基于OSEK/VDX的電動助力系統設計

　　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

　　阻尼控制可以衰減汽車高速行駛時出現的方向盤抖動現象，消除轉向輪因路面輸入而引起的擺振。其原理很簡單，即汽車處于高速行駛時，使電動機短路，其端電壓變為零，電動機將不提供助力，但由于感應電動勢的作用，電動機將產生與其轉動方向相反的轉矩。此過程等于增加了轉向系統的阻尼，駕駛員能夠獲得適當的路感，不致有發飄的感覺。

　　2 EPS控制系統ECU設計

　　EPS系統實現的主要功能是采集扭矩傳感器信號、車速傳感器信號和電動機反饋電流信號，經控制器中的控制策略和控制算法，通過脈寬調制控制伺服電動機為駕駛員提供轉向輔助力。另外，考慮到其應用對象的特殊性，其安全性要求的絕對地位，系統還需要提供許多應急處理方案。

　　EPS系統的硬件設計主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統設計、控制單元接口電路、電動機驅動及其保護電路、電磁離合器控制電路、傳感器信號處理電路以及電源系統電路的設計等，如圖2所示。在這里主要介紹一下控制器和電機驅動電路。

圖2 EPS硬件電路結構示意圖

　　2.1 控制器

　　EPS系統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：

　　① 16位寬指令，8位寬數據通道，2 MB的程序存儲器、4 KB的數據存儲器，高達10 MIPS的執行速度。

　　② 40 MHz時鐘輸入，4～10 MHz帶PLL鎖相環有源晶振/時鐘輸入。

　　③ 帶優先級的中斷和8×8單周期硬件乘法器。

　　④ 捕捉/比較/脈寬調制（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；

　　脈寬調制（PWM）輸出——分辨率為1～10位；

　　最高PWM頻率——8位時頻率為156 kHz，10位時頻率為39 kHz.

　　⑤ 增強型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死區時間。

　　⑥ 10位，8通道的A/D轉換。

　　⑦ CAN總線模塊。

　　2.2 驅動電路設計

　　電動機控制電路的設計在電動助力轉向系統的設計中是比較關鍵的部分。隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，直流電動機的結構和控制方式都發生了很大的變化，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式已成為絕對主流。在本系統中，電機的控制就是采用的PWM脈寬調制控制方式。全橋雙極性驅動電路如圖3所示。

　　PIC18F458單片機的ECCP引腳連接2個驅動芯片IR2110（每個IR2110可控制2個MOSFET），來控制4個MOSFET的導通和截止，從而實現對助力電機的控制。EPS系統需要實現3種控制方式：常規控制、回正控制和阻尼控制。

圖3 助力電機驅動電路