基于PIC18F458與OSEK/VDX的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方案

　　詳細分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（eps）的原理及其工作流程，采用pic18f458單片機作為控制器，通過其增強型的PWM脈寬調(diào)制模塊ECCP控制助力電機，實現(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，將eps系統(tǒng)進行多任務(wù)劃分，通過優(yōu)先級調(diào)度達到系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行的目的。

　　隨著電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向（Electronic Power Steering，eps）系統(tǒng)的研究取得了很大進步。目前，汽車電動助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動力轉(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。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計不容易維護，移植性差，且實時性得不到保證。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開放結(jié)構(gòu)的工業(yè)標準。1994年法國汽車工業(yè)界使用的汽車分布式運行系統(tǒng) VDX（Vehicle Distributed ExecuTIve）和OSEK規(guī)范合并，形成OSEK/VDX規(guī)范。

　　目前該規(guī)范已經(jīng)成為ISO國際標準（ISO17356）?；诖?，本文提出了基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的eps軟件設(shè)計方法。

1    eps系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1    eps系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機安裝位置的不同，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是一個典型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖。eps控制系統(tǒng)的主要組成部件：

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

　?、?車速信號傳感器，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”。

　?、?助力電動機，是eps系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一，助力電動機要求低轉(zhuǎn)速大扭距、轉(zhuǎn)動慣量小、可靠性高、振動小、噪聲小，且尺寸小、質(zhì)量輕。圖1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

　?、?電磁離合器，主要起安全保護的作用，當(dāng)eps發(fā)生故障時，電磁離合器會及時切斷電動機和轉(zhuǎn)向柱的連接，汽車以傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向裝置進行工作，從而保證行車安全。

　?、?減速機構(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。控制單元根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和邏輯分析與計算后，發(fā)出指令控制電機工作。

1.2   eps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，進行信號采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將信號發(fā)送到電子控制單元（ECU）中，單片機根據(jù)采集到的車速信號與扭矩信號，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略對直流伺服電動機進行實時控制。

　　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，方向盤進行轉(zhuǎn)向并離開中間位置時電控單元對電動機進行常規(guī)控制；通過計算確定助力電動機的電流，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，電控單元使電動機電流迅速減小，以便轉(zhuǎn)向輪迅速回正；在高速時，采用阻尼控制，使電機兩端短路，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)。

　?。?） 阻尼控制阻尼控制可以衰減汽車高速行駛時出現(xiàn)的方向盤抖動現(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，使電動機短路，其端電壓變?yōu)榱?，電動機將不提供助力，但由于感應(yīng)電動勢的作用，電動機將產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動方向相反的轉(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。

2    eps控制系統(tǒng)ECU設(shè)計

eps系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能是采集扭矩傳感器信號、車速傳感器信號和電動機反饋電流信號，經(jīng)控制器中的控制策略和控制算法，通過脈寬調(diào)制控制伺服電動機為駕駛員提供轉(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)計主要包括以下一些主要模塊：控制器核心系統(tǒng)設(shè)計、控制單元接口電路、電動機驅(qū)動及其保護電路、電磁離合器控制電路、傳感器信號處理電路以及電源系統(tǒng)電路的設(shè)計等，如圖2所示。在這里主要介紹一下控制器和電機驅(qū)動電路。

　　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的程序存儲器、4 KB的數(shù)據(jù)存儲器，高達10 MIPS的執(zhí)行速度。

　?、?40 MHz時鐘輸入，4～10 MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時鐘輸入。

　?、?帶優(yōu)先級的中斷和8&TImes;8單周期硬件乘法器。

　?、?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位時頻率為156 kHz，10位時頻率為39 kHz。

　?、?增強型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)時間。

　?、?10位，8通道的A/D轉(zhuǎn)換。

　?、?CAN總線模塊。

2.2驅(qū)動電路設(shè)計

電動機控制電路的設(shè)計在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計中是比較關(guān)鍵的部分。隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，直流電動機的結(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)動電路如圖3所示。

　　pic18f458單片機的ECCP引腳連接2個驅(qū)動芯片IR2110（每個IR2110可控制2個MOSFET），來控制4個MOSFET的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)對助力電機的控制。eps系統(tǒng)需要實現(xiàn)3種控制方式：常規(guī)控制、回正控制和阻尼控制。

3  eps軟件設(shè)計

隨著嵌入式應(yīng)用進一步復(fù)雜化和對實時性、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，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)進行嵌入式軟件設(shè)計逐漸成為了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的主流。當(dāng)前嵌入式實時操作系統(tǒng)有數(shù)百種，它們各具特色。開放源碼的嵌入式實時操作系統(tǒng)在成本和技術(shù)上具有獨特的優(yōu)勢，并占有越來越重要的地位。

