基于ADI DSPBF506F的汽車EPS方案

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)作為傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraul ic Power Steering，HPS)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro-Hydraul ic PowerSteering，EHPS)技術(shù)的替代者，其應(yīng)用愈來愈廣泛。本文通過分析EPS的基本原理。市場以及技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合英飛凌。TI.飛思卡爾等半導(dǎo)體廠商的EPS方案研發(fā)現(xiàn)狀，給出基于ADI BF506F的EPS方案和技術(shù)評估。

　　1背景

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)由助力電機直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵。軟管。液壓軸。傳送帶和皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護環(huán)境，逐漸成為轎車的標準裝置。根據(jù)咨詢公司Strategy Analyties對中國EPS市場的預(yù)測，在2010~2017年期間中國的EPS市場的年復(fù)合增長率將達到16.9%，約1800萬套。

　　EPS市場之所以能有如此的增長趨勢，也是由其本身具有的諸多優(yōu)點所決定的，這主要表現(xiàn)在：

　　(1)EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。

　　(2)EPS只在轉(zhuǎn)向時電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統(tǒng)計數(shù)字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節(jié)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)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力。

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

　　(5)EPS易于調(diào)整和檢測，可以通過設(shè)置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期。

　　(6)EPS不存在滲油問題，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)可實現(xiàn)自動泊車系統(tǒng)等輔助功能。

　　2 EPS

　　EPS是通過電機的動力直接給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助扭矩的系統(tǒng)。它依靠檢測發(fā)動機。方向盤。車速等信息來判斷并提供合適的轉(zhuǎn)向助力，使得轉(zhuǎn)向過程能夠精確。輕松。安全地完成。通常一個EPS系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向部件。傳感器。電機。減速機構(gòu)和電子控制單元(ECU)等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成由圖1所示。

　　圖1 EPS系統(tǒng)構(gòu)成

　　轉(zhuǎn)向部件將方向盤。扭桿。轉(zhuǎn)矩傳感器。助力電機減速器總成及轉(zhuǎn)向傳動軸組合到一起，形成一個整體，完成轉(zhuǎn)向功能。控制器ECU由微處理器及電子模塊組成，完成對來自轉(zhuǎn)矩傳感器。點火開關(guān)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器。車速傳感器的信號的處理，并按照一定的運算判斷規(guī)律控制助力電機，使之產(chǎn)生合理的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩。

　　當(dāng)駕駛員操作方向盤時，連接方向盤的扭桿產(chǎn)生形變，其形變角度與施加到方向盤的轉(zhuǎn)矩成正比，轉(zhuǎn)矩傳感器將扭桿形變的角度轉(zhuǎn)化成線性的電壓輸出信號T，此信號與車速信號V.發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號w.點火信號G送入到控制器ECLT進行綜合。分析。判斷和運算后輸出電流信號控制助力電機。助力電機通過傳動機構(gòu)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，該助力扭矩施加到轉(zhuǎn)向軸上，從而輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

　　圖2 EPS系統(tǒng)邏輯圖

　　3技術(shù)方案

　　為了汽車轉(zhuǎn)向的過程順利實現(xiàn)，EPS系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：

　　助力控制：在汽車停車及低速行駛時提供較大輔助力矩，使轉(zhuǎn)向過程快捷輕便地進行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉(zhuǎn)向過程的可靠與沉穩(wěn)。

　　回正控制：確保汽車從直行狀態(tài)到大角度轉(zhuǎn)向的過程中回正力矩相應(yīng)地逐漸提高。另外，確保汽車在非轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的直線行駛性能，并防止汽車在不同車速下實現(xiàn)回正時出現(xiàn)回正不足或回正超調(diào)的現(xiàn)象。

　　阻尼控制：利用電機感應(yīng)電動勢來減弱汽車高速行駛時出現(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)象，消除轉(zhuǎn)向輪因路面不平而引起的方向盤擺振，并在汽車高速行駛時，給轉(zhuǎn)向過程增加一定的阻尼，克服轉(zhuǎn)向發(fā)飄的感覺。

