基于OSEK/VDX的電動(dòng)助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

詳細(xì)分析電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的原理及其工作流程，采用PIC18F458單片機(jī)作為控制器，通過其增強(qiáng)型的PWM脈寬調(diào)制模塊ECCP控制助力電機(jī)，實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)的助力控制、回正控制、阻尼控制等方式。

應(yīng)用軟件采用OSEK OS嵌入式操作系統(tǒng)為平臺(tái)，將EPS系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)劃分，通過優(yōu)先級調(diào)度達(dá)到系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的目的。關(guān)鍵詞單片機(jī)電動(dòng)助力控制 PWMOSEK/VDXPIC18F458PICOS18

隨著電子技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Electronic Power Steering，EPS)系統(tǒng)的研究取得了很大進(jìn)步。目前，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向(Hydraulic Power Steering，HPS)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成果，在輕型轎車、廂式車上得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)不容易維護(hù)，移植性差，且實(shí)時(shí)性得不到保證。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上得到越來越多的應(yīng)用。

為了滿足日益復(fù)雜的汽車電子控制軟件的開發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(gè)開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1994年法國汽車工業(yè)界使用的汽車分布式運(yùn)行系統(tǒng) VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK規(guī)范合并，形成OSEK/VDX規(guī)范[2]。

目前該規(guī)范已經(jīng)成為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO17356）?；诖?，本文提出了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的EPS軟件設(shè)計(jì)方法。1EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)電機(jī)安裝位置的不同，EPS可分為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖。EPS控制系統(tǒng)的主要組成部件[3]：

① 扭矩信號(hào)傳感器，測量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩大小和方向。

② 車速信號(hào)傳感器，測量汽車的行駛速度，在不同的車速和方向盤轉(zhuǎn)矩的情況下，會(huì)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”。

③ 助力電動(dòng)機(jī)，是EPS系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一，助力電動(dòng)機(jī)要求低轉(zhuǎn)速大扭距、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

④ 電磁離合器，主要起安全保護(hù)的作用，當(dāng)EPS發(fā)生故障時(shí)，電磁離合器會(huì)及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向柱的連接，汽車以傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行工作，從而保證行車安全。

⑤ 減速機(jī)構(gòu)，是EPS系統(tǒng)不可缺少的部分，用來產(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(tǒng)的控制核心?？刂茊卧鶕?jù)方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令控制電機(jī)工作。1.2EPS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(jìn)行信號(hào)采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)發(fā)送到電子控制單元（ECU）中，單片機(jī)根據(jù)采集到的車速信號(hào)與扭矩信號(hào)，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略對直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)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) 助力控制汽車在低速范圍內(nèi)行駛，方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向并離開中間位置時(shí)電控單元對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行常規(guī)控制；通過計(jì)算確定助力電動(dòng)機(jī)的電流，以獲得合適的助力轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)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(nèi)行駛轉(zhuǎn)向后方向盤回到中間位置附近時(shí)，電控單元使電動(dòng)機(jī)電流迅速減小，以便轉(zhuǎn)向輪迅速回正；在高速時(shí)，采用阻尼控制，使電機(jī)兩端短路，產(chǎn)生與回正力矩相反的回正阻尼，改善轉(zhuǎn)向盤的回正超調(diào)。

(3) 阻尼控制阻尼控制可以衰減汽車高速行駛時(shí)出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，消除轉(zhuǎn)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(shí)，使電動(dòng)機(jī)短路，其端電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)將不提供助力，但由于感應(yīng)電動(dòng)勢的作用，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩。

此過程等于增加了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼，駕駛員能夠獲得適當(dāng)?shù)穆犯校恢掠邪l(fā)飄的感覺。2EPS控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)EPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是采集扭矩傳感器信號(hào)、車速傳感器信號(hào)和電動(dòng)機(jī)反饋電流信號(hào)，經(jīng)控制器中的控制策略和控制算法，通過脈寬調(diào)制控制伺服電動(dòng)機(jī)為駕駛員提供轉(zhuǎn)向輔助力。

