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隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)作為傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraul ic Power Steering，HPS)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro-Hydraul ic PowerSteering，EHPS)技術(shù)的替代者，其應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。本文通過(guò)分析EPS的基本原理。市場(chǎng)以及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合英飛凌。TI.飛思卡爾等半導(dǎo)體廠商的EPS方案研發(fā)現(xiàn)狀，給出基于ADI BF506F的EPS方案和技術(shù)評(píng)估。 1背景 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)由助力電機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵。軟管。液壓軸。傳送帶和皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)環(huán)境，逐漸成為轎車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)裝置。根據(jù)咨詢公司Strategy Analyties對(duì)中國(guó)EPS市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，在2010~2017年期間中國(guó)的EPS市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到16.9%，約1800萬(wàn)套。 EPS市場(chǎng)之所以能有如此的增長(zhǎng)趨勢(shì)，也是由其本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)所決定的，這主要表現(xiàn)在： (1)EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。 (2)EPS只在轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)才提供助力，因而能減少燃料消耗。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節(jié)油約0.3至0.5升。 (3)EPS電機(jī)由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或出現(xiàn)故障時(shí)也能提供助力。 (4)EPS取消了液壓結(jié)構(gòu)，其零件比HPS大為減少，因而重量更輕。結(jié)構(gòu)更緊湊，易于設(shè)計(jì)和安裝，并能降低噪聲。 (5)EPS易于調(diào)整和檢測(cè)，可以通過(guò)設(shè)置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期。 (6)EPS不存在滲油問(wèn)題，可大大降低保修成本，減小對(duì)環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。 (7)EPS比HPS具有更好的低溫工作性能。 (8)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)等輔助功能。 2 EPS EPS是通過(guò)電機(jī)的動(dòng)力直接給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助扭矩的系統(tǒng)。它依靠檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)。方向盤(pán)。車(chē)速等信息來(lái)判斷并提供合適的轉(zhuǎn)向助力，使得轉(zhuǎn)向過(guò)程能夠精確。輕松。安全地完成。通常一個(gè)EPS系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向部件。傳感器。電機(jī)。減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU)等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成由圖1所示。 圖1 EPS系統(tǒng)構(gòu)成 轉(zhuǎn)向部件將方向盤(pán)。扭桿。轉(zhuǎn)矩傳感器。助力電機(jī)減速器總成及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸組合到一起，形成一個(gè)整體，完成轉(zhuǎn)向功能。控制器ECU由微處理器及電子模塊組成，完成對(duì)來(lái)自轉(zhuǎn)矩傳感器。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。車(chē)速傳感器的信號(hào)的處理，并按照一定的運(yùn)算判斷規(guī)律控制助力電機(jī)，使之產(chǎn)生合理的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)駕駛員操作方向盤(pán)時(shí)，連接方向盤(pán)的扭桿產(chǎn)生形變，其形變角度與施加到方向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩成正比，轉(zhuǎn)矩傳感器將扭桿形變的角度轉(zhuǎn)化成線性的電壓輸出信號(hào)T，此信號(hào)與車(chē)速信號(hào)V.