基于RH850/P1x的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 周振齊(瑞薩電子管理(上海)有限公司，上海 200333)

　　摘要：本文提出了基于RH850/P1x的新型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)EPS電機(jī)的控制策略進(jìn)行了深入的研究，提供了EPS系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)過程。

　　關(guān)鍵詞: RH850/P1x;EPS;PMSM;FOC;SENT

　　0 引言

　　作為向打造環(huán)保車輛邁進(jìn)的一步，人們?cè)絹碓节呄蛴谑褂肊PS(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))。這種系統(tǒng)使用電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向輔助機(jī)構(gòu)，可減少車輛重量并提高燃油效率。近年來，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及提高車輛行駛安全性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性的新要求，針對(duì)傳統(tǒng)EPS系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大及助力轉(zhuǎn)矩響應(yīng)滯后等問題，采用PMSM(永磁同步電機(jī))和FOC(矢量控制)算法逐漸成為趨勢。

　　為了提供EPS應(yīng)用中所需的精密電機(jī)控制，單片機(jī)(MCU)需要具有高性能CPU、大容量片上內(nèi)存、專用定時(shí)器模塊、高速和高精度ADC以及與其他控制單元通信的接口。此外，隨著汽車中使用的電子器件和電機(jī)的不斷改進(jìn)，與轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等工作相關(guān)的底盤系統(tǒng)也必須達(dá)到更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，此類系統(tǒng)需要符合汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262的最高安全等級(jí)ASIL-D。瑞薩電子提供了基于高性能RH850G3M CPU內(nèi)核等的優(yōu)化解決方案，以支持更先進(jìn)的EPS系統(tǒng)。

　　1 RH850/P1x介紹

　　RH850/P1x系列是采用全球領(lǐng)先40 nm工藝設(shè)計(jì)的汽車32位MCU，具有超低功耗、高性能、高可靠性等特點(diǎn);集成了電機(jī)定時(shí)器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSI5等外設(shè)模塊和通信接口;采用鎖步雙核系統(tǒng)(Lockstep)，集成錯(cuò)誤檢查和校正(ECC)功能，具有故障檢測功能和內(nèi)置自檢(BIST)功能，錯(cuò)誤控制模塊(ECM)允許用戶根據(jù)具體情況管理各功能發(fā)出的錯(cuò)誤信號(hào)輸入，進(jìn)而幫助保持系統(tǒng)安全性和可靠性。達(dá)到車載系統(tǒng)功能安全國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262的最高安全級(jí)別ASIL-D;在防止黑客和病毒攻擊的車載網(wǎng)絡(luò)安全方面，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于EVITA Medium級(jí)別的安全要求。RH850/P1x系列具有完整的工具鏈生態(tài)環(huán)境，支持基于模型設(shè)計(jì)和AutoSAR開發(fā)。RH850/P1x系列是最適合EPS系統(tǒng)的主控MCU。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　EPS系統(tǒng)如圖1所示，包含以下。

　　A、電源管理部分：提供EPS系統(tǒng)所需要的各種電壓，并能實(shí)現(xiàn)自我診斷和保護(hù)，提供對(duì)MCU的外部看門狗監(jiān)控、SPI通信等;

　　B、傳感器部分：采集電機(jī)的位置和電流等信號(hào)，電池電壓等;

　　C、通信部分：包括CAN、SENT、SPI等，獲取方向盤扭矩、車速等信息;

　　D、MCU控制部分：根據(jù)扭矩信號(hào)和車輛的狀態(tài)，控制EPS助力策略;

　　E、預(yù)驅(qū)和驅(qū)動(dòng)部分：電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，提供自我保護(hù)功能;

　　F、PMSM電機(jī)及其他機(jī)械部分。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　EPS系統(tǒng)的核心是根據(jù)扭矩信號(hào)和車輛的狀態(tài)，控制PMSM電機(jī)。

　　圖2是使用RH850/P1x控制EPS電機(jī)的框圖，使用到以下模塊：

　　A、18位增強(qiáng)型電機(jī)控制定時(shí)器TSG3：產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的6路互補(bǔ)PWM信號(hào)，用來控制PMSM電機(jī)等;

　　B、12位A/D轉(zhuǎn)換器：用來同步測量相電流和電壓等;

　　C、TAPA高阻控制：當(dāng)接收到外部緊急關(guān)斷信號(hào)，或者A/D采樣值電流或電壓超過極限值時(shí)，TAPA控制緊急關(guān)斷TSG3的PWM輸出信號(hào);

　　D、ENCA編碼器：ENCA可以檢測增量式編碼器信號(hào)，獲得電機(jī)的位置;

　　E、TPBA定時(shí)器模式緩沖器：模擬產(chǎn)生旋變編碼器的激勵(lì)信號(hào)。

　　關(guān)于電機(jī)位置/轉(zhuǎn)速信號(hào)的獲取，RH850/P1x支持多種方式：如果使用旋變編碼器來檢測電機(jī)位置，可以使用TPBA產(chǎn)生旋變編碼器的激勵(lì)信號(hào)，使用A/D采樣返回的Sin和Cos信號(hào)，通過軟件計(jì)算獲得電機(jī)位置信息;如果使用增量式編碼器時(shí)，可以使用ENCA檢測A、B、Z信號(hào)，獲得電機(jī)位置信息;如果使用MR磁阻傳感器，可以使用A/D采樣Sin和Cos信號(hào)，通過計(jì)算獲得電機(jī)位置信息。結(jié)合位置信息和時(shí)間長度，即可計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速值。EPS其他部分的硬件設(shè)計(jì)，限于篇幅，不在此贅述。

　　4 軟件實(shí)現(xiàn)

　　由于RH850/P1x內(nèi)部集成了多個(gè)電機(jī)控制相關(guān)的硬件模塊，且模塊間可以通過內(nèi)部PIC模塊實(shí)現(xiàn)同步和相互觸發(fā)的功能，為電機(jī)控制的軟件實(shí)現(xiàn)提供了便利，并大大降低了CPU的負(fù)荷。

　　圖3是EPS電機(jī)軟件控制框圖，RH850/P1x提供了控制電機(jī)的相關(guān)模塊，P1x內(nèi)部高達(dá)160 MHz主頻的CPU，可以輕松實(shí)現(xiàn)PMSM電機(jī)的FOC算法。

　　RH850/P1x內(nèi)部集成的SENT、CAN等模塊，簡化了硬件設(shè)計(jì)，也使軟件獲取方向盤扭矩、車輛車速等變得很便捷;軟件更關(guān)注于EPS的電機(jī)控制策略和算法，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、阻尼控制、回正控制等，提高穩(wěn)定性和安全性。

　　5 總結(jié)

　　本文基于瑞薩電子RH850/P1x開發(fā)了一種新型EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向平臺(tái)，給出了其系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)過程，客戶基于該平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，簡化了EPS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本和縮短開發(fā)周期，可以使用戶將更多的精力集中到EPS算法研究上，在多個(gè)車型上得到了應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Renesas.RH850/P1x Group User’s Manual: Hardware, Rev.1.40, 2018.

　　[2]Renesas.RH850/P1x Series User’s Manual: Software, Rev.0.10, 2014.

　　[3] ISO 26262 International Standard.

　　[4] SENT, SAE J2716 JAN2010.

　　[5]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué),機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

　　[6]袁雷.現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真,北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第27頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處