基于OSEK/VDX的電動(dòng)助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

　　傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)不容易維護(hù)，移植性差，且實(shí)時(shí)性得不到保證。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上得到越來越多的應(yīng)用。為了滿足日益復(fù)雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可移植性和不同廠商的控制模塊間的可兼容性，1993年德國(guó)汽車工業(yè)界聯(lián)合推出了“汽車電子的開放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范”，即OSEK（open systems and the corresponding inteRFaces for automotive electronics）規(guī)范，旨在為汽車上的分布控制單元提供一個(gè)開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1994年法國(guó)汽車工業(yè)界使用的汽車分布式運(yùn)行系統(tǒng)VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規(guī)范合并，形成OSEK/VDX規(guī)范[2].目前該規(guī)范已經(jīng)成為ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO17356）?；诖?，本文提出了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的EPS軟件設(shè)計(jì)方法。

　　1 EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　1.1 EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)電機(jī)安裝位置的不同，EPS可分為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖。EPS控制系統(tǒng)的主要組成部件[3]：

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

　?、?扭矩信號(hào)傳感器，測(cè)量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩大小和方向。

　?、?車速信號(hào)傳感器，測(cè)量汽車的行駛速度，在不同的車速和方向盤轉(zhuǎn)矩的情況下，會(huì)提供不同的助力，以保證EPS系統(tǒng)在低速下靈活，高速下具有較好的“路感”。

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

　　④ 電磁離合器，主要起安全保護(hù)的作用，當(dāng)EPS發(fā)生故障時(shí)，電磁離合器會(huì)及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向柱的連接，汽車以傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行工作，從而保證行車安全。

　?、?減速機(jī)構(gòu)，是EPS系統(tǒng)不可缺少的部分，用來產(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(tǒng)的控制核心?？刂茊卧鶕?jù)方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令控制電機(jī)工作。

　　1.2 EPS系統(tǒng)的工作原理

　　雖然EPS的有3種類型，但工作原理是一樣的：通過扭矩傳感器和車速傳感器，進(jìn)行信號(hào)采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)發(fā)送到電子控制單元（ECU）中，單片機(jī)根據(jù)采集到的車速信號(hào)與扭矩信號(hào)，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　根據(jù)汽車轉(zhuǎn)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

　　汽車在低速范圍內(nèi)行駛，方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向并離開中間位置時(shí)電控單元對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行常規(guī)控制；通過計(jì)算確定助力電動(dòng)機(jī)的電流，以獲得合適的助力轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)向操縱輕便靈敏。

　　（2） 回正控制

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

　?。?） 阻尼控制

　　阻尼控制可以衰減汽車高速行駛時(shí)出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，消除轉(zhuǎn)向輪因路面輸入而引起的擺振。其原理很簡(jiǎn)單，即汽車處于高速行駛時(shí)，使電動(dòng)機(jī)短路，其端電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)將不提供助力，但由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩。此過程等于增加了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼，駕駛員能夠獲得適當(dāng)?shù)穆犯校恢掠邪l(fā)飄的感覺。

　　2 EPS控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)

　　EPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是采集扭矩傳感器信號(hào)、車速傳感器信號(hào)和電動(dòng)機(jī)反饋電流信號(hào)，經(jīng)控制器中的控制策略和控制算法，通過脈寬調(diào)制控制伺服電動(dòng)機(jī)為駕駛員提供轉(zhuǎn)向輔助力。另外，考慮到其應(yīng)用對(duì)象的特殊性，其安全性要求的絕對(duì)地位，系統(tǒng)還需要提供許多應(yīng)急處理方案。

　　EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制單元接口電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其保護(hù)電路、電磁離合器控制電路、傳感器信號(hào)處理電路以及電源系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)等，如圖2所示。在這里主要介紹一下控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 EPS硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.1 控制器

　　EPS系統(tǒng)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(shù)據(jù)通道，2 MB的程序存儲(chǔ)器、4 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高達(dá)10 MIPS的執(zhí)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(jí)的中斷和8×8單周期硬件乘法器。

　?、?捕捉/比較/脈寬調(diào)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(diào)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(qiáng)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(qū)時(shí)間。

　?、?10位，8通道的A/D轉(zhuǎn)換。

　?、?CAN總線模塊。

　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是比較關(guān)鍵的部分。隨著計(jì)算機(jī)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(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式已成為絕對(duì)主流。在本系統(tǒng)中，電機(jī)的控制就是采用的PWM脈寬調(diào)制控制方式。全橋雙極性驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

　　PIC18F458單片機(jī)的ECCP引腳連接2個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110（每個(gè)IR2110可控制2個(gè)MOSFET），來控制4個(gè)MOSFET的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)的控制。EPS系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)3種控制方式：常規(guī)控制、回正控制和阻尼控制。

圖3 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路