另外，考慮到其應(yīng)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(yīng)急處理方案。EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制單元接口電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其保護(hù)電路、電磁離合器控制電路、傳感器信號(hào)處理電路以及電源系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)等，如圖2所示。在這里主要介紹一下控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

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：

① 16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，2 MB的程序存儲(chǔ)器、4 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高達(dá)10 MIPS的執(zhí)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(diào)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(diào)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(qiáng)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(qū)時(shí)間。

⑥ 10位，8通道的A/D轉(zhuǎn)換。

⑦ CAN總線模塊。圖2EPS硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是比較關(guān)鍵的部分。隨著計(jì)算機(jī)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(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)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(jī)的控制就是采用的PWM脈寬調(diào)制控制方式。全橋雙極性驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

PIC18F458單片機(jī)的ECCP引腳連接2個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110（每個(gè)IR2110可控制2個(gè)MOSFET），來控制4個(gè)MOSFET的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)對助力電機(jī)的控制。EPS系統(tǒng)需要實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路3EPS軟件設(shè)計(jì)隨著嵌入式應(yīng)用進(jìn)一步復(fù)雜化和對實(shí)時(shí)性、可靠性要求的提高，為了合理調(diào)度多種任務(wù)并利用系統(tǒng)資源，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)逐漸成為了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的主流。當(dāng)前嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在成本和技術(shù)上具有獨(dú)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)PICOS18作為EPS的軟件開發(fā)平臺(tái)。

PICOS18是按照OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。PICOS18是一個(gè)多任務(wù)可剝奪型微實(shí)時(shí)內(nèi)核，非常小巧，占程序空間(ROM)小于1 KB，占數(shù)據(jù)空間(RAM)僅為7 B，系統(tǒng)代碼容量及運(yùn)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(diào)度，具有16個(gè)優(yōu)先級，系統(tǒng)占用1個(gè)，用戶可創(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(yīng)用軟件開發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將面向功能的應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)化為面向任務(wù)的應(yīng)用開發(fā)，因此軟件開發(fā)的過程就是將應(yīng)用系統(tǒng)按照功能細(xì)分為多個(gè)任務(wù)，然后實(shí)現(xiàn)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，需要編寫相關(guān)的中斷服務(wù)程序。根據(jù)EPS的工作原理，可分為8個(gè)任務(wù)。

（1） Task1——車速信號(hào)采集擴(kuò)展任務(wù)，用于計(jì)算車速。上電運(yùn)行后Task1處于等待狀態(tài), 等待車速計(jì)算事件EventSpeed。利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0模塊當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)（數(shù)量的轉(zhuǎn)速信號(hào)脈沖后）產(chǎn)生中斷，進(jìn)入轉(zhuǎn)速中斷服務(wù)程序，記錄脈沖周期總時(shí)間,然后設(shè)置事件EventSpeed，激活Task1。這時(shí)Task1處于就緒狀態(tài),在操作系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制（完全搶占式）的管理下，等到就緒隊(duì)列中優(yōu)先級高于Task1的任務(wù)都運(yùn)行完成時(shí)，Task1運(yùn)行，根據(jù)所記錄的脈沖時(shí)間和脈沖個(gè)數(shù),計(jì)算出車速，并進(jìn)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)。

（2） Task2——扭矩信號(hào)采集基本任務(wù)，用于采集扭矩信號(hào)。該任務(wù)由Task1激活，執(zhí)行頻率與Task1相同。因?yàn)檐囁傩盘?hào)和扭矩信號(hào)是EPS系統(tǒng)最重要的兩個(gè)參數(shù)，所以必須使這兩個(gè)參數(shù)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(zhǔn)確的控制。

