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電動助力轉向(EPS)已成為購車者經常聽到的技術名詞。但是它具備什么功能呢？選擇EPS系統的電子元件時，需要注意哪些設計因素和安全因素呢？本文討論了具有系統監控功能的下一代電磁助力轉向系統的關鍵元件，其中Infineon公司的XC2365作為中央處理器，控制伺服電機和其它元件。 電動助力轉向(EPS)是一種機電助力轉向系統，采用電控電機代替傳統的液壓轉向輔助裝置。EPS系統占用較小的引擎艙空間，易于安裝并且可降低油耗。此外，它使轉向系統無需使用有毒的液壓油。在小型車輛上，電機是通過齒輪箱與轉向柱連接，而在中型汽車上，電機則是通過法蘭交叉或縱向安裝在齒條上，并通過齒輪箱操作。當司機轉動方向盤時，電機就會向轉向系統施加轉向助力。那么，在選擇EPS系統的電子元件時，需要注意哪些設計因素和安全因素呢？ EPS系統由一個控制單元、多個傳感器、一個執行器(在這種條件下)和一個電機構成。控制單元控制整個系統，提供電機所需的信息。控制系統負責接收由傳感器測得的轉向角度、駕駛速度和扭矩等信息。傳感器還負責檢測電機的位置和電機電流，確保電機處于最佳工作狀態。 圖1顯示了具有系統監控功能的下一代電磁助力轉向系統的關鍵元件。微控制器(MCU)XC2365作為中央處理器使用，控制伺服電機和其它元件。來自XC2300家族的具備較小閃存的一個器件作為安全控制器使用。 圖1：具備集成系統監控功能的機電助力轉向系統的關鍵元件。 1．執行器 執行器通常為三相同步或異步無刷電機。該電機通電生成旋轉磁場。脈寬調制信號會影響電機的轉速和扭矩。脈寬調制信號的頻率約為20kHz。 2．傳感器 旋轉編碼器或磁性傳感器--所謂的巨磁電阻(GMR)，可提供轉子位置數據。分流器或霍爾傳感器負責檢查相流。總體成本可通過測量直流鏈路電流實現降低。上述傳感器輸出模擬信號，這些模擬信號在進行處理前需要進行放大。扭矩傳感器負責測量作用于轉向柱的力量和由此電機需要提供的助力。信號處理由控制單元完成。車輪傳感器提供車輛行駛速度信息。轉角傳感器提供方向盤當前的位置信息。其它控制單元負責處理這些信號。處理后的數據通過CAN總線傳輸。此外，還可根據系統選擇的傳感器類型，將某些估值邏輯集成至這些傳感器。這將改進傳感器的精確度，降低故障幾率。 3.控制單元 控制單元由多個穩壓器、CAN收發器、信號處理電路、橋式驅動器、電源開關和微控制器構成。 穩壓器提供傳感器、微控制器和ASIC所需的不同電壓。CAN收發器是連接CAN和微控制器的橋梁。傳感器數據信號處理采用模擬方式或數字方式。由于微控制器不能直接控制電源開關(B6橋)，需要采用橋式驅動器。橋式驅動器可生成迅速轉換晶體管所需的柵電壓和相關電流。智能驅動器也包含可檢測出多種故障的診斷接口，其中包括半橋短路、相電壓過低或元件溫度過高。微控制器控制和監控電機和整個系統。它還必須執行診斷并與網絡進行通信。一個附加控制器用于檢測故障，激活緊急操作模式。 4．控制算法 EPS系統由于對電機動力和恒定扭矩的要求非常高，因此采用場定向控制技術。此類控制器直接作用于電機轉子磁場，因為需要計算多個坐標轉換(Clark/Park轉換)和每50微秒對兩個相電流進行一次調節，因此需要相當大的處理功率。采用空間矢量方法控制電機時需要使用脈寬調制信號。由于中央處理器也可用于執行診斷并與網絡進行通信，因此只需采用功能強大的16/32位微控制器即可執行該任務。 5．系統監控 機電助力轉向系統是安全關鍵型應用，因此精確地監控整個系統至關重要。監控涉及軟件與硬件的結合。最低的硬件要求為帶時鐘生成邏輯和電壓監控功能的獨立看門狗。根據所需的測試數量和功能的強大程度，有時需要增加一個微控制器(8/16位)。采用自主微控制器可提高控制單元的功能可靠性。 軟件可分別監控微控制器和系統。系統通電后，軟件會對微控制器硬件部件(包括閃存故障修正)、操作碼解碼器、中斷仲裁和上下文切換進行測試。隨機值會記錄在數據段上，定時讀出。為了提高可靠性，可采用書寫兩遍數據并進行比較的循環冗余校驗(CRC)法驗證敏感數據。測試整個系統時，可通過注入故障刺激源，檢查控制單元的反應，完成測試。