電子動力轉向系統架構及控制器選型指南

今天，電子動力轉向系統(EPS)已成為減少二氧化碳排放的關鍵要素之一。因此各種不同類型的汽車都裝備有機電動力轉向系統。那么在實現電子助力轉向系統時需要用到哪些技術呢?

EPS是一種機電動力轉向系統，它用電子控制的馬達代替原來的水壓助力轉向裝置。EPS系統在發動機艙內占用更少的空間，更容易組裝，而且能夠節省燃油消耗。另外它在轉向系統中不再使用有毒的液壓油。在小型車輛中，馬達是通過齒輪箱連接到轉向柱的，而在中型汽車內，馬達利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過齒輪箱作業。當司機轉動方向盤時，馬達就為轉向系統提供動力。

EPS系統是如何工作的?

電子動力轉向系統由一個控制單元、眾多傳感器和一個無刷馬達組成。控制單元對系統進行控制，并提供馬達所需的信息。另外，它還從傳感器接收信息，這些傳感器主要用來測量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數。檢測馬達位置和馬達電流的傳感器可確保馬達工作在最佳狀態。圖1為帶系統監視功能的高階電子機械動力轉向系統關鍵組件。XC2300作為主處理器控制著伺服馬達和其它組件。第二個較小的微控制器或ASIC則作為監控單元。

EPS系統中的主要組件

傳動裝置是一個三相同步或異步無刷馬達。馬達的旋轉場以電子方式產生。信號頻率約20kHz的脈沖寬度調變(PWM)信號將影響馬達的速度和扭矩。

旋轉編碼器或磁性傳感器，即所謂的巨型磁阻(GMS)，可以提供識別轉子位置的數據。通常兩個相位電流是通過分路電路或霍爾傳感器測量的。上述傳感器都是模擬輸出，因此需要經過放大才能用于進一步的處理。作用在轉向柱上的力量以及馬達要求的助動力通過扭矩傳感器測量。信號處理在控制單元中完成。車輪傳感器提供汽車速度信息，轉向角度傳感器提供方向盤目前位置信息。其它控制單元則處理這些信號。數據是在CAN總線上傳輸的。可以在傳感器中整合一些評估邏輯，具體取決于系統選用的傳感器類型。這樣可以提高精密度，減少出錯的可能性。

控制單元由眾多的穩壓器、CAN收發器、信號處理電路、橋式驅動器、電源開關和微控制器組成。

穩壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的各種電壓。CAN收發器用于CAN總線和微控制器之間的橋接。數據信號處理是模擬還是數字方式取決于傳感器類型。因為微控制器不能直接控制電源開關(B6橋)，因此需要橋式驅動器。橋式驅動器產生快速開關晶體管所需的閘極電壓和相關電流。智能驅動器還包含有診斷接口，它能檢測各種問題，如半橋短路、低相位電壓或組件高溫。微控制器控制和監視馬達與整個系統，它還必須執行診斷功能，并與網絡進行通訊。此外還采用了另外一個控制器來進行檢錯，并在必要時啟動緊急工作模式。

由于EPS系統在馬達動態和?定扭矩方面有很高的要求，故它們需要采用復雜的算法，如FOC(針對場的控制)。這種控制直接作用于馬達的轉子場上，需要相當強的處理能力，因為它涉及運算多個坐標轉換(Clark/Park轉換)，并須以50μs間隔調節兩個相位電流。需要通過一個PWM信號并使用空間向量方法對馬達進行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負載還不到10%。

圖1：具備系統監視功能的電子機械動力轉向系統中的關鍵組件。

XC2300微控制器

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列的新產品，該組件可解決系統監視問題，能夠快速處理嚴格的控制算法，并具有廣泛的內建硬件支持。總之，它能夠快速且高效地處理各種復雜的任務。

為了增強可靠性，XC2300在安全方面采用了循環冗余校驗(CRC)來驗證感應數據，其中涉及兩次寫入數據以及二者的比較。整個內存系統受硬件糾錯單元的保護。為了整合不同的軟件模塊，還設立了一個內存保護單元。

XC2000的架構是以之前開發的C166核心為基礎，可提供先進的控制和DSP功能。然而，與C166架構不同的是，它具有高性能管線結構，故可在單頻率周期內執行指令。在相同的頻率速度下，XC2300的處理能力約為C166的兩倍。XC2300還整合一個乘法累加單元，可容易實現矩陣作業或有限脈沖響應(FIR)濾波器功能。這意味著可在單頻率周期內執行累積32位加法或減法的 16x16位乘法。快速的矩陣作業處理(Clark/Park轉換)和PI控制器在EPS中都發揮了重要作用。XC2300支持最多128個中斷源，共有 16個中斷等級。除了典型的中斷處理，該處理器還以外圍事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能，允許在16MB的地址空間中輕松地移動或復制大型數據區塊。程序內存存取為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在實體上被分成多個模塊，并采用了糾錯和監視功能，可獲得更高的執行可靠性。每個閃存區都可通過密碼分別實現讀寫保護。可用來管理數據的嵌入式 SRAM容量為50KB。此外還采用了一種額外的保護機制來防止對重要CPU緩存器的未授權存取。為了進一步提高執行可靠性，當某些受限指令被執行或者是 CPU堆棧寫入溢出時也可以觸發保護機制。

外圍功能

XC2300的外圍模塊包含了靈活的定時單元、三個USIC模塊(用于支持不同的同步和異步串行接口)、擷取/比較(CAPCOM)模塊、一個實時頻率和看門狗功能、兩個獨立的高速10位A/D轉換器(轉換時間》=1.2μs)以及三個CAN模塊。眾多的觸發器資源允許AD轉換與具有相應延遲的CAPCOM定時器單元之間實現同步。內建有限的幾個檢查器可以對多個電壓源進行后臺監視，不會增加CPU任何負擔。

CAPCOM6擷取/比較單元是專門開發來支持獨立于CPU的多相馬達控制。以CPU頻率作為其執行頻率的兩個獨立的16位寬定時器被作為時間基準。CAPCOM6模塊能夠產生多達7個的獨立脈寬調變信號，或儲存輸入信號持續時間和工作周期。它在80MHz的系統頻率下可以提供12.5ns的分辨率。一個8位的定時器支持死區時間(dead time)產生。該信號可以單獨分配給每個通道。由于采用了同步設計和影子緩存器，緩存器更新可得到正確的定義。CAPCOM6單元支持同步和異步脈寬調變。在產生錯誤時，每個輸出都可以立即進入不活動狀態。在一個系統中，使用兩個CAPCOM6單元可以最多控制兩個馬達。所有外圍模塊都通過一條高速16 位外圍總線連接到CPU。XC2300系列微控制器中外圍模塊的整合度比其它微控制器架構要高，因此CPU可以集中資源執行運算和診斷任務。XC2365 微控制器中的關鍵功能模塊如圖2所示。