電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵元件和設(shè)計(jì)思路

電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)已成為購車者經(jīng)常聽到的技術(shù)名詞。但是它具備什么功能呢？選擇EPS系統(tǒng)的電子元件時，需要注意哪些設(shè)計(jì)因素和安全因素呢？本文討論了具有系統(tǒng)監(jiān)控功能的下一代電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其中Infineon公司的XC2365作為中央處理器，控制伺服電機(jī)和其它元件。

電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)是一種機(jī)電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用電控電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向輔助裝置。EPS系統(tǒng)占用較小的引擎艙空間，易于安裝并且可降低油耗。此外，它使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無需使用有毒的液壓油。在小型車輛上，電機(jī)是通過齒輪箱與轉(zhuǎn)向柱連接，而在中型汽車上，電機(jī)則是通過法蘭交叉或縱向安裝在齒條上，并通過齒輪箱操作。當(dāng)司機(jī)轉(zhuǎn)動方向盤時，電機(jī)就會向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)向助力。那么，在選擇EPS系統(tǒng)的電子元件時，需要注意哪些設(shè)計(jì)因素和安全因素呢？

EPS系統(tǒng)由一個控制單元、多個傳感器、一個執(zhí)行器(在這種條件下)和一個電機(jī)構(gòu)成?？刂茊卧刂普麄€系統(tǒng)，提供電機(jī)所需的信息?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)接收由傳感器測得的轉(zhuǎn)向角度、駕駛速度和扭矩等信息。傳感器還負(fù)責(zé)檢測電機(jī)的位置和電機(jī)電流，確保電機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

圖1顯示了具有系統(tǒng)監(jiān)控功能的下一代電磁助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。微控制器(MCU)XC2365作為中央處理器使用，控制伺服電機(jī)和其它元件。來自XC2300家族的具備較小閃存的一個器件作為安全控制器使用。

圖1：具備集成系統(tǒng)監(jiān)控功能的機(jī)電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

1．執(zhí)行器

執(zhí)行器通常為三相同步或異步無刷電機(jī)。該電機(jī)通電生成旋轉(zhuǎn)磁場。脈寬調(diào)制信號會影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。脈寬調(diào)制信號的頻率約為20kHz。

2．傳感器

旋轉(zhuǎn)編碼器或磁性傳感器--所謂的巨磁電阻(GMR)，可提供轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。分流器或霍爾傳感器負(fù)責(zé)檢查相流。總體成本可通過測量直流鏈路電流實(shí)現(xiàn)降低。上述傳感器輸出模擬信號，這些模擬信號在進(jìn)行處理前需要進(jìn)行放大。扭矩傳感器負(fù)責(zé)測量作用于轉(zhuǎn)向柱的力量和由此電機(jī)需要提供的助力。信號處理由控制單元完成。車輪傳感器提供車輛行駛速度信息。轉(zhuǎn)角傳感器提供方向盤當(dāng)前的位置信息。其它控制單元負(fù)責(zé)處理這些信號。處理后的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸。此外，還可根據(jù)系統(tǒng)選擇的傳感器類型，將某些估值邏輯集成至這些傳感器。這將改進(jìn)傳感器的精確度，降低故障幾率。

3.控制單元

控制單元由多個穩(wěn)壓器、CAN收發(fā)器、信號處理電路、橋式驅(qū)動器、電源開關(guān)和微控制器構(gòu)成。

穩(wěn)壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的不同電壓。CAN收發(fā)器是連接CAN和微控制器的橋梁。傳感器數(shù)據(jù)信號處理采用模擬方式或數(shù)字方式。由于微控制器不能直接控制電源開關(guān)(B6橋)，需要采用橋式驅(qū)動器。橋式驅(qū)動器可生成迅速轉(zhuǎn)換晶體管所需的柵電壓和相關(guān)電流。智能驅(qū)動器也包含可檢測出多種故障的診斷接口，其中包括半橋短路、相電壓過低或元件溫度過高。微控制器控制和監(jiān)控電機(jī)和整個系統(tǒng)。它還必須執(zhí)行診斷并與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。一個附加控制器用于檢測故障，激活緊急操作模式。