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)w.點(diǎn)火信號(hào)G送入到控制器ECLT進(jìn)行綜合。分析。判斷和運(yùn)算后輸出電流信號(hào)控制助力電機(jī)。助力電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，該助力扭矩施加到轉(zhuǎn)向軸上，從而輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。 圖2 EPS系統(tǒng)邏輯圖 3技術(shù)方案 為了汽車(chē)轉(zhuǎn)向的過(guò)程順利實(shí)現(xiàn)，EPS系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能： 助力控制：在汽車(chē)停車(chē)及低速行駛時(shí)提供較大輔助力矩，使轉(zhuǎn)向過(guò)程快捷輕便地進(jìn)行，而在汽車(chē)高速行駛時(shí)提供較小的輔助力矩以保持轉(zhuǎn)向過(guò)程的可靠與沉穩(wěn)。 回正控制：確保汽車(chē)從直行狀態(tài)到大角度轉(zhuǎn)向的過(guò)程中回正力矩相應(yīng)地逐漸提高。另外，確保汽車(chē)在非轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的直線行駛性能，并防止汽車(chē)在不同車(chē)速下實(shí)現(xiàn)回正時(shí)出現(xiàn)回正不足或回正超調(diào)的現(xiàn)象。 阻尼控制：利用電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)減弱汽車(chē)高速行駛時(shí)出現(xiàn)的方向盤(pán)抖動(dòng)現(xiàn)象，消除轉(zhuǎn)向輪因路面不平而引起的方向盤(pán)擺振，并在汽車(chē)高速行駛時(shí)，給轉(zhuǎn)向過(guò)程增加一定的阻尼，克服轉(zhuǎn)向發(fā)飄的感覺(jué)。 分析診斷功能：應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，并具有故障報(bào)警和提示功能，在故障不能自動(dòng)排除時(shí)關(guān)斷EPS使車(chē)輛進(jìn)入傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向模式。 通訊功能：應(yīng)具有通過(guò)CAN或LIN總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(shù)(主要針對(duì)電機(jī)控制)的接口。 為實(shí)現(xiàn)上述功能，整個(gè)EPS系統(tǒng)必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統(tǒng)的下列組成部分的性能顯得尤為重要： 傳感器：傳感器給EPS系統(tǒng)提供了汽車(chē)行駛狀況的各種必要信息，是系統(tǒng)的感覺(jué)器官，其信號(hào)輸出應(yīng)該盡量準(zhǔn)確。高速。簡(jiǎn)潔。EPS系統(tǒng)通常需要方向盤(pán)扭矩傳感器。轉(zhuǎn)角傳感器(可選)和輪速傳感器的信號(hào)。目前通用的傳感器采用模擬信號(hào)處理方式，信號(hào)輸出精度不高且輸出的信號(hào)需要ECU進(jìn)一步處理，增加了ECU的工作負(fù)擔(dān)，而數(shù)字信號(hào)傳感器因其可給出ECU直接可用的數(shù)字信號(hào)，減少了占用的ECU資源，并提高了信號(hào)的準(zhǔn)確性而被越來(lái)越多的EPS系統(tǒng)采用。 控制策略：傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力，減輕轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)，EPS系統(tǒng)還要解決諸如高速行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向過(guò)大。回正等影響車(chē)輛穩(wěn)定性和安全|生的問(wèn)題，因而需要一套高效完善的控制策略來(lái)保證其性能。 半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，使得EPS從成本和技術(shù)上成為可能。英飛凌。TI，以及飛思卡爾相繼推出基于自身微控制器/處理器的EPS方案。 3.1英飛凌的EPS方案 英飛凌的EPS采用XC2336B和XC836MT的雙處理器方案，如圖3所示。XC2336B通過(guò)對(duì)扭矩傳感器。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)等信息的采集。處理，以相應(yīng)的控制策略驅(qū)動(dòng)3相電機(jī)實(shí)現(xiàn)電助力轉(zhuǎn)向。 圖3 英飛凌的EPS解決方案 XC836MT為輔助處理器，實(shí)現(xiàn)安全控制。 XC2336B是一個(gè)帶五級(jí)流水線的最高80MHz時(shí)鐘頻率的高性能CPU并擁有一個(gè)保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法訪問(wèn)的存儲(chǔ)器保護(hù)單元(Memor)r ProtectionUnit，MPU)。