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詳細分析電動(dòng)助力轉向系統（EPS）的原理及其工作流程，采用PIC18F458單片機作為控制器，通過(guò)其增強型的PWM脈寬調制模塊ECCP控制助力電機，實(shí)現EPS系統的助力控制、回正控制、阻尼控制等方式。 應用軟件采用OSEK OS嵌入式操作系統為平臺，將EPS系統進(jìn)行多任務(wù)劃分，通過(guò)優(yōu)先級調度達到系統協(xié)調運行的目的。關(guān)鍵詞單片機電動(dòng)助力控制 PWMOSEK/VDXPIC18F458PICOS18 隨著(zhù)電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉向(Electronic Power Steering，EPS)系統的研究取得了很大進(jìn)步。目前，汽車(chē)電動(dòng)助力轉向已部分取代傳統液壓動(dòng)力轉向(Hydraulic Power Steering，HPS)。 經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，已經(jīng)取得了相當大的成果，在輕型轎車(chē)、廂式車(chē)上得到了廣泛應用。傳統的軟件設計不容易維護，移植性差，且實(shí)時(shí)性得不到保證。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在汽車(chē)上得到越來(lái)越多的應用。 為了滿(mǎn)足日益復雜的汽車(chē)電子控制軟件的開(kāi)發(fā)需要，實(shí)現應用軟件的可移植性和不同廠(chǎng)商的控制模塊間的可兼容性，1993年德國汽車(chē)工業(yè)界聯(lián)合推出了“汽車(chē)電子的開(kāi)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(chē)上的分布控制單元提供一個(gè)開(kāi)放結構的工業(yè)標準。1994年法國汽車(chē)工業(yè)界使用的汽車(chē)分布式運行系統 VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規范合并，形成OSEK/VDX規范。 目前該規范已經(jīng)成為ISO國際標準（ISO17356）�；诖�，本文提出了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的EPS軟件設計方法。1EPS系統的結構和工作原理1.1EPS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(gè)典型電動(dòng)助力轉向系統的示意圖。EPS控制系統的主要組成部件： ① 扭矩信號傳感器，測量駕駛員作用在轉向盤(pán)上的力矩大小和方向。 ② 車(chē)速信號傳感器，測量汽車(chē)的行駛速度，在不同的車(chē)速和方向盤(pán)轉矩的情況下，會(huì )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(dòng)機，是EPS系統最關(guān)鍵的部件之一，助力電動(dòng)機要求低轉速大扭距、轉動(dòng)慣量小、可靠性高、振動(dòng)小、噪聲小，且尺寸小、質(zhì)量輕。圖1電動(dòng)助力轉向系統示意圖 ④ 電磁離合器，主要起安全保護的作用，當EPS發(fā)生故障時(shí)，電磁離合器會(huì )及時(shí)切斷電動(dòng)機和轉向柱的連接，汽車(chē)以傳統的機械轉向裝置進(jìn)行工作，從而保證行車(chē)安全。 ⑤ 減速機構，是EPS系統不可缺少的部分，用來(lái)產(chǎn)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�？刂茊卧鶕较虮P(pán)轉矩傳感器和車(chē)速傳感器的信號，經(jīng)過(guò)A/D轉換和邏輯分析與計算后，發(fā)出指令控制電機工作。1.2EPS系統的工作原理雖然EPS的有3種類(lèi)型，但工作原理是一樣的：通過(guò)扭矩傳感器和車(chē)速傳感器，進(jìn)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，單片機根據采集到的車(chē)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(dòng)機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 根據汽車(chē)轉向行駛的不同情況要求，EPS按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常有3種基本控制方式。 (1) 助力控制汽車(chē)在低速范圍內行駛，方向盤(pán)進(jìn)行轉向并離開(kāi)中間位置時(shí)電控單元對電動(dòng)機進(jìn)行常規控制；通過(guò)計算確定助力電動(dòng)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(chē)的回正性能。汽車(chē)在低速范圍內行駛轉向后方向盤(pán)回到中間位置附近時(shí)，電控單元使電動(dòng)機電流迅速減小，以便轉向輪迅速回正；在高速時(shí)，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(pán)的回正超調。 (3) 阻尼控制阻尼控制可以衰減汽車(chē)高速行駛時(shí)出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，消除轉向輪因路面輸入而引起的擺振。其原理很簡(jiǎn)單，即汽車(chē)處于高速行駛時(shí)，使電動(dòng)機短路，其端電壓變?yōu)榱�，電�?dòng)機將不提供助力，但由于感應電動(dòng)勢的作用，電動(dòng)機將產(chǎn)生與其轉動(dòng)方向相反的轉矩。 此過(guò)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(fā)飄的感覺(jué)。