汽車電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU的設(shè)計與開發(fā)

系統(tǒng)介紹
電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）主要由以下幾部分組成,它們是助力轉(zhuǎn)向控制單元(ECU)、助力轉(zhuǎn)向傳感器、帶電動泵的齒輪泵、儲油罐、轉(zhuǎn)向傳動裝置、CAN 總線系統(tǒng)。我們的主要工作是助力轉(zhuǎn)向控制單元(ECU)的軟硬件研究與開發(fā)。助力轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)助力轉(zhuǎn)向傳感器傳來的信號為主，兼或考慮CAN 總線上的車輛速度來進(jìn)行電動泵的轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而控制齒輪泵的泵油量來達(dá)到控制助力轉(zhuǎn)向傳動裝置的目的。這樣我們就可以根據(jù)車輛方向盤的轉(zhuǎn)向角速度和車輛當(dāng)前的行駛速度來確定我們當(dāng)前所需要的轉(zhuǎn)向助力的大小。
1． ECU 設(shè)計概要
1．1 ECU 的CPU 的選擇
控制器（ECU）的設(shè)計關(guān)鍵是選擇一種適用于特定控制目標(biāo)的單片機(jī)，對車輛電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，它對單片機(jī)要求有如下幾個特點：
① 抗環(huán)境干擾，滿足汽車級芯片溫度范圍的要求，即-40~+125℃。
② 有較多的I/O 口，以實現(xiàn)多種控制功能；快速的計算速度，以滿足實時控制要求。
③ 采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，以便于診斷功能的實現(xiàn)，同時具有與車輛上其它CPU 進(jìn)行通訊的能力。
④ 有較好的性能價格比，便于批量裝車，使之成為一種普及型產(chǎn)品。
基于上述特點采用16 位單片機(jī)對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種適中的選擇。并且國外電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品目前絕大多數(shù)都選用這一檔次的單片機(jī)。Infineon XC164CM 正是這一適中產(chǎn)品，它是Infineon 公司為車輛控制系統(tǒng)設(shè)計的16 位單片機(jī)。
1．2 ECU 模塊設(shè)計
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見圖1，所設(shè)計的基于Infineon XC164CM 單片機(jī)，它包括輸入、輸出、故障診斷、車輛信息數(shù)據(jù)傳輸四個模塊。
①輸入模塊
輸入采用XC164CM 的輸入捕捉功能CAPCOM 單元，每個輸入通道對應(yīng)一個獨(dú)立的CAPCOM 通道。CAPCOM 通道可以在每個事件接收后發(fā)出中斷，它有一個捕捉寄存器CCx，即可以保持1 個事件。由于中斷地址是獨(dú)立的，這樣進(jìn)入中斷服務(wù)程序就不用再識別是哪個中斷源，提高了中斷服務(wù)處理的效率。在本系統(tǒng)中亦采用CC16 和CC17 作為2 個霍爾器件脈沖的輸入信號撲捉通道，采用CC23做為方向盤轉(zhuǎn)角脈沖的輸入信號撲捉通道。采用CAPCOM 通道使采集信號的質(zhì)量大大提高，CPU 占用時間少，CAPCOM 的捕捉事件的分辯率在20MHz 主頻下為400 ns。
②輸出模塊
XC164CM 有47 個I/O 端口，在本系統(tǒng)中采用P1 口作為控制輸出口。每個I/O 口都用獨(dú)立的控制器控制輸入/輸出。
③診斷模塊
EHPS 是一種可靠性要求很高的系統(tǒng)，要求內(nèi)部程序?qū)ο到y(tǒng)要隨時進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生故障，能及時記錄下來，并把其存貯起來。本系統(tǒng)采用I2C 總線的E2 PROM 作為故障代碼存貯器，用XC164CM的同步串行功能實現(xiàn)I2C 總線與E2PROM 通訊，XC164CM 作為主機(jī)，E2PROM 作為從機(jī)。通過XC164CM的CAN1 口實現(xiàn)外部診斷通訊，與PC 機(jī)端是通過USB 數(shù)據(jù)采集卡連接通訊。
④車輛信息數(shù)據(jù)傳輸
單片機(jī)XC164CM 帶有兩個CAN 總線控制器，CAN1 和CAN2。內(nèi)部有2K 字節(jié)的CAN 寄存器空間來實現(xiàn)CAN 通訊，它有32 個信息體，每個信息體有8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)可以傳送。EHPS 系統(tǒng)所需的車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速就是通過2． ECU 軟件設(shè)計
該程序結(jié)構(gòu)采用C 語言中流行的多模塊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比起以往的單模塊結(jié)構(gòu)來說有程序結(jié)構(gòu)清晰，便于程序移植和程序維護(hù)等特點。
2.1 EHPS ECU 的主程序
EHPS 主循環(huán)是一個定時循環(huán)調(diào)用程序，程序框圖見圖2。
