基于XC2300系列MCU的電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

如今電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已經(jīng)成為減少二氧化碳排放的關(guān)鍵要素之一。因此各種不同類型的汽車都裝備有機(jī)電動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。那么在實(shí)現(xiàn)電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)需要用到哪些技術(shù)呢？

EPS就是一種機(jī)電動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它用電子控制的電機(jī)代替原來(lái)的水壓助力轉(zhuǎn)向裝置。EPS系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)內(nèi)占用更少的空間，更容易組裝，而且能夠節(jié)省燃油消耗。另外它在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中不再使用有毒的液壓油。在小型車輛中，電機(jī)是通過(guò)齒輪箱連接到轉(zhuǎn)向柱的，而在中型汽車內(nèi)，電機(jī)利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過(guò)齒輪箱操作。當(dāng)司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，電機(jī)就為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力。

EPS系統(tǒng)工作原理

電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一個(gè)控制單元、眾多傳感器和一個(gè)無(wú)刷電機(jī)組成。控制單元對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并提供電機(jī)所需的信息。另外，它還從傳感器接收信息，這些傳感器主要用來(lái)測(cè)量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數(shù)。檢測(cè)電機(jī)位置和電機(jī)電流的傳感器可確保電機(jī)工作在最佳工作狀態(tài)。圖1給出了帶系統(tǒng)監(jiān)視功能的高級(jí)電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。XC2300作為主處理器控制著伺服電機(jī)和其它組件。第二個(gè)較小的微控制器或ASIC則用作監(jiān)控單元。

EPS系統(tǒng)的主要器件

傳動(dòng)裝置是一個(gè)三相同步或異步無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)以電子方式產(chǎn)生。信號(hào)頻率約20kHz的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)將影響電機(jī)的速度和扭矩。

旋轉(zhuǎn)編碼器或磁性傳感器-即所謂的巨型磁阻(GMS)-可以提供識(shí)別轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)。通常兩個(gè)相位電流是通過(guò)分路電路或霍爾傳感器測(cè)量的。上述傳感器都是模擬輸出，因此需要經(jīng)過(guò)放大才能用于進(jìn)一步的處理。作用在轉(zhuǎn)向柱上的力量以及電機(jī)要求的助動(dòng)力通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量。信號(hào)處理在控制單元中完成。車輪傳感器提供汽車速度信息，轉(zhuǎn)向角度傳感器提供方向盤當(dāng)前位置信息。其它控制單元?jiǎng)t處理這些信號(hào)。數(shù)據(jù)是在CAN總線上傳輸?shù)摹？梢栽趥鞲衅髦屑梢恍┰u(píng)估邏輯，具體取決于系統(tǒng)選用的傳感器類型。這樣可以提高精度，減少出錯(cuò)的可能性。

圖1：帶系統(tǒng)監(jiān)視功能的電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制單元由穩(wěn)壓器、CAN收發(fā)器、信號(hào)調(diào)理電路、橋式驅(qū)動(dòng)器、電源開關(guān)和微控制器組成。穩(wěn)壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的各種電壓。CAN收發(fā)器用于CAN總線和微控制器之間的橋接。數(shù)據(jù)信號(hào)處理是模擬還是數(shù)字方式取決于傳感器類型。因?yàn)槲⒖刂破鞑荒苤苯涌刂齐娫撮_關(guān)(B6橋)，因此需要橋式驅(qū)動(dòng)器。橋式驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生快速開關(guān)晶體管所需的柵極電壓和相關(guān)電流。智能驅(qū)動(dòng)器還包含有診斷接口，它能檢測(cè)各種問(wèn)題，如半橋短路、低相位電壓或器件高溫。微控制器控制和監(jiān)視電機(jī)與整個(gè)系統(tǒng)，它還必須執(zhí)行診斷功能，并與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。此外還采用了另外一個(gè)控制器來(lái)進(jìn)行檢錯(cuò)，并在必要時(shí)激活緊急工作模式。

由于EPS系統(tǒng)在電機(jī)動(dòng)態(tài)和恒定扭矩方面有很高的要求，故它們需要采用復(fù)雜的算法，如場(chǎng)定向控制(FOC)技術(shù)。這種控制直接作用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子場(chǎng)上，需要相當(dāng)強(qiáng)的處理能力，因?yàn)樗婕坝?jì)算多個(gè)坐標(biāo)變換(Clark/Park變換)，并須以50?s間隔調(diào)節(jié)兩個(gè)相位電流。需要通過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)并使用空間向量方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負(fù)荷還不到10%。

XC2300針對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列中的新產(chǎn)品。XC2300處理器架構(gòu)可以徹底解決系統(tǒng)監(jiān)視問(wèn)題，能夠快速處理嚴(yán)格的控制算法，并且具有廣泛的內(nèi)置硬件支持?？傊?，它能夠快速且高效地處理各種復(fù)雜的任務(wù)。

安全方面：為了增強(qiáng)可靠性，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC) 來(lái)驗(yàn)證敏感數(shù)據(jù)，其中涉及兩次寫數(shù)據(jù)以及二者的比較。整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)受硬件糾錯(cuò)單元的保護(hù)。為了封裝不同的軟件模塊，還建立了一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元。