　　本文選擇開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)PICOS18作為eps的軟件開發(fā)平臺。

　　PICOS18是按照OSEK/VDX標準實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)。PICOS18是一個多任務(wù)可剝奪型微實時內(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)代碼容量及運行所需的ROM和RAM也非常少；提供了任務(wù)管理、定時器管理、事件管理、中斷管理等功能；基于優(yōu)先級進行任務(wù)調(diào)度，具有16個優(yōu)先級，系統(tǒng)占用1個，用戶可創(chuàng)建15個任務(wù)，每個任務(wù)最多還可以擁有8個事件。

　　3.1應(yīng)用軟件開發(fā)

嵌入式實時操作系統(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)按照功能細分為多個任務(wù)，然后實現(xiàn)每個任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級；對于實時性要求高的操作，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個任務(wù)。

　?。?） Task1——車速信號采集擴展任務(wù)，用于計算車速。上電運行后Task1處于等待狀態(tài)， 等待車速計算事件EventSpeed。利用定時器/計數(shù)器TMR0模塊當(dāng)計數(shù)器溢出時（數(shù)量的轉(zhuǎn)速信號脈沖后）產(chǎn)生中斷，進入轉(zhuǎn)速中斷服務(wù)程序，記錄脈沖周期總時間，然后設(shè)置事件EventSpeed，激活Task1。這時Task1處于就緒狀態(tài)，在操作系統(tǒng)調(diào)度機制（完全搶占式）的管理下，等到就緒隊列中優(yōu)先級高于Task1的任務(wù)都運行完成時，Task1運行，根據(jù)所記錄的脈沖時間和脈沖個數(shù)，計算出車速，并進行濾波。執(zhí)行完后，激活Task2，清除事件EventSpeed，Task1又處于等待狀態(tài)。

　?。?） Task2——扭矩信號采集基本任務(wù)，用于采集扭矩信號。該任務(wù)由Task1激活，執(zhí)行頻率與Task1相同。因為車速信號和扭矩信號是eps系統(tǒng)最重要的兩個參數(shù)，所以必須使這兩個參數(shù)及時地更新，以保證助力模式的選擇和助力大小的確定得到及時準確的控制。

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

　　（4） Task4——故障診斷擴展任務(wù)，用于故障的監(jiān)測和診斷。上電運行后，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)處于機械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

　?。?） 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時準確。

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

　?。?） 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，使電機兩端短路，產(chǎn)生回正阻尼，減小回正超調(diào)；當(dāng)汽車處于低速時，使電機兩端迅速斷路，減小電機阻力，使轉(zhuǎn)向迅速回正。

　?。?） 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的各種狀態(tài)（回正、轉(zhuǎn)向和直線行駛）?；卣龝r，阻尼控制可減小系統(tǒng)超調(diào)；轉(zhuǎn)向時，可增加阻力，使駕駛員得到較好的路感；直線行駛時，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，每個任務(wù)都有一個確定的唯一的優(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)必須在合適的時刻運行，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在開始運行時處于等待狀態(tài)如未監(jiān)測到不正常信號則不再執(zhí)行。Task1、Task2和Task5在按順序執(zhí)行完一個循環(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和扭矩信號，使eps系統(tǒng)實時準確地提供助力，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)的各個參數(shù)，并且是用OSEK/VDX規(guī)范中的OIL（OSEK/VDX的實現(xiàn)語言，類似于一個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， /* 初始化時的狀態(tài)*/

　　TASK_ID，/* 任務(wù)ID*/

　　sizeof（stack）/* 堆棧大?。?6位）*/

　　};

　　AlarmObject Alarm_list［］ = {

　　/******第1個任務(wù)********/

　　{

　　OFF，/* 狀態(tài)*/

　　0， /*報警值*/

　　0，/*周期*/

　　&Counter_kernel，/*與報警相關(guān)的計數(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個計數(shù)器******/

　　{

　　{

　　200，/*允許的最大計數(shù)值*/

　　10，/*預(yù)分頻器*/

　　100/*最小周期*/

　　}，

　　0，/*計數(shù)值*/

　　0

　　}

　　…/*其他計數(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單片機的ECCP模塊控制電機，實現(xiàn)了eps系統(tǒng)在各種情況下的助力方式。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，不僅提高了CPU的利用率，確保了eps系統(tǒng)的實時性要求，還提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及移植性。OSEK/VDX 是汽車電子開發(fā)的國際性標準，采用OSEK/VDX規(guī)范開發(fā)的實時系統(tǒng)能夠提高軟件模塊的移植效率、實現(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 進行汽車電控單元開發(fā)已成為發(fā)展趨勢。