2EPS控制系統ECU設計EPS系統實(shí)現的主要功能是采集扭矩傳感器信號、車(chē)速傳感器信號和電動(dòng)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(guò)脈寬調制控制伺服電動(dòng)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(dòng)機驅動(dòng)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(dòng)電路。 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(shí)鐘輸入，4～10 MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入。 ③ 帶優(yōu)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(shí)頻率為156 kHz，10位時(shí)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(shí)間。 ⑥ 10位，8通道的A/D轉換。 ⑦ CAN總線(xiàn)模塊。圖2EPS硬件電路結構示意圖2.2驅動(dòng)電路設計電動(dòng)機控制電路的設計在電動(dòng)助力轉向系統的設計中是比較關(guān)鍵的部分。隨著(zhù)計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，直流電動(dòng)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(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)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(dòng)電路如圖3所示。 PIC18F458單片機的ECCP引腳連接2個(gè)驅動(dòng)芯片IR2110（每個(gè)IR2110可控制2個(gè)MOSFET），來(lái)控制4個(gè)MOSFET的導通和截止，從而實(shí)現對助力電機的控制。EPS系統需要實(shí)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(dòng)電路3EPS軟件設計隨著(zhù)嵌入式應用進(jìn)一步復雜化和對實(shí)時(shí)性、可靠性要求的提高，為了合理調度多種任務(wù)并利用系統資源，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行嵌入式軟件設計逐漸成為了嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的主流。當前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統有數百種，它們各具特色。開(kāi)放源碼的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在成本和技術(shù)上具有獨特的優(yōu)勢，并占有越來(lái)越重要的地位。 本文選擇開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統PICOS18作為EPS的軟件開(kāi)發(fā)平臺。 PICOS18是按照OSEK/VDX標準實(shí)現的實(shí)時(shí)操作系統。PICOS18是一個(gè)多任務(wù)可剝奪型微實(shí)時(shí)內核，非常小巧，占程序空間(ROM)小于1 KB，占數據空間(RAM)僅為7 B，系統代碼容量及運行所需的ROM和RAM也非常少；提供了任務(wù)管理、定時(shí)器管理、事件管理、中斷管理等功能；基于優(yōu)先級進(jìn)行任務(wù)調度，具有16個(gè)優(yōu)先級，系統占用1個(gè)，用戶(hù)可創(chuàng )建15個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)最多還可以擁有8個(gè)事件\[4\]。 3.1應用軟件開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統將面向功能的應用開(kāi)發(fā)轉化為面向任務(wù)的應用開(kāi)發(fā)，因此軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程就是將應用系統按照功能細分為多個(gè)任務(wù)，然后實(shí)現每個(gè)任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級；對于實(shí)時(shí)性要求高的操作，需要編寫(xiě)相關(guān)的中斷服務(wù)程序。根據EPS的工作原理，可分為8個(gè)任務(wù)。 （1） Task1——車(chē)速信號采集擴展任務(wù)，用于計算車(chē)速。上電運行后Task1處于等待狀態(tài), 等待車(chē)速計算事件EventSpeed。利用定時(shí)器/計數器TMR0模塊當計數器溢出時(shí)（數量的轉速信號脈沖后）產(chǎn)生中斷，進(jìn)入轉速中斷服務(wù)程序，記錄脈沖周期總時(shí)間,然后設置事件EventSpeed，激活Task1。這時(shí)Task1處于就緒狀態(tài),在操作系統調度機制（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(wù)都運行完成時(shí)，Task1運行，根據所記錄的脈沖時(shí)間和脈沖個(gè)數,計算出車(chē)速，并進(jìn)行濾波。執行完后，激活Task2，清除事件EventSpeed，Task1又處于等待狀態(tài)。 （2） Task2——扭矩信號采集基本任務(wù)，用于采集扭矩信號。該任務(wù)由Task1激活，執行頻率與Task1相同。