基于OSEK/VDX的電動助力系統(tǒng)設計

     隨著電子技術和電機控制技術的發(fā)展，電動助力轉向（Electronic Power Steering，EPS）系統(tǒng)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(tǒng)液壓動力轉向（Hydraulic Power Steering，HPS）。經(jīng)過20多年的發(fā)展，EPS技術日趨完善，已經(jīng)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。

　　傳統(tǒng)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(yè)的不斷發(fā)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(fā)需要，實現(xiàn)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(yè)界聯(lián)合推出了“汽車電子的開放式系統(tǒng)及接口軟件規(guī)范”，即OSEK（open systems and the corresponding inteRFaces for automotive electronics）規(guī)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(yè)標準。1994年法國汽車工業(yè)界使用的汽車分布式運行系統(tǒng)VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規(guī)范合并，形成OSEK/VDX規(guī)范。目前該規(guī)范已經(jīng)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(tǒng)的EPS軟件設計方法。

1 EPS系統(tǒng)的結構和工作原理

1.1 EPS系統(tǒng)的結構

　　根據(jù)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(tǒng)的示意圖。EPS控制系統(tǒng)的主要組成部件：

圖1 電動助力轉向系統(tǒng)示意圖

　?、?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。

　?、?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(tǒng)在低速下靈活，高速下具有較好的“路感”。

　?、?助力電動機，是EPS系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的機械轉向裝置進行工作，從而保證行車安全。

　?、?減速機構，是EPS系統(tǒng)不可缺少的部分，用來產(chǎn)生減速增扭的作用。

　?、?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(tǒng)的控制核心。控制單元根據(jù)方向盤轉矩傳感器和車速傳感器的信號，經(jīng)過A/D轉換和邏輯分析與計算后，發(fā)出指令控制電機工作。

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

　　根據(jù)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(guī)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(chǎn)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(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)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?yōu)榱?，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(chǎn)生與其轉動方向相反的轉矩。此過程等于增加了轉向系統(tǒng)的阻尼，駕駛員能夠獲得適當?shù)穆犯校恢掠邪l(fā)飄的感覺。

2 EPS控制系統(tǒng)ECU設計

　　EPS系統(tǒng)實現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)還需要提供許多應急處理方案。

　　EPS系統(tǒng)的硬件設計主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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：

　?、?16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，2 MB的程序存儲器、4 KB的數(shù)據(jù)存儲器，高達10 MIPS的執(zhí)行速度。

　?、?40 MHz時鐘輸入，4～10 MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時鐘輸入。

　?、?帶優(yōu)先級的中斷和8×8單周期硬件乘法器。

　?、?捕捉/比較/脈寬調制（*）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.

　?、?增強型*模塊除具有以上*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(qū)時間。

　　⑥ 10位，8通道的A/D轉換。

　?、?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(tǒng)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(xiàn)，直流電動機的結構和控制方式都發(fā)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(tǒng)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E*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(xiàn)對助力電機的控制。EPS系統(tǒng)需要實現(xiàn)3種控制方式：常規(guī)控制、回正控制和阻尼控制。

圖3 助力電機驅動電路

3 EPS軟件設計

　　隨著嵌入式應用進一步復雜化和對實時性、可靠性要求的提高，為了合理調度多種任務并利用系統(tǒng)資源，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)進行嵌入式軟件設計逐漸成為了嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的主流。當前嵌入式實時操作系統(tǒng)有數(shù)百種，它們各具特色。開放源碼的嵌入式實時操作系統(tǒng)在成本和技術上具有獨特的優(yōu)勢，并占有越來越重要的地位。本文選擇開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)PICOS18作為EPS的軟件開發(fā)平臺。PICOS18是按照OSEK/VDX標準實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)。PICOS18是一個多任務可剝奪型微實時內核，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)代碼容量及運行所需的ROM和RAM也非常少；提供了任務管理、定時器管理、事件管理、中斷管理等功能；基于優(yōu)先級進行任務調度，具有16個優(yōu)先級，系統(tǒng)占用1個，用戶可創(chuàng)建15個任務，每個任務最多還可以擁有8個事件[4].