4．控制算法

EPS系統(tǒng)由于對電機(jī)動力和恒定扭矩的要求非常高，因此采用場定向控制技術(shù)。此類控制器直接作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場，因?yàn)樾枰?jì)算多個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(Clark/Park轉(zhuǎn)換)和每50微秒對兩個相電流進(jìn)行一次調(diào)節(jié)，因此需要相當(dāng)大的處理功率。采用空間矢量方法控制電機(jī)時需要使用脈寬調(diào)制信號。由于中央處理器也可用于執(zhí)行診斷并與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，因此只需采用功能強(qiáng)大的16/32位微控制器即可執(zhí)行該任務(wù)。

5．系統(tǒng)監(jiān)控

機(jī)電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是安全關(guān)鍵型應(yīng)用，因此精確地監(jiān)控整個系統(tǒng)至關(guān)重要。監(jiān)控涉及軟件與硬件的結(jié)合。最低的硬件要求為帶時鐘生成邏輯和電壓監(jiān)控功能的獨(dú)立看門狗。根據(jù)所需的測試數(shù)量和功能的強(qiáng)大程度，有時需要增加一個微控制器(8/16位)。采用自主微控制器可提高控制單元的功能可靠性。

軟件可分別監(jiān)控微控制器和系統(tǒng)。系統(tǒng)通電后，軟件會對微控制器硬件部件(包括閃存故障修正)、操作碼解碼器、中斷仲裁和上下文切換進(jìn)行測試。隨機(jī)值會記錄在數(shù)據(jù)段上，定時讀出。為了提高可靠性，可采用書寫兩遍數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)法驗(yàn)證敏感數(shù)據(jù)。測試整個系統(tǒng)時，可通過注入故障刺激源，檢查控制單元的反應(yīng)，完成測試。另一種可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的方法就是采用一種通過兩種方式進(jìn)行計(jì)算的算法，然后比較計(jì)算結(jié)果。

圖2說明了如何采用XC2300微控制器家族實(shí)施系統(tǒng)監(jiān)控。如今，用戶對安全性、可靠性以及實(shí)時處理性能要求越來越高，這對處理器帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。英飛凌的XC2300家族可提供能夠詳細(xì)解決系統(tǒng)監(jiān)控問題的處理器架構(gòu)，可快速處理復(fù)雜的控制算法，并且具備廣泛的內(nèi)置硬件支持。它還具備多種快速高效地處理復(fù)雜任務(wù)的功能。了解XC2300如何工作，即可知道其所具備的功能。

圖2：XC2300微控制器家族的系統(tǒng)監(jiān)控。

XC2300家族微控制器

XC2365微控制器是英飛凌XC2300微控制器家族的成員。它基于C166內(nèi)核增強(qiáng)版(目前為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)，可提供出色的控制和數(shù)字信號處理功能。不過與C166架構(gòu)相比，它憑借高性能管線可在一個時鐘周期內(nèi)完成指令。XC2365在相同的時鐘速度條件下，可將處理功率提高近一倍。XC2365還具備一個乘累加單元，該單元可完成矩陣運(yùn)算，或使有限沖激響應(yīng)濾波器功能輕松得以實(shí)現(xiàn)。這意味著在一個時鐘周期內(nèi)，可執(zhí)行16X16位乘法和累積32位加法或減法。矩陣計(jì)算(Clark/Park轉(zhuǎn)換)的快速處理和功能強(qiáng)大的PI控制器的運(yùn)行都在EPS系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。XC2365支持16個中斷級上的128個中斷源。

