汽車電液助力轉向系統ECU的設計與開發

 

汽車電液助力轉向系統ECU的設計與開發時間：2009-03-25 14:16:41 來源：微電腦資訊 作者：高發廷

系統介紹
電
動液壓助力轉向系統（EHPS）主要由以下幾部分組成,它們是助力轉向控制單元(ECU)、助力轉向感應器、帶電動泵的齒輪泵、儲油罐、轉向傳動裝置、
CAN
匯流排系統。我們的主要工作是助力轉向控制單元(ECU)的軟硬體研究與開發。助力轉向控制單元根據助力轉向感應器傳來的訊號為主，兼或考慮CAN
匯流排上的車輛速度來進行電動泵的轉速控制，進而控制齒輪泵的泵油量來達到控制助力轉向傳動裝置的目的。這樣我們就可以根據車輛方向盤的轉向角速度和車輛當
前的行駛速度來確定我們當前所需要的轉向助力的大小。
1． ECU 設計概要
1．1 ECU 的CPU 的選擇
控制器（ECU）的設計關鍵是選擇一種適用於特定控制目標的單片機，對車輛電動液壓助力轉向系統來說，它對單片機要求有如下幾個特點：
① 抗環境幹擾，滿足汽車級晶片溫度範圍的要求，即-40~+125℃。
② 有較多的I/O 口，以實現多種控制功能；快速的計算速度，以滿足即時控制要求。
③ 採用標準的通訊介面，以便於診斷功能的實現，同時具有與車輛上其它CPU 進行通訊的能力。
④ 有較好的效能價格比，便於批量裝車，使之成為一種普及型產品。
基於上述特點採用16 位單片機對電動液壓助力轉向系統是一種適中的選擇。並且國外電動液壓助力轉向系統產品目前絕大多數都選用這一檔次的單片機。Infineon XC164CM 正是這一適中產品，它是Infineon 公司為車輛控制系統設計的16 位單片機。
1．2 ECU 模組設計

見圖1，所設計的基於Infineon XC164CM 單片機，它包括輸入、輸出、故障診斷、車輛資訊資料轉送四個模組。
①輸入模組
輸
入採用XC164CM 的輸入捕捉功能CAPCOM 單元，每個輸入通道對應一個獨立的CAPCOM 通道。CAPCOM
通道可以在每個事件接收後發出中斷，它有一個捕捉寄存器CCx