　　分析診斷功能：應(yīng)能實時監(jiān)控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關(guān)斷EPS使車輛進入傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向模式。

　　通訊功能：應(yīng)具有通過CAN或LIN總線與其他系統(tǒng)進行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(shù)(主要針對電機控制)的接口。

　　為實現(xiàn)上述功能，整個EPS系統(tǒng)必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統(tǒng)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(tǒng)提供了汽車行駛狀況的各種必要信息，是系統(tǒng)的感覺器官，其信號輸出應(yīng)該盡量準確。高速。簡潔。EPS系統(tǒng)通常需要方向盤扭矩傳感器。轉(zhuǎn)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進一步處理，增加了ECU的工作負擔(dān)，而數(shù)字信號傳感器因其可給出ECU直接可用的數(shù)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越多的EPS系統(tǒng)采用。

　　控制策略：傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力，減輕轉(zhuǎn)向負擔(dān)，EPS系統(tǒng)還要解決諸如高速行駛過程中轉(zhuǎn)向過大。回正等影響車輛穩(wěn)定性和安全|生的問題，因而需要一套高效完善的控制策略來保證其性能。

　　半導(dǎo)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通過對扭矩傳感器。發(fā)動機點火信號等信息的采集。處理，以相應(yīng)的控制策略驅(qū)動3相電機實現(xiàn)電助力轉(zhuǎn)向。

　　圖3 英飛凌的EPS解決方案

　　XC836MT為輔助處理器，實現(xiàn)安全控制。

　　XC2336B是一個帶五級流水線的最高80MHz時鐘頻率的高性能CPU并擁有一個保護數(shù)據(jù)不被非法訪問的存儲器保護單元(Memor)r ProtectionUnit，MPU)。它具有不同類型的片上存儲模塊(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碼來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多外設(shè)模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個可擴展為9路的10位分辨率的同步A/D轉(zhuǎn)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個定時器。40路通用I/O接口。多路CAN接口等等，并可通過DAP和JTAG接口進行片上調(diào)試。此外，它還帶有看門狗和晶振看門狗來保證控制器的正常運行。

　　XC836MT是一顆具有8051內(nèi)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行監(jiān)控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車進入機械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免汽車失控而引發(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(yīng)的EPS方案。以TMS320F28016為例，其集成CAN通信接口，片上集成32K字節(jié)FLASH存儲器，12K字節(jié)SRAM，2K字節(jié)OTP ROM，60MHz內(nèi)部總線頻率，16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時間可達267ns;正交編碼脈沖(QEP)接口。定時器捕獲比較功能以及16路獨立的脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道，可以方便實現(xiàn)完整的系統(tǒng)集成控制功能，并提供看門狗電路。電源監(jiān)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總線等接口，2個10bitl5通道的ADC，8路獨立的PWM等外設(shè)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PWM單元，每個單元4路，以及3路6通道通用定時器，擁有2個LIN和CAN，兩個12bitADC，各16通道。其EPS方案結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　圖5 飛思卡爾EPS方案結(jié)構(gòu)圖

　　3.4方案比較

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

　　然而，由于實際中EPS往往具有非線性。時變不確定性，使得傳統(tǒng)的PID不能達到理想的效果，以致對實際運行工況的適應(yīng)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(tǒng)具有較強的魯棒性，在提高系統(tǒng)的操縱輕便性的同時，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(fù)雜的控制策略意味著復(fù)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(diào)的一點是，12位的標稱值，可以達到11.5位的ENOB，這個在業(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(shù)量精度高，更重要的一點是，BF506F具有更高的性價比。

　　ADI BF506F EPS電控板如圖6所示。

　　圖6 ADI　BF506F　EPS電控板

　　5結(jié)論

　　在外設(shè)資源相差不大，高主頻意味著比較高的運算處理能力，因此，選擇BF506F系列處理器實現(xiàn)EPS，在硬件平臺不用變更的情況下，更容易實現(xiàn)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