電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)及控制器選型指南

　　今天，電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）已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是一種機(jī)電動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它用電子控制的馬達(dá)代替原來的水壓助力轉(zhuǎn)向裝置。EPS系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(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，馬達(dá)是通過齒輪箱連接到轉(zhuǎn)向柱的，而在中型汽車內(nèi)，馬達(dá)利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上，并通過齒輪箱作業(yè)。當(dāng)司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，馬達(dá)就為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力。

　　EPS系統(tǒng)是如何工作的？

　　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)無刷馬達(dá)組成?？刂茊卧獙?duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并提供馬達(dá)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測(cè)量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數(shù)。檢測(cè)馬達(dá)位置和馬達(dá)電流的傳感器可確保馬達(dá)工作在最佳狀態(tài)。圖1為帶系統(tǒng)監(jiān)視功能的高階電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵組件。XC2300作為主處理器控制著伺服馬達(dá)和其它組件。第二個(gè)較小的微控制器或ASIC則作為監(jiān)控單元。

　　EPS系統(tǒng)中的主要組件

　　傳動(dòng)裝置是一個(gè)三相同步或異步無刷馬達(dá)。馬達(dá)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)變（PWM）信號(hào)將影響馬達(dá)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)向柱上的力量以及馬達(dá)要求的助動(dòng)力通過扭矩傳感器測(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目前位置信息。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)??？梢栽趥鞲衅髦姓弦恍┰u(píng)估邏輯，具體取決于系統(tǒng)選用的傳感器類型。這樣可以提高精密度，減少出錯(cuò)的可能性。

　　控制單元由眾多的穩(wěn)壓器、CAN收發(fā)器、信號(hào)處理電路、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)晶體管所需的閘極電壓和相關(guān)電流。智能驅(qū)動(dòng)器還包含有診斷接口，它能檢測(cè)各種問題，如半橋短路、低相位電壓或組件高溫。微控制器控制和監(jiān)視馬達(dá)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)行通訊。此外還采用了另外一個(gè)控制器來進(jìn)行檢錯(cuò)，并在必要時(shí)啟動(dòng)緊急工作模式。

　　由于EPS系統(tǒng)在馬達(dá)動(dòng)態(tài)和？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FOC（針對(duì)場(chǎng)的控制）。這種控制直接作用于馬達(dá)的轉(zhuǎn)子場(chǎng)上，需要相當(dāng)強(qiáng)的處理能力，因?yàn)樗婕斑\(yùn)算多個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（Clark/Park轉(zhuǎn)換），并須以50μs間隔調(diào)節(jié)兩個(gè)相位電流。需要通過一個(gè)PWM信號(hào)并使用空間向量方法對(duì)馬達(dá)進(jìn)行控制。由于MAC單元性能非常高，因此所需的CPU負(fù)載還不到10%。

　　圖1：具備系統(tǒng)監(jiān)視功能的電子機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

　　XC2300微控制器

　　XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列的新產(chǎn)品，該組件可解決系統(tǒng)監(jiān)視問題，能夠快速處理嚴(yán)格的控制算法，并具有廣泛的內(nèi)建硬件支持?？傊?，它能夠快速且高效地處理各種復(fù)雜的任務(wù)。

　　為了增強(qiáng)可靠性，XC2300在安全方面采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來驗(yàn)證感應(yīng)數(shù)據(jù)，其中涉及兩次寫入數(shù)據(jù)以及二者的比較。整個(gè)內(nèi)存系統(tǒng)受硬件糾錯(cuò)單元的保護(hù)。為了整合不同的軟件模塊，還設(shè)立了一個(gè)內(nèi)存保護(hù)單元。

　　XC2000的架構(gòu)是以之前開發(fā)的C166核心為基礎(chǔ)，可提供先進(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)，故可在單頻率周期內(nèi)執(zhí)行指令。在相同的頻率速度下，XC2300的處理能力約為C166的兩倍。XC2300還整合一個(gè)乘法累加單元，可容易實(shí)現(xiàn)矩陣作業(yè)或有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器功能。這意味著可在單頻率周期內(nèi)執(zhí)行累積32位加法或減法的16x16位乘法?？焖俚木仃囎鳂I(yè)處理（Clark/Park轉(zhuǎn)換）和PI控制器在EPS中都發(fā)揮了重要作用。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，該處理器還以外圍事件控制器（PEC）的形式提供可選的DMA傳送功能，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)區(qū)塊。程序內(nèi)存存取為64位寬，目前最高支持576KB的嵌入式閃存。閃存在實(shí)體上被分成多個(gè)模塊，并采用了糾錯(cuò)和監(jiān)視功能，可獲得更高的執(zhí)行可靠性。每個(gè)閃存區(qū)都可通過密碼分別實(shí)現(xiàn)讀寫保護(hù)?？捎脕砉芾頂?shù)據(jù)的嵌入式SRAM容量為50KB。此外還采用了一種額外的保護(hù)機(jī)制來防止對(duì)重要CPU緩存器的未授權(quán)存取。為了進(jìn)一步提高執(zhí)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。