基于RH850/P1x的電動助力轉向系統(tǒng)設計

作者 周振齊(瑞薩電子管理(上海)有限公司，上海 200333)

　　摘要：本文提出了基于RH850/P1x的新型電動助力轉向系統(tǒng)設計，對EPS電機的控制策略進行了深入的研究，提供了EPS系統(tǒng)方案和軟硬件設計過程。

　　關鍵詞: RH850/P1x;EPS;PMSM;FOC;SENT

　　0 引言

　　作為向打造環(huán)保車輛邁進的一步，人們越來越趨向于使用EPS(電動助力轉向系統(tǒng))。這種系統(tǒng)使用電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓轉向輔助機構，可減少車輛重量并提高燃油效率。近年來，隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及提高車輛行駛安全性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性的新要求，針對傳統(tǒng)EPS系統(tǒng)存在轉矩脈動較大及助力轉矩響應滯后等問題，采用PMSM(永磁同步電機)和FOC(矢量控制)算法逐漸成為趨勢。

　　為了提供EPS應用中所需的精密電機控制，單片機(MCU)需要具有高性能CPU、大容量片上內存、專用定時器模塊、高速和高精度ADC以及與其他控制單元通信的接口。此外，隨著汽車中使用的電子器件和電機的不斷改進，與轉向和制動等工作相關的底盤系統(tǒng)也必須達到更嚴格的安全標準，此類系統(tǒng)需要符合汽車功能安全標準ISO 26262的最高安全等級ASIL-D。瑞薩電子提供了基于高性能RH850G3M CPU內核等的優(yōu)化解決方案，以支持更先進的EPS系統(tǒng)。

　　1 RH850/P1x介紹

　　RH850/P1x系列是采用全球領先40 nm工藝設計的汽車32位MCU，具有超低功耗、高性能、高可靠性等特點;集成了電機定時器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSI5等外設模塊和通信接口;采用鎖步雙核系統(tǒng)(Lockstep)，集成錯誤檢查和校正(ECC)功能，具有故障檢測功能和內置自檢(BIST)功能，錯誤控制模塊(ECM)允許用戶根據(jù)具體情況管理各功能發(fā)出的錯誤信號輸入，進而幫助保持系統(tǒng)安全性和可靠性。達到車載系統(tǒng)功能安全國際標準ISO 26262的最高安全級別ASIL-D;在防止黑客和病毒攻擊的車載網(wǎng)絡安全方面，實現(xiàn)了相當于EVITA Medium級別的安全要求。RH850/P1x系列具有完整的工具鏈生態(tài)環(huán)境，支持基于模型設計和AutoSAR開發(fā)。RH850/P1x系列是最適合EPS系統(tǒng)的主控MCU。

　　2 系統(tǒng)設計

　　EPS系統(tǒng)如圖1所示，包含以下。

　　A、電源管理部分：提供EPS系統(tǒng)所需要的各種電壓，并能實現(xiàn)自我診斷和保護，提供對MCU的外部看門狗監(jiān)控、SPI通信等;

　　B、傳感器部分：采集電機的位置和電流等信號，電池電壓等;

　　C、通信部分：包括CAN、SENT、SPI等，獲取方向盤扭矩、車速等信息;

　　D、MCU控制部分：根據(jù)扭矩信號和車輛的狀態(tài)，控制EPS助力策略;

　　E、預驅和驅動部分：電機驅動部分，提供自我保護功能;

　　F、PMSM電機及其他機械部分。

　　3 硬件設計

　　EPS系統(tǒng)的核心是根據(jù)扭矩信號和車輛的狀態(tài)，控制PMSM電機。

　　圖2是使用RH850/P1x控制EPS電機的框圖，使用到以下模塊：

　　A、18位增強型電機控制定時器TSG3：產(chǎn)生帶死區(qū)時間的6路互補PWM信號，用來控制PMSM電機等;

　　B、12位A/D轉換器：用來同步測量相電流和電壓等;

　　C、TAPA高阻控制：當接收到外部緊急關斷信號，或者A/D采樣值電流或電壓超過極限值時，TAPA控制緊急關斷TSG3的PWM輸出信號;

　　D、ENCA編碼器：ENCA可以檢測增量式編碼器信號，獲得電機的位置;

　　E、TPBA定時器模式緩沖器：模擬產(chǎn)生旋變編碼器的激勵信號。

　　關于電機位置/轉速信號的獲取，RH850/P1x支持多種方式：如果使用旋變編碼器來檢測電機位置，可以使用TPBA產(chǎn)生旋變編碼器的激勵信號，使用A/D采樣返回的Sin和Cos信號，通過軟件計算獲得電機位置信息;如果使用增量式編碼器時，可以使用ENCA檢測A、B、Z信號，獲得電機位置信息;如果使用MR磁阻傳感器，可以使用A/D采樣Sin和Cos信號，通過計算獲得電機位置信息。結合位置信息和時間長度，即可計算得到電機轉速值。EPS其他部分的硬件設計，限于篇幅，不在此贅述。

　　4 軟件實現(xiàn)

　　由于RH850/P1x內部集成了多個電機控制相關的硬件模塊，且模塊間可以通過內部PIC模塊實現(xiàn)同步和相互觸發(fā)的功能，為電機控制的軟件實現(xiàn)提供了便利，并大大降低了CPU的負荷。

　　圖3是EPS電機軟件控制框圖，RH850/P1x提供了控制電機的相關模塊，P1x內部高達160 MHz主頻的CPU，可以輕松實現(xiàn)PMSM電機的FOC算法。

　　RH850/P1x內部集成的SENT、CAN等模塊，簡化了硬件設計，也使軟件獲取方向盤扭矩、車輛車速等變得很便捷;軟件更關注于EPS的電機控制策略和算法，實現(xiàn)自適應控制、阻尼控制、回正控制等，提高穩(wěn)定性和安全性。

　　5 總結

　　本文基于瑞薩電子RH850/P1x開發(fā)了一種新型EPS電動助力轉向平臺，給出了其系統(tǒng)方案和軟硬件設計過程，客戶基于該平臺進行產(chǎn)品開發(fā)，簡化了EPS系統(tǒng)的軟硬件設計，降低了產(chǎn)品成本和縮短開發(fā)周期，可以使用戶將更多的精力集中到EPS算法研究上，在多個車型上得到了應用。

　　參考文獻

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　　[2]Renesas.RH850/P1x Series User’s Manual: Software, Rev.0.10, 2014.

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　　[6]袁雷.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真,北京航空航天大學出版社，2016.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處