另一種可確保系統正常運行的方法就是采用一種通過兩種方式進行計算的算法，然后比較計算結果。 圖2說明了如何采用XC2300微控制器家族實施系統監控。如今，用戶對安全性、可靠性以及實時處理性能要求越來越高，這對處理器帶來了嚴峻的挑戰。英飛凌的XC2300家族可提供能夠詳細解決系統監控問題的處理器架構，可快速處理復雜的控制算法，并且具備廣泛的內置硬件支持。它還具備多種快速高效地處理復雜任務的功能。了解XC2300如何工作，即可知道其所具備的功能。 圖2：XC2300微控制器家族的系統監控。 XC2300家族微控制器 XC2365微控制器是英飛凌XC2300微控制器家族的成員。它基于C166內核增強版(目前為行業標準產品)，可提供出色的控制和數字信號處理功能。不過與C166架構相比，它憑借高性能管線可在一個時鐘周期內完成指令。XC2365在相同的時鐘速度條件下，可將處理功率提高近一倍。XC2365還具備一個乘累加單元，該單元可完成矩陣運算，或使有限沖激響應濾波器功能輕松得以實現。這意味著在一個時鐘周期內，可執行16X16位乘法和累積32位加法或減法。矩陣計算(Clark/Park轉換)的快速處理和功能強大的PI控制器的運行都在EPS系統中發揮了重要作用。XC2365支持16個中斷級上的128個中斷源。 除了具備一流的中斷處理功能外，該處理器還具備采用外圍事件控制器(PEC)形式的DMA轉移選項，可在16兆字節的地址空間內輕松移動和復制大型的數據塊。該程序存儲器為64位寬，目前支持高達574Kb的嵌入式閃存。閃存物理分割成多個小塊，具備故障修正和監控功能，可進一步提高操作的可靠性。閃存區通過密碼設置實現了讀寫保護。另外，系統還采用了可用于管理數據的50Kb嵌入式靜態隨機存取存儲器(SRAM)。這些數據采用奇偶校驗機制保護。系統還采用其它保護機制防止未經授權訪問重要的CPU寄存器。為了獲得更高的操作可靠性，當執行了受限指令或CPU堆棧被重寫時，將觸發保護機制。目前，英飛凌正在設計可應用于下一代芯片的存儲器保護單元。這將為安全系統開發人員帶來另一個福音，因為它支持第三方軟件的集成(例如AUTOSAR)。 該微控制器具備片上調試支持功能(1級OCDS)，可借助斷點、內存/寄存器訪問和單步操作，提供低成本高效地進行系統仿真的方法。XC2365的外設模塊包括靈活的計時器單元、3個USIC模塊(支持不同的同步和異步串口)、多個捕獲/比較(CAPCOM)模塊、1個實時時鐘和看門狗、2個獨立的高速10位數模轉換器(轉換時間大于等于1.2微秒)和3個CAN控制器。2個獨立的數模轉換器單元需要控制相電流。經過連續測試，發現數模轉換器單元對直流電路相電流的控制質量較差。CAPCOM6捕獲/比較單元經過專門設計，支持多相電機的CPU獨立控制。以CPU頻率為時鐘的2個獨立的16位寬定時器作為時基使用。CAPCOM6模塊可生成高達7個獨立脈沖寬的調制信號，或者存儲輸入信號的持續時間和負載周期。在系統時鐘頻率為80MHz的條件下，它具備12.5毫微秒的時間分辨率。8位定時器支持停滯時間生成(dead-time generation)。該信號可分別分配至各個通道。 由于具備同步設計和采用影子寄存器，可準確定義寄存器的更新情況。CAPCOM6單元支持同步和異步脈沖寬度調制。一旦出現故障，每個輸出端可立即處于不活動狀態。該單元具有多個觸發源，可以觸發具備相應延遲的同步電流測量。采用2個CAPCOM6單元，至多可控制一個系統中的2個電機。所有外設模塊都通過高速16位外圍總線與CPU連接。XC2300家族外設模塊的集成度要遠遠高于其它微控制器架構。這使得CPU可以集中執行計算和診斷任務。圖3顯示了XC2365微控制器的關鍵功能塊。(圖3) 圖3：XC2365微控制器。 總而言之，XC2300家族超強的MAC單元、CAPCOM6單元和數模雙向轉換器都針對EPS系統的要求進行了優化。此外，其CRC單元和綜合診斷功能也增強了程序執行的可靠性。 開發工具 當今的產品開發周期日益加快，比如仿真器、調試工具、編譯器、匯編程序和評估板以及適用于軟件設計的CASE工具等功能強大的成熟工具至關重要，尤其是在汽車行業。由于C166架構被廣泛接受，開發者可采用一系列完善而成熟的開發工具。另外，還提供入門級工具套件。 |