它具有不同類(lèi)型的片上存儲(chǔ)模塊(8kstand-by RAM，2k dual-port RAM，最高16k dataSRAM，最高16k program/data SRAM和最高320kprogram flash memory)，并使用硬件CRC檢測(cè)和ECC碼來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并能糾正單位錯(cuò)誤。它的眾多外設(shè)模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個(gè)可擴(kuò)展為9路的10位分辨率的同步A/D轉(zhuǎn)換器。16路通用捕捉/比較單元。兩路帶PWM產(chǎn)生器的捕捉/比較單元。5個(gè)定時(shí)器。40路通用I/O接口。多路CAN接口等等，并可通過(guò)DAP和JTAG接口進(jìn)行片上調(diào)試。此外，它還帶有看門(mén)狗和晶振看門(mén)狗來(lái)保證控制器的正常運(yùn)行。 XC836MT是一顆具有8051內(nèi)核的微控制器，作為備份微控制器，它最主要的作用是對(duì)主微控制器進(jìn)行監(jiān)控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車(chē)進(jìn)入機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免汽車(chē)失控而引發(fā)危險(xiǎn)。 3.2 T I的EPS方案 TI公司的C2000系列DSP，如低端的TMS320F28016.高端的TMS320F28335均有相應(yīng)的EPS方案。以TMS320F28016為例，其集成CAN通信接口，片上集成32K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器，12K字節(jié)SRAM，2K字節(jié)OTP ROM，60MHz內(nèi)部總線頻率，16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)267ns;正交編碼脈沖(QEP)接口。定時(shí)器捕獲比較功能以及16路獨(dú)立的脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道，可以方便實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)集成控制功能，并提供看門(mén)狗電路。電源監(jiān)視等。 圖4 TI公司的EPS方案 與TMS320F28016相比，TMS320F2812主頻提高到150MHz，TMS320F28335增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元。TI的EPS方案如圖4所示。 3.3飛思卡爾的EPS方案 飛思卡爾的EPS方案以MPC560xP和MPC564xL作為核心處理器，其中MPC560xP為單核，主頻可達(dá)64MHz的32位處理器，高達(dá)512KB的片上FLASH和40KB的片上RAM，擁有CAN.LIN總線等接口，2個(gè)10bitl5通道的ADC，8路獨(dú)立的PWM等外設(shè)資源。MPC564xL為雙核處理器，主頻高達(dá)120MHz，1MB片上FLASH以及128KB片上RAM，2個(gè)PWM單元，每個(gè)單元4路，以及3路6通道通用定時(shí)器，擁有2個(gè)LIN和CAN，兩個(gè)12bitADC，各16通道。其EPS方案結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 圖5 飛思卡爾EPS方案結(jié)構(gòu)圖 3.4方案比較 如果僅從EPS功能實(shí)現(xiàn)上考慮，控制策略采用傳統(tǒng)PID控制，上述方案均能滿足要求，且英飛凌的(XC2336B+XC836MT)方案。，rI的TMS320一F28016方案以及飛思卡爾的MPC560xP方案均能實(shí)現(xiàn)低成本。 然而，由于實(shí)際中EPS往往具有非線性。時(shí)變不確定性，使得傳統(tǒng)的PID不能達(dá)到理想的效果，以致對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差，因此，需要采用較為高級(jí)的控制策略，如模糊控制，以使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，在提高系統(tǒng)的操縱輕便性的同時(shí)，能保證駕駛員獲得充分的路感，從而獲得較為理想的助力特性。 復(fù)雜的控制策略意味著復(fù)雜的算法和運(yùn)算負(fù)荷，這就需要較高性能的處理器，如TI公司的TMS320F28335.飛思卡爾公司的MPC564xL，尤其是ADI公司的BF506F等。 4 AD I DSP BF506F的優(yōu)勢(shì) ADI DSP BF506F是一個(gè)400MHz主頻的低功耗處理器，片上4MB FLASH，雙12位，2MSPS，12通道高速ADC，擁有CAN.UART通信接口，6對(duì)PWM輸出。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，12位的標(biāo)稱(chēng)值，可以達(dá)到11.5位的ENOB，這個(gè)在業(yè)界是非常領(lǐng)先的。 與TMS320F28335.MPC564xL相比，BF506F主頻更高。片上FLASH更大。ADC數(shù)量精度高，更重要的一點(diǎn)是，BF506F具有更高的性價(jià)比。 ADI BF506F EPS電控板如圖6所示。 圖6 ADI BF506F EPS電控板 5結(jié)論 在外設(shè)資源相差不大，高主頻意味著比較高的運(yùn)算處理能力，因此，選擇BF506F系列處理器實(shí)現(xiàn)EPS，在硬件平臺(tái)不用變更的情況下，更容易實(shí)現(xiàn)算法。控制策略升級(jí)。 ADI BF506F EPS演示平臺(tái)如圖7所示。 圖7 ADI BF506F EPS演示平臺(tái) |