（3） Task3——電流反饋信號(hào)采集基本任務(wù)，用于采集電機(jī)反饋電流。該任務(wù)由Task5激活，系統(tǒng)只有在助力控制時(shí)才會(huì)激活此任務(wù)。該參數(shù)與目標(biāo)電流的差值，通過PID調(diào)節(jié)器的控制，使電機(jī)迅速提供相應(yīng)的扭矩，達(dá)到助力的目的。


（4） Task4——故障診斷擴(kuò)展任務(wù)，用于故障的監(jiān)測和診斷。上電運(yùn)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(wù)將立即斷開繼電器，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于機(jī)械轉(zhuǎn)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(biāo)電流。此任務(wù)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(biāo)電流。此任務(wù)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

（6） Task6——助力控制基本任務(wù)，助力控制，由Task3激活。通過Task5得到的目標(biāo)電流，以及Task3電機(jī)反饋電流，采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，最后通過PWM脈寬調(diào)制控制助力電機(jī)。

（7） Task7——回正控制基本任務(wù)，回正控制，由Task5激活。當(dāng)汽車車速很高時(shí)，使電機(jī)兩端短路，產(chǎn)生回正阻尼，減小回正超調(diào)；當(dāng)汽車處于低速時(shí)，使電機(jī)兩端迅速斷路，減小電機(jī)阻力，使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向和直線行駛）。回正時(shí)，阻尼控制可減小系統(tǒng)超調(diào)；轉(zhuǎn)向時(shí)，可增加阻力，使駕駛員得到較好的路感；直線行駛時(shí)，可減小路面對方向盤的沖擊。

3.2任務(wù)優(yōu)先級PICOS18采用占先式調(diào)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(yùn)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(zhí)行順序確定。Task4在開始運(yùn)行時(shí)處于等待狀態(tài)如未監(jiān)測到不正常信號(hào)則不再執(zhí)行。Task1、Task2和Task5在按順序執(zhí)行完一個(gè)循環(huán)后，繼續(xù)響應(yīng)轉(zhuǎn)速中斷，重新執(zhí)行。這種調(diào)度方式不僅能采集到最新的車速信號(hào)和扭矩信號(hào)，使EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)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taskdesc.c定義任務(wù)的各個(gè)參數(shù)，并且是用OSEK/VDX規(guī)范中的OIL（OSEK/VDX的實(shí)現(xiàn)語言，類似于一個(gè)C結(jié)構(gòu)定義）編寫的[5]。由于PICOS18沒有提供GUI用于任務(wù)的配置，因此只能逐句編寫。任務(wù)的參數(shù)定義結(jié)構(gòu)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(bào)警值*/

0,/*周期*/

Counter_kernel,/*與報(bào)警相關(guān)的計(jì)數(shù)器*/

TASK1_ID,/*要激活的任務(wù)ID*/

ALARM_EVENT,/*傳遞的事件 */

0/*回調(diào)*/

},

…/*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(jì)數(shù)器******/

{

{

200,/*允許的最大計(jì)數(shù)值*/

10,/*預(yù)分頻器*/

100/*最小周期*/

},

0,/*計(jì)數(shù)值*/

0

}

…/*其他計(jì)數(shù)器*/

};

4 結(jié)論

本文分析了EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和3種控制方式。通過PIC18F458單片機(jī)的ECCP模塊控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了EPS系統(tǒng)在各種情況下的助力方式。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),不僅提高了CPU的利用率,確保了EPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，還提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及移植性。OSEK/VDX 是汽車電子開發(fā)的國際性標(biāo)準(zhǔn)，采用OSEK/VDX規(guī)范開發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠提高軟件模塊的移植效率、實(shí)現(xiàn)軟件模塊的重復(fù)利用及在不同電子控制單元之間的通信。采用OSEK/VDX 進(jìn)行汽車電控單元開發(fā)已成為發(fā)展趨勢。
參考文獻(xiàn)

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[5]OSEK/VDX.OSEK Implementation Language Version 2.5. 2004[OL].http://www.osekvdx.org.田超(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)；臧懷泉(博士、教授），主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制、通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)。