基于OSEK/VDX的电动助力系统设计

　　随着电子技术和电机控制技术的发展，电动助力转向（Electronic Power Steering，EPS）系统的研究取得了很大进步。目前，汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向（Hydraulic Power Steering，HPS）。经过20多年的发展，EPS技术日趋完善，已经取得了相当大的成果，在轻型轿车、厢式车上得到了广泛应用[1].

　　传统的软件设计不容易维护，移植性差，且实时性得不到保证。随着汽车工业的不断发展，电子技术在汽车上得到越来越多的应用。为了满足日益复杂的汽车电子控制软件的开发需要，实现应用软件的可移植性和不同厂商的控制模块间的可兼容性，1993年德国汽车工业界联合推出了“汽车电子的开放式系统及接口软件规范”，即OSEK（open systems and the corresponding inteRFaces for automotive electronics）规范，旨在为汽车上的分布控制单元提供一个开放结构的工业标准。1994年法国汽车工业界使用的汽车分布式运行系统VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK规范合并，形成OSEK/VDX规范[2].目前该规范已经成为ISO国际标准（ISO17356）。基于此，本文提出了基于嵌入式实时操作系统的EPS软件设计方法。

　　1 EPS系统的结构和工作原理

　　1.1 EPS系统的结构

　　根据电机安装位置的不同，EPS可分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式。图1是一个典型电动助力转向系统的示意图。EPS控制系统的主要组成部件[3]：

图1 电动助力转向系统示意图

　　① 扭矩信号传感器，测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小和方向。

　　② 车速信号传感器，测量汽车的行驶速度，在不同的车速和方向盘转矩的情况下，会提供不同的助力，以保证EPS系统在低速下灵活，高速下具有较好的“路感”。

　　③ 助力电动机，是EPS系统最关键的部件之一，助力电动机要求低转速大扭距、转动惯量小、可靠性高、振动小、噪声小，且尺寸小、质量轻。

　　④ 电磁离合器，主要起安全保护的作用，当EPS发生故障时，电磁离合器会及时切断电动机和转向柱的连接，汽车以传统的机械转向装置进行工作，从而保证行车安全。

　　⑤ 减速机构，是EPS系统不可缺少的部分，用来产生减速增扭的作用。

　　⑥ 电子控制单元ECU，主要包括信息处理单元及其外围电路。它是EPS系统的控制核心。控制单元根据方向盘转矩传感器和车速传感器的信号，经过A/D转换和逻辑分析与计算后，发出指令控制电机工作。

　　1.2 EPS系统的工作原理

　　虽然EPS的有3种类型，但工作原理是一样的：通过扭矩传感器和车速传感器，进行信号采集，经A/D转换，将信号发送到电子控制单元（ECU）中，单片机根据采集到的车速信号与扭矩信号，并根据相应的控制策略对直流伺服电动机进行实时控制。

　　根据汽车转向行驶的不同情况要求，EPS按不同的控制方式进行控制，通常有3种基本控制方式。

　　（1） 助力控制

　　汽车在低速范围内行驶，方向盘进行转向并离开中间位置时电控单元对电动机进行常规控制；通过计算确定助力电动机的电流，以获得合适的助力转矩，使转向操纵轻便灵敏。

　　（2） 回正控制

　　回正控制可以改善汽车的回正性能。汽车在低速范围内行驶转向后方向盘回到中间位置附近时，电控单元使电动机电流迅速减小，以便转向轮迅速回正；在高速时，采用阻尼控制，使电机两端短路，产生与回正力矩相反的回正阻尼，改善转向盘的回正超调。

　　（3） 阻尼控制

　　阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，消除转向轮因路面输入而引起的摆振。其原理很简单，即汽车处于高速行驶时，使电动机短路，其端电压变为零，电动机将不提供助力，但由于感应电动势的作用，电动机将产生与其转动方向相反的转矩。此过程等于增加了转向系统的阻尼，驾驶员能够获得适当的路感，不致有发飘的感觉。

　　2 EPS控制系统ECU设计

　　EPS系统实现的主要功能是采集扭矩传感器信号、车速传感器信号和电动机反馈电流信号，经控制器中的控制策略和控制算法，通过脉宽调制控制伺服电动机为驾驶员提供转向辅助力。另外，考虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急处理方案。

　　EPS系统的硬件设计主要包括以下一些主要模块：控制器核心系统设计、控制单元接口电路、电动机驱动及其保护电路、电磁离合器控制电路、传感器信号处理电路以及电源系统电路的设计等，如图2所示。在这里主要介绍一下控制器和电机驱动电路。

图2 EPS硬件电路结构示意图

　　2.1 控制器

　　EPS系统的微控制器采用的是Microchip公司的PIC18F458芯片。该系列芯片具有以下性能：

　　① 16位宽指令，8位宽数据通道，2 MB的程序存储器、4 KB的数据存储器，高达10 MIPS的执行速度。

　　② 40 MHz时钟输入，4～10 MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入。

　　③ 带优先级的中断和8×8单周期硬件乘法器。

　　④ 捕捉/比较/脉宽调制（CCP）模块：

　　捕捉输入——16位，最大分辨率为6.25 ns；

　　比较单元——16位，最大分辨率为100 ns；

　　脉宽调制（PWM）输出——分辨率为1～10位；

　　最高PWM频率——8位时频率为156 kHz，10位时频率为39 kHz.

　　⑤ 增强型CCP模块除具有以上CCP特性外，还具有1、2、4路的PWM输出，可选择PWM极性，可编程的PWM死区时间。

　　⑥ 10位，8通道的A/D转换。

　　⑦ CAN总线模块。

　　2.2 驱动电路设计

　　电动机控制电路的设计在电动助力转向系统的设计中是比较关键的部分。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式已成为绝对主流。在本系统中，电机的控制就是采用的PWM脉宽调制控制方式。全桥双极性驱动电路如图3所示。

　　PIC18F458单片机的ECCP引脚连接2个驱动芯片IR2110（每个IR2110可控制2个MOSFET），来控制4个MOSFET的导通和截止，从而实现对助力电机的控制。EPS系统需要实现3种控制方式：常规控制、回正控制和阻尼控制。

图3 助力电机驱动电路