基于OSEK/VDX的電動助力轉向系統設計

　　隨著電子技術和電機控制技術的發展，電動助力轉向(Electronic Power Steering，EPS)系統的研究取得了很大進步。目前，汽車電動助力轉向已部分取代傳統液壓動力轉向(Hydraulic Power Steering，HPS)。經過20多年的發展，EPS技術日趨完善，已經取得了相當大的成果，在輕型轎車、廂式車上得到了廣泛應用[1]。

　　傳統的軟件設計不容易維護，移植性差，且實時性得不到保證。隨著汽車工業的不斷發展，電子技術在汽車上得到越來越多的應用。為了滿足日益復雜的汽車電子控制軟件的開發需要，實現應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年德國汽車工業界聯合推出了“汽車電子的開放式系統及接口軟件規范”，即OSEK（open systems and the corresponding inteRFaces for automoTIve electronics）規范，旨在為汽車上的分布控制單元提供一個開放結構的工業標準。1994年法國汽車工業界使用的汽車分布式運行系統VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規范合并，形成OSEK/VDX規范[2]。目前該規范已經成為ISO國際標準（ISO17356）。基于此，本文提出了基于嵌入式實時操作系統的EPS軟件設計方法。

1 EPS系統的結構和工作原理

　　1.1 EPS系統的結構

　　根據電機安裝位置的不同，EPS可分為轉向軸助力式、小齒輪助力式和齒條助力式。圖1是一個典型電動助力轉向系統的示意圖。EPS控制系統的主要組成部件[3]：

圖1 電動助力轉向系統示意圖

　　① 扭矩信號傳感器，測量駕駛員作用在轉向盤上的力矩大小和方向。

　　② 車速信號傳感器，測量汽車的行駛速度，在不同的車速和方向盤轉矩的情況下，會提供不同的助力，以保證EPS系統在低速下靈活，高速下具有較好的“路感”。

　　③ 助力電動機，是EPS系統最關鍵的部件之一，助力電動機要求低轉速大扭距、轉動慣量小、可靠性高、振動小、噪聲小，且尺寸小、質量輕。

　　④ 電磁離合器，主要起安全保護的作用，當EPS發生故障時，電磁離合器會及時切斷電動機和轉向柱的連接，汽車以傳統的機械轉向裝置進行工作，從而保證行車安全。

　　⑤ 減速機構，是EPS系統不可缺少的部分，用來產生減速增扭的作用。

　　⑥ 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系統的控制核心。控制單元根據方向盤轉矩傳感器和車速傳感器的信號，經過A/D轉換和邏輯分析與計算后，發出指令控制電機工作。

　　1.2 EPS系統的工作原理

　　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，進行信號采集，經A/D轉換，將信號發送到電子控制單元（ECU）中，單片機根據采集到的車速信號與扭矩信號，并根據相應的控制策略對直流伺服電動機進行實時控制。

　　根據汽車轉向行駛的不同情況要求，EPS按不同的控制方式進行控制，通常有3種基本控制方式。

　　(1) 助力控制

　　汽車在低速范圍內行駛，方向盤進行轉向并離開中間位置時電控單元對電動機進行常規控制；通過計算確定助力電動機的電流，以獲得合適的助力轉矩，使轉向操縱輕便靈敏。

　　(2) 回正控制

　　回正控制可以改善汽車的回正性能。汽車在低速范圍內行駛轉向后方向盤回到中間位置附近時，電控單元使電動機電流迅速減小，以便轉向輪迅速回正；在高速時，采用阻尼控制，使電機兩端短路，產生與回正力矩相反的回正阻尼，改善轉向盤的回正超調。

　　(3) 阻尼控制