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它主要是調(diào)用各個子程序。定時時間要根據(jù)算法的復(fù)雜性，當(dāng)算法比較復(fù)雜、費(fèi)時比較長時，則每個循環(huán)的時間可以定義的比較長。如果CPU 功能比較強(qiáng)，而且算法比較簡單，可以采用比較短的循環(huán)時間。比如5ms 甚至更小的時間。一些耗時比較長的程序，例如診斷程序可以放在EHPS主循環(huán)外邊調(diào)用。每次程序開始執(zhí)行時要調(diào)用初始化程序，首先對硬件外設(shè)進(jìn)行初始化，如串口、定時器等。這些初始化每次上電只定義一次，并且要開放中斷，然后要進(jìn)行軟件初始化，設(shè)置EHPS控制的門限。這些門限有些在控制過程中變化，有些則是不變的常數(shù)。如果是不變的常數(shù)則可以采用C 語言中的宏定義的方法進(jìn)行定義。調(diào)用診斷程序是對系統(tǒng)進(jìn)行一次全面的診斷。這個程序耗時比較長，所以只在EHPS 主循環(huán)之外。EHPS 系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作后就進(jìn)入EHPS 循環(huán)。EHPS 循環(huán)
一般可以定義為4～50ms 之間。在這個時間之間調(diào)用各種算法，要保證每個程序運(yùn)行時間加起來小于EHPS 循環(huán)時間，這樣才能保證EHPS 的節(jié)奏。如果程序執(zhí)行時間大于EHPS 循環(huán)時間，則就會出現(xiàn)程序工作節(jié)拍性不強(qiáng)，造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。EHPS 循環(huán)時間是可調(diào)整的，就是要根據(jù)程序的執(zhí)行時間來調(diào)整。
2.2 EHPS ECU 的中斷程序
EHPS 主循環(huán)的運(yùn)行不時被中斷系統(tǒng)所打斷，一旦有中斷發(fā)生，CPU 要響應(yīng)中斷并退出主循環(huán)。中斷系統(tǒng)的服務(wù)程序主要處理突發(fā)和隨機(jī)事件。如果不用中斷就會占用主程序許多查詢時間，所以中斷系統(tǒng)實際是一種并行的多任務(wù)程序。
在EHPS 軟件中主要使用了下面幾種中斷類型:
1）方向盤轉(zhuǎn)角中斷：它使用輸入捕捉中斷將方向盤轉(zhuǎn)角脈沖信號記錄到寄存器，用于計算目標(biāo)轉(zhuǎn)速。
2）電機(jī)轉(zhuǎn)速采集中斷：它使用輸入捕捉中斷可以隨時將輸入轉(zhuǎn)速的脈沖信號記錄到寄存器。
3）串行通訊中斷:串行通訊主要用于診斷系統(tǒng)，使用接收中斷，當(dāng)接收到上位機(jī)信號后就可以中斷主循環(huán)而進(jìn)入診斷程序。
4）定時器中斷：進(jìn)行控制系統(tǒng)的延時處理。
3． ECU 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計
電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向速率和車速信號確定并控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電流大小。使其在每一種車速下都可以得到最優(yōu)化的轉(zhuǎn)向助力扭矩。為了保護(hù)功率驅(qū)動電路，需要對電機(jī)電流進(jìn)行采樣，為了降低采集噪聲，對系統(tǒng)電流輸入采用一級采樣保持電路，差分輸入端均經(jīng)過采樣保持器，利用P9 口的CC20、CC21 對采樣信號進(jìn)行電壓采樣。電機(jī)電流差分放大電路原理見圖3，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，在輸入端加有5mV 偏置電壓。為了控制電動機(jī)的電流換相時刻，采用兩個霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，對電機(jī)的換相進(jìn)行精確控制?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器可以采TLE4905。為了控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用PWM 斬波控制電機(jī)電壓。利用XC164CM 的P1 口的P1L0~P1L3 控制電動機(jī)的相位，利用P1 口的CC24、CC25 對電壓斬波，通過74LS366 進(jìn)行波形疊加后送給功率MOSFET。
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4． 試驗結(jié)果對比

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我們采用MATLAB/Simulink 控制開發(fā)與測試平臺對我們的EHPS 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試，圖4,圖5 為自行研制的ECU 與進(jìn)口原車上的ECU 控制效果的對比，從圖中曲線可以看出，兩種控制器的控制效果是相吻合的。同時我們進(jìn)行了由不同駕駛員進(jìn)行駕車體驗，在事先不告知何種控制器的情況下，駕駛員已分辨不出來是原車上的ECU 還是自行開發(fā)ECU 在起作用。

結(jié)語
在將近兩年的研究過程中,我們主要采用了在實車上進(jìn)行控制程序的在線調(diào)試,并與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)性能對比。這樣保證了產(chǎn)品在實車應(yīng)用可行性。依據(jù)國外同類產(chǎn)品電機(jī)控制曲線,我們EHPS ECU 從性能上已基本達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。但是可靠性要隨著產(chǎn)品的不斷裝車要進(jìn)一步進(jìn)行驗證。