3.1 應用軟件開發(fā)

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)將面向功能的應用開發(fā)轉化為面向任務的應用開發(fā)，因此軟件開發(fā)的過程就是將應用系統(tǒng)按照功能細分為多個任務，然后實現(xiàn)每個任務，并為任務確定合適的優(yōu)先級；對于實時性要求高的操作，需要編寫相關的中斷服務程序。

　　根據(jù)EPS的工作原理，可分為8個任務。

　?。?） Task1——車速信號采集

　　擴展任務，用于計算車速。上電運行后Task1處于等待狀態(tài)，等待車速計算事件EventSpeed.利用定時器/計數(shù)器TMR0模塊當計數(shù)器溢出時（數(shù)量的轉速信號脈沖后）產(chǎn)生中斷，進入轉速中斷服務程序，記錄脈沖周期總時間，然后設置事件EventSpeed，激活Task1.這時Task1處于就緒狀態(tài)，在操作系統(tǒng)調度機制（完全搶占式）的管理下，等到就緒隊列中優(yōu)先級高于Task1的任務都運行完成時，Task1運行，根據(jù)所記錄的脈沖時間和脈沖個數(shù)，計算出車速，并進行濾波。執(zhí)行完后，激活Task2，清除事件EventSpeed，Task1又處于等待狀態(tài)。

　?。?） Task2——扭矩信號采集

　　基本任務，用于采集扭矩信號。該任務由Task1激活，執(zhí)行頻率與Task1相同。因為車速信號和扭矩信號是EPS系統(tǒng)最重要的兩個參數(shù)，所以必須使這兩個參數(shù)及時地更新，以保證助力模式的選擇和助力大小的確定得到及時準確的控制。

　　（3） Task3——電流反饋信號采集

　　基本任務，用于采集電機反饋電流。該任務由Task5激活，系統(tǒng)只有在助力控制時才會激活此任務。該參數(shù)與目標電流的差值，通過PID調節(jié)器的控制，使電機迅速提供相應的扭矩，達到助力的目的。

　?。?） Task4——故障診斷

　　擴展任務，用于故障的監(jiān)測和診斷。上電運行后，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，該任務將立即斷開繼電器，使轉向系統(tǒng)處于機械轉向狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

　?。?） Task5——助力模式選擇

　　基本任務，用于選擇助力方式以及確定助力控制方式下的目標電流。此任務由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電流。此任務的執(zhí)行次數(shù)與Task1和Task2相同，以保證助力方式和助力大小實時準確。

　?。?） Task6——助力控制

　　基本任務，助力控制，由Task3激活。通過Task5得到的目標電流，以及Task3電機反饋電流，采用PID調節(jié)器進行閉環(huán)控制，最后通過PWM脈寬調制控制助力電機。

　　（7） Task7——回正控制

　　基本任務，回正控制，由Task5激活。當汽車車速很高時，使電機兩端短路，產(chǎn)生回正阻尼，減小回正超調；當汽車處于低速時，使電機兩端迅速斷路，減小電機阻力，使轉向迅速回正。

　　（8） Task8——阻尼控制

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

3.2 任務優(yōu)先級

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

　　3.3 任務配置（OIL）

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

4 結論

　　本文分析了EPS系統(tǒng)的結構、工作原理和3種控制方式。通過PIC18F458單片機的E*模塊控制電機，實現(xiàn)了EPS系統(tǒng)在各種情況下的助力方式。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，不僅提高了CPU的利用率，確保了EPS系統(tǒng)的實時性要求，還提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及移植性。

參考文獻:

[1]. HPS datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/HPS_2043377.html.
[2]. Microchip datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Microchip_1097736.html.
[3]. PIC18F458 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PIC18F458_1101505.html.
[4]. IR2110 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/IR2110_406876.html.
[5]. ROM datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.