進(jìn)行工作，從而保證行車(chē)安全。

　?、?減速機構，是EPS系統不可缺少的部分，用來(lái)產(chǎn)生減速增扭的作用。

　?、?電子控制單元ECU，主要包括信息處理單元及其外圍電路。它是EPS系統的控制核心?？刂茊卧鶕较虮P(pán)轉矩傳感器和車(chē)速傳感器的信號，經(jīng)過(guò)A/D轉換和邏輯分析與計算后，發(fā)出指令控制電機工作。

　　1.2 EPS系統的工作原理

　　雖然EPS的有3種類(lèi)型，但工作原理是一樣的：通過(guò)扭矩傳感器和車(chē)速傳感器，進(jìn)行信號采集，經(jīng)A/D轉換，將信號發(fā)送到電子控制單元（ECU）中，單片機根據采集到的車(chē)速信號與扭矩信號，并根據相應的控制策略對直流伺服電動(dòng)機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　根據汽車(chē)轉向行駛的不同情況要求，EPS按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常有3種基本控制方式。

　?。?） 助力控制

　　汽車(chē)在低速范圍內行駛，方向盤(pán)進(jìn)行轉向并離開(kāi)中間位置時(shí)電控單元對電動(dòng)機進(jìn)行常規控制；通過(guò)計算確定助力電動(dòng)機的電流，以獲得合適的助力轉矩，使轉向操縱輕便靈敏。

　?。?） 回正控制

　　回正控制可以改善汽車(chē)的回正性能。汽車(chē)在低速范圍內行駛轉向后方向盤(pán)回到中間位置附近時(shí)，電控單元使電動(dòng)機電流迅速減小，以便轉向輪迅速回正；在高速時(shí)，采用阻尼控制，使電機兩端短路，產(chǎn)生與回正力矩相反的回正阻尼，改善轉向盤(pán)的回正超調。

　?。?） 阻尼控制

　　阻尼控制可以衰減汽車(chē)高速行駛時(shí)出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，消除轉向輪因路面輸入而引起的擺振。其原理很簡(jiǎn)單，即汽車(chē)處于高速行駛時(shí)，使電動(dòng)機短路，其端電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機將不提供助力，但由于感應電動(dòng)勢的作用，電動(dòng)機將產(chǎn)生與其轉動(dòng)方向相反的轉矩。此過(guò)程等于增加了轉向系統的阻尼，駕駛員能夠獲得適當的路感，不致有發(fā)飄的感覺(jué)。

　　2 EPS控制系統ECU設計

　　EPS系統實(shí)現的主要功能是采集扭矩傳感器信號、車(chē)速傳感器信號和電動(dòng)機反饋電流信號，經(jīng)控制器中的控制策略和控制算法，通過(guò)脈寬調制控制伺服電動(dòng)機為駕駛員提供轉向輔助力。另外，考慮到其應用對象的特殊性，其安全性要求的絕對地位，系統還需要提供許多應急處理方案。

　　EPS系統的硬件設計主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統設計、控制單元接口電路、電動(dòng)機驅動(dòng)及其保護電路、電磁離合器控制電路、傳感器信號處理電路以及電源系統電路的設計等，如圖2所示。在這里主要介紹一下控制器和電機驅動(dòng)電路。

圖2 EPS硬件電路結構示意圖

　　2.1 控制器

　　EPS系統的微控制器采用的是Microchip公司的PIC18F458芯片。該系列芯片具有以下性能：

　?、?16位寬指令，8位寬數據通道，2 MB的程序存儲器、4 KB的數據存儲器，高達10 MIPS的執行速度。

　?、?40 MHz時(shí)鐘輸入，4～10 MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入。

　?、?帶優(yōu)先級的中斷和8×8單周期硬件乘法器。

　?、?捕捉/比較/脈寬調制（CCP）模塊：

　　捕捉輸入——16位，最大分辨率為6.25 ns；

　　比較單元——16位，最大分辨率為100 ns；

　　脈寬調制（PWM）輸出——分辨率為1～10位；

　　最高PWM頻率——8位時(shí)頻率為156 kHz，10位時(shí)頻率為39 kHz.

　?、?增強型CCP模塊除具有以上CCP特性外，還具有1、2、4路的PWM輸出，可選擇PWM極性，可編程的PWM死區時(shí)間。

　?、?10位，8通道的A/D轉換。

　?、?CAN總線(xiàn)模塊。

　　2.2 驅動(dòng)電路設計

　　電動(dòng)機控制電路的設計在電動(dòng)助力轉向系統的設計中是比較關(guān)鍵的部分。隨著(zhù)計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，直流電動(dòng)機的結構和控制方式都發(fā)生了很大的變化，采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式已成為絕對主流。在本系統中，電機的控制就是采用的PWM脈寬調制控制方式。全橋雙極性驅動(dòng)電路如圖3所示。

　　PIC18F458單片機的ECCP引腳連接2個(gè)驅動(dòng)芯片IR2110（每個(gè)IR2110可控制2個(gè)MOSFET），來(lái)控制4個(gè)MOSFET的導通和截止，從而實(shí)現對助力電機的控制。EPS系統需要實(shí)現3種控制方式：常規控制、回正控制和阻尼控制。

圖3 助力電機驅動(dòng)電路