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

　　3 EPS軟件設(shè)計(jì)

　　隨著嵌入式應(yīng)用進(jìn)一步復(fù)雜化和對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求的提高，為了合理調(diào)度多種任務(wù)并利用系統(tǒng)資源，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)逐漸成為了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的主流。當(dāng)前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有數(shù)百種，它們各具特色。開放源碼的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在成本和技術(shù)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并占有越來越重要的地位。本文選擇開源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)PICOS18作為EPS的軟件開發(fā)平臺(tái)。PICOS18是按照OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。PICOS18是一個(gè)多任務(wù)可剝奪型微實(shí)時(shí)內(nèi)核，非常小巧，占程序空間（ROM）小于1KB，占數(shù)據(jù)空間（RAM）僅為7B，系統(tǒng)代碼容量及運(yùn)行所需的ROM和RAM也非常少；提供了任務(wù)管理、定時(shí)器管理、事件管理、中斷管理等功能；基于優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，具有16個(gè)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)占用1個(gè)，用戶可創(chuàng)建15個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)最多還可以擁有8個(gè)事件[4].

　　3.1 應(yīng)用軟件開發(fā)

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將面向功能的應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)化為面向任務(wù)的應(yīng)用開發(fā)，因此軟件開發(fā)的過程就是將應(yīng)用系統(tǒng)按照功能細(xì)分為多個(gè)任務(wù)，然后實(shí)現(xiàn)每個(gè)任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級(jí)；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的操作，需要編寫相關(guān)的中斷服務(wù)程序。

　　根據(jù)EPS的工作原理，可分為8個(gè)任務(wù)。

　?。?） Task1——車速信號(hào)采集

　　擴(kuò)展任務(wù)，用于計(jì)算車速。上電運(yùn)行后Task1處于等待狀態(tài)， 等待車速計(jì)算事件EventSpeed.利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0模塊當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)（數(shù)量的轉(zhuǎn)速信號(hào)脈沖后）產(chǎn)生中斷，進(jìn)入轉(zhuǎn)速中斷服務(wù)程序，記錄脈沖周期總時(shí)間，然后設(shè)置事件EventSpeed，激活Task1.這時(shí)Task1處于就緒狀態(tài)，在操作系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制（完全搶占式）的管理下，等到就緒隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)高于Task1的任務(wù)都運(yùn)行完成時(shí)，Task1運(yùn)行，根據(jù)所記錄的脈沖時(shí)間和脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算出車速，并進(jìn)行濾波。執(zhí)行完后，激活Task2，清除事件EventSpeed，Task1又處于等待狀態(tài)。

　?。?） Task2——扭矩信號(hào)采集

　　基本任務(wù)，用于采集扭矩信號(hào)。該任務(wù)由Task1激活，執(zhí)行頻率與Task1相同。因?yàn)檐囁傩盘?hào)和扭矩信號(hào)是EPS系統(tǒng)最重要的兩個(gè)參數(shù)，所以必須使這兩個(gè)參數(shù)及時(shí)地更新，以保證助力模式的選擇和助力大小的確定得到及時(shí)準(zhǔn)確的控制。

　?。?） Task3——電流反饋信號(hào)采集

　　基本任務(wù)，用于采集電機(jī)反饋電流。該任務(wù)由Task5激活，系統(tǒng)只有在助力控制時(shí)才會(huì)激活此任務(wù)。該參數(shù)與目標(biāo)電流的差值，通過PID調(diào)節(jié)器的控制，使電機(jī)迅速提供相應(yīng)的扭矩，達(dá)到助力的目的。

　?。?） Task4——故障診斷

　　擴(kuò)展任務(wù)，用于故障的監(jiān)測(cè)和診斷。上電運(yùn)行后，等待消息MsgSpeedErr，確定車速正常；等待消息MsgVoltErr，確定電壓正常；等待消息MsgTorqueErr，確定扭矩正常。一旦發(fā)生故障，該任務(wù)將立即斷開繼電器，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

　?。?） Task5——助力模式選擇

　　基本任務(wù)，用于選擇助力方式以及確定助力控制方式下的目標(biāo)電流。此任務(wù)由Task2激活，通過車速和扭矩的大小，判斷助力模式，在助力控制下通過助力特性曲線得到目標(biāo)電流。此任務(wù)的執(zhí)行次數(shù)與Task1和Task2相同，以保證助力方式和助力大小實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