除了具備一流的中斷處理功能外，該處理器還具備采用外圍事件控制器(PEC)形式的DMA轉(zhuǎn)移選項(xiàng)，可在16兆字節(jié)的地址空間內(nèi)輕松移動和復(fù)制大型的數(shù)據(jù)塊。該程序存儲器為64位寬，目前支持高達(dá)574Kb的嵌入式閃存。閃存物理分割成多個小塊，具備故障修正和監(jiān)控功能，可進(jìn)一步提高操作的可靠性。閃存區(qū)通過密碼設(shè)置實(shí)現(xiàn)了讀寫保護(hù)。另外，系統(tǒng)還采用了可用于管理數(shù)據(jù)的50Kb嵌入式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)。這些數(shù)據(jù)采用奇偶校驗(yàn)機(jī)制保護(hù)。系統(tǒng)還采用其它保護(hù)機(jī)制防止未經(jīng)授權(quán)訪問重要的CPU寄存器。為了獲得更高的操作可靠性，當(dāng)執(zhí)行了受限指令或CPU堆棧被重寫時，將觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。目前，英飛凌正在設(shè)計(jì)可應(yīng)用于下一代芯片的存儲器保護(hù)單元。這將為安全系統(tǒng)開發(fā)人員帶來另一個福音，因?yàn)樗С值谌杰浖募?例如AUTOSAR)。

該微控制器具備片上調(diào)試支持功能(1級OCDS)，可借助斷點(diǎn)、內(nèi)存/寄存器訪問和單步操作，提供低成本高效地進(jìn)行系統(tǒng)仿真的方法。XC2365的外設(shè)模塊包括靈活的計(jì)時器單元、3個USIC模塊(支持不同的同步和異步串口)、多個捕獲/比較(CAPCOM)模塊、1個實(shí)時時鐘和看門狗、2個獨(dú)立的高速10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換時間大于等于1.2微秒)和3個CAN控制器。2個獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器單元需要控制相電流。經(jīng)過連續(xù)測試，發(fā)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器單元對直流電路相電流的控制質(zhì)量較差。CAPCOM6捕獲/比較單元經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，支持多相電機(jī)的CPU獨(dú)立控制。以CPU頻率為時鐘的2個獨(dú)立的16位寬定時器作為時基使用。CAPCOM6模塊可生成高達(dá)7個獨(dú)立脈沖寬的調(diào)制信號，或者存儲輸入信號的持續(xù)時間和負(fù)載周期。在系統(tǒng)時鐘頻率為80MHz的條件下，它具備12.5毫微秒的時間分辨率。8位定時器支持停滯時間生成(dead-time generation)。該信號可分別分配至各個通道。

由于具備同步設(shè)計(jì)和采用影子寄存器，可準(zhǔn)確定義寄存器的更新情況。CAPCOM6單元支持同步和異步脈沖寬度調(diào)制。一旦出現(xiàn)故障，每個輸出端可立即處于不活動狀態(tài)。該單元具有多個觸發(fā)源，可以觸發(fā)具備相應(yīng)延遲的同步電流測量。采用2個CAPCOM6單元，至多可控制一個系統(tǒng)中的2個電機(jī)。所有外設(shè)模塊都通過高速16位外圍總線與CPU連接。XC2300家族外設(shè)模塊的集成度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它微控制器架構(gòu)。這使得CPU可以集中執(zhí)行計(jì)算和診斷任務(wù)。圖3顯示了XC2365微控制器的關(guān)鍵功能塊。(圖3)

圖3：XC2365微控制器。

總而言之，XC2300家族超強(qiáng)的MAC單元、CAPCOM6單元和數(shù)模雙向轉(zhuǎn)換器都針對EPS系統(tǒng)的要求進(jìn)行了優(yōu)化。此外，其CRC單元和綜合診斷功能也增強(qiáng)了程序執(zhí)行的可靠性。

開發(fā)工具

當(dāng)今的產(chǎn)品開發(fā)周期日益加快，比如仿真器、調(diào)試工具、編譯器、匯編程序和評估板以及適用于軟件設(shè)計(jì)的CASE工具等功能強(qiáng)大的成熟工具至關(guān)重要，尤其是在汽車行業(yè)。由于C166架構(gòu)被廣泛接受，開發(fā)者可采用一系列完善而成熟的開發(fā)工具。另外，還提供入門級工具套件。