架構(gòu)/DSP功能：XC2000架構(gòu)以以前開發(fā)的C166內(nèi)核(現(xiàn)在已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))為基礎(chǔ)，可以提供先進(jìn)的控制和DSP功能。然而與C166架構(gòu)不同的是，它具有高性能管線結(jié)構(gòu)，故而可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令。在相同的時(shí)鐘速度下，XC2300的處理能力差不多是C166的兩。XC2300還集成有一個(gè)乘法累加單元，可以很容易地實(shí)現(xiàn)矩陣操作或有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器功能。這意味著可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行累積32位加法或減法的16x16位乘法?？焖俚木仃嚥僮魈幚?Clark/Park轉(zhuǎn)換)和強(qiáng)大的PI控制器實(shí)現(xiàn)在EPS中都發(fā)揮著重要的作用。XC2300支持最多128個(gè)中斷源，共有16個(gè)中斷等級(jí)。除了典型的中斷處理之外，該處理器還以外設(shè)事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能，從而允許在16MB的地址空間中輕松地移動(dòng)或復(fù)制大型數(shù)據(jù)塊。程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在物理上被分成多個(gè)模塊，并采用了糾錯(cuò)和監(jiān)視功能，因此可獲得更高的運(yùn)行可靠性。每個(gè)閃存區(qū)都可以通過(guò)口令分別實(shí)現(xiàn)讀寫保護(hù)?？捎脕?lái)管理數(shù)據(jù)的嵌入式SRAM容量則高達(dá)50KB。此外，還采用了一種額外的保護(hù)機(jī)制來(lái)防止對(duì)重要的CPU寄存器的未授權(quán)訪問(wèn)。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行可靠性，當(dāng)某些受限指令被執(zhí)行或者是CPU堆棧寫入溢出時(shí)也可以觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

強(qiáng)大的外設(shè)：XC2300的外設(shè)模塊包含了靈活的定時(shí)單元、三個(gè)USIC模塊(用于支持不同的同步和異步串行接口)、捕獲/比較(CAPCOM)模塊、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗功能、兩個(gè)獨(dú)立的高速10位A/D轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換時(shí)間>=1.2?s)以及三個(gè)CAN模塊。眾多的觸發(fā)器資源允許AD轉(zhuǎn)換與具有相應(yīng)延時(shí)的CAPCOM定時(shí)器單元之間實(shí)現(xiàn)同步。內(nèi)置有限的幾個(gè)檢查器可以對(duì)多個(gè)電壓源進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)視，不會(huì)增加CPU任何負(fù)擔(dān)。

CAPCOM6捕獲/比較單元是專門開發(fā)來(lái)支持獨(dú)立于CPU的多相電機(jī)控制的。以CPU頻率作為其運(yùn)行時(shí)鐘的兩個(gè)獨(dú)立的16位寬定時(shí)器被用作時(shí)間基準(zhǔn)。CAPCOM6模塊能夠產(chǎn)生多達(dá)7個(gè)的獨(dú)立脈寬調(diào)制信號(hào)，或存儲(chǔ)輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間和占空比。它在80MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下可以提供12.5ns的分辨率。一個(gè)8位的定時(shí)器支持死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生。該信號(hào)可以單獨(dú)分配給每個(gè)通道。由于采用了同步設(shè)計(jì)和影子寄存器，寄存器更新可得到正確的定義。CAPCOM6單元支持同步和異步脈寬調(diào)制。在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，每個(gè)輸出都可以立即進(jìn)入不活動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中，使用兩個(gè)CAPCOM6單元可以最多控制兩個(gè)電機(jī)。所有外設(shè)模塊都通過(guò)一條高速16位外設(shè)總線連接到CPU。XC2300系列微控制器中外設(shè)模塊的集成度比其它微控制器架構(gòu)要高，因此CPU可以集中資源執(zhí)行運(yùn)算和診斷任務(wù)。XC2365微控制器中的關(guān)鍵功能模塊如圖2所示。

圖2：XC2365微控制器

XC2300微控制器支持片上調(diào)試，可以通過(guò)斷點(diǎn)、存儲(chǔ)器/寄存器訪問(wèn)和單步執(zhí)行等手段來(lái)進(jìn)行高效且低成本的系統(tǒng)仿真。

開發(fā)工具：如今產(chǎn)品開發(fā)周期越來(lái)越短，仿真器、調(diào)試器、編譯器、匯編器和評(píng)估板以及軟件工程師使用的CASE工具和自動(dòng)代碼生成器等成熟的、功能強(qiáng)大的工具變得愈加重要，特別是在汽車行業(yè)。隨著C166架構(gòu)被越來(lái)越廣泛地接受，開發(fā)人員可以充分利用全面并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的開發(fā)工具集。目前多種相關(guān)評(píng)估工具包、軟件實(shí)例和應(yīng)用指南都在供貨。

本文小結(jié)

總而言之，值得一提的是，XC2300系列微控制器具有超強(qiáng)功能的MAC單元、CAPCOM6單元和雙ADC，它專門針對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，完全能夠滿足這些系統(tǒng)的要求。此外， CRC單元和全面診斷能力等特性則進(jìn)一步提高了程序執(zhí)行的可靠性。