　?。?） Task6——助力控制

　　基本任務(wù)，助力控制，由Task3激活。通過Task5得到的目標(biāo)電流，以及Task3電機(jī)反饋電流，采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，最后通過PWM脈寬調(diào)制控制助力電機(jī)。

　　（7） Task7——回正控制

　　基本任務(wù)，回正控制，由Task5激活。當(dāng)汽車車速很高時(shí)，使電機(jī)兩端短路，產(chǎn)生回正阻尼，減小回正超調(diào)；當(dāng)汽車處于低速時(shí)，使電機(jī)兩端迅速斷路，減小電機(jī)阻力，使轉(zhuǎn)向迅速回正。

　　（8） Task8——阻尼控制

　　基本任務(wù)，阻尼控制，由Task5激活。阻尼控制用于高速時(shí)的各種狀態(tài)（回正、轉(zhuǎn)向和直線行駛）。回正時(shí)，阻尼控制可減小系統(tǒng)超調(diào)；轉(zhuǎn)向時(shí)，可增加阻力，使駕駛員得到較好的路感；直線行駛時(shí)，可減小路面對(duì)方向盤的沖擊。

　　3.2 任務(wù)優(yōu)先級(jí)

　　PICOS18采用占先式調(diào)度方式，即所有任務(wù)都是可占先的，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)確定的唯一的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)越重要優(yōu)先級(jí)越高。由于助力控制（Task6）任務(wù)必須在合適的時(shí)刻運(yùn)行，所以Task6優(yōu)先級(jí)最高，回正控制（Task7）、阻尼控制（Task8）次之，其次是故障診斷任務(wù)（Task4），其余任務(wù)優(yōu)先級(jí)按其激活的執(zhí)行順序確定。Task4在開始運(yùn)行時(shí)處于等待狀態(tài)如未監(jiān)測(cè)到不正常信號(hào)則不再執(zhí)行。Task1、Task2和Task5在按順序執(zhí)行完一個(gè)循環(huán)后，繼續(xù)響應(yīng)轉(zhuǎn)速中斷，重新執(zhí)行。這種調(diào)度方式不僅能采集到最新的車速信號(hào)和扭矩信號(hào)，使EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供助力，還能提高CPU利用率，充分利用硬件資源。

　　3.3 任務(wù)配置（OIL）

　　PICOS18通過taskdesc.c定義任務(wù)的各個(gè)參數(shù)，并且是用OSEK/VDX規(guī)范中的OIL（OSEK/VDX的實(shí)現(xiàn)語言，類似于一個(gè)C結(jié)構(gòu)定義）編寫的[5].由于PICOS18沒有提供GUI用于任務(wù)的配置，因此只能逐句編寫。任務(wù)的參數(shù)定義結(jié)構(gòu)如下：

　　4 結(jié)論

　　本文分析了EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和3種控制方式。通過PIC18F458單片機(jī)的ECCP模塊控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了EPS系統(tǒng)在各種情況下的助力方式。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不僅提高了CPU的利用率，確保了EPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，還提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及移植性。

　　OSEK/VDX是汽車電子開發(fā)的國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，采用OSEK/VDX規(guī)范開發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠提高軟件模塊的移植效率、實(shí)現(xiàn)軟件模塊的重復(fù)利用及在不同電子控制單元之間的通信。采用OSEK/VDX進(jìn)行汽車電控單元開發(fā)已成為發(fā)展趨勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 胡建軍，李彤，龔為倫，等。汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)展分析[J].液壓與氣動(dòng)，2006（12）：17-20.

　　[2] 陳卓，熊忠陽，李銀國(guó)。基于OSEK/VDX操作系統(tǒng)的任務(wù)管理機(jī)制設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程。2006，12（36）：82-84.

　　[3] 羅玉濤?，F(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：174-202.

　　[4] 龔黎明，辜承林。基于OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)PICOS18[J].電子技術(shù)。 2004（5）：10-13.

　　[5] OSEK/VDX.OSEK Implementation Language Version 2.5. 2004[OL].http://www.osekvdx.org.