因為車(chē)速信號和扭矩信號是EPS系統最重要的兩個(gè)參數，所以必須使這兩個(gè)參數及時(shí)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(shí)準確的控制。 （3） Task3——電流反饋信號采集基本任務(wù)，用于采集電機反饋電流。該任務(wù)由Task5激活，系統只有在助力控制時(shí)才會(huì )激活此任務(wù)。該參數與目標電流的差值，通過(guò)PID調節器的控制，使電機迅速提供相應的扭矩，達到助力的目的。 （4） Task4——故障診斷擴展任務(wù)，用于故障的監測和診斷。上電運行后，等待消息MsgSpeedErr，確定車(chē)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(wù)將立即斷開(kāi)繼電器，使轉向系統處于機械轉向狀態(tài)，避免事故發(fā)生。 （5） Task5——助力模式選擇基本任務(wù)，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(wù)由Task2激活，通過(guò)車(chē)速和扭矩的大小，判斷助力模式，在助力控制下通過(guò)助力特性曲線(xiàn)得到目標電流。此任務(wù)的執行次數與Task1和Task2相同，以保證助力方式和助力大小實(shí)時(shí)準確。 （6） Task6——助力控制基本任務(wù)，助力控制，由Task3激活。通過(guò)Task5得到的目標電流，以及Task3電機反饋電流，采用PID調節器進(jìn)行閉環(huán)控制，最后通過(guò)PWM脈寬調制控制助力電機。 （7） Task7——回正控制基本任務(wù)，回正控制，由Task5激活。當汽車(chē)車(chē)速很高時(shí)，使電機兩端短路，產(chǎn)生回正阻尼，減小回正超調；當汽車(chē)處于低速時(shí)，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(wù)，阻尼控制，由Task5激活。阻尼控制用于高速時(shí)的各種狀態(tài)（回正、轉向和直線(xiàn)行駛）�；卣龝r(shí)，阻尼控制可減小系統超調；轉向時(shí)，可增加阻力，使駕駛員得到較好的路感；直線(xiàn)行駛時(shí)，可減小路面對方向盤(pán)的沖擊。 3.2任務(wù)優(yōu)先級PICOS18采用占先式調度方式，即所有任務(wù)都是可占先的，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)確定的唯一的優(yōu)先級，任務(wù)越重要優(yōu)先級越高。由于助力控制（Task6）任務(wù)必須在合適的時(shí)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(wù)（Task4），其余任務(wù)優(yōu)先級按其激活的執行順序確定。Task4在開(kāi)始運行時(shí)處于等待狀態(tài)如未監測到不正常信號則不再執行。Task1、Task2和Task5在按順序執行完一個(gè)循環(huán)后，繼續響應轉速中斷，重新執行。這種調度方式不僅能采集到最新的車(chē)速信號和扭矩信號，使EPS系統實(shí)時(shí)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(wù)配置（OIL）PICOS18通過(guò)taskdesc.c定義任務(wù)的各個(gè)參數，并且是用OSEK/VDX規范中的OIL（OSEK/VDX的實(shí)現語(yǔ)言，類(lèi)似于一個(gè)C結構定義）編寫(xiě)的\[5\]。由于PICOS18沒(méi)有提供GUI用于任務(wù)的配置，因此只能逐句編寫(xiě)。任務(wù)的參數定義結構如下： rom_desc_tsk rom_desc_task={ TASK_PRIO,/* 任務(wù)的優(yōu)先級*/ stack,/* 堆棧地址(16位)*/ TASK, /* 起始地址(16位)*/ READY, /* 初始化時(shí)的狀態(tài)*/ TASK_ID,/* 任務(wù)ID*/ sizeof(stack)/* 堆棧大小(16位)*/ }; AlarmObject Alarm_list\[\] = { /******第1個(gè)任務(wù)********/ { OFF,/* 狀態(tài)*/ 0, /*報警值*/ 0,/*周期*/ &Counter_kernel,/*與報警相關(guān)的計數器*/ TASK1_ID,/*要激活的任務(wù)ID*/ ALARM_EVENT,/*傳遞的事件 */ 0/*回調*/ }, …/*其他任務(wù) */ }; Resource Resource_list\[\] = { { 10,/* 優(yōu)先級 */ 0,/* 任務(wù)優(yōu)先級 */ 0,/* 上鎖，0表示未上鎖 */ } }; Counter Counter_list\[\] = { /******第1個(gè)計數器******/ { { 200,/*允許的最大計數值*/ 10,/*預分頻器*/ 100/*最小周期*/ }, 0,/*計數值*/ 0 } …/*其他計數器*/ }; 4 結論 本文分析了EPS系統的結構、工作原理和3種控制方式。通過(guò)PIC18F458單片機的ECCP模塊控制電機，實(shí)現了EPS系統在各種情況下的助力方式。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統,不僅提高了CPU的利用率,確保了EPS系統的實(shí)時(shí)性要求，還提高了系統運行的穩定性、可靠性以及移植性。OSEK/VDX 是汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)的國際性標準，采用OSEK/VDX規范開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)系統能夠提高軟件模塊的移植效率、實(shí)現軟件模塊的重復利用及在不同電子控制單元之間的通信。采用OSEK/VDX 進(jìn)行汽車(chē)電控單元開(kāi)發(fā)已成為發(fā)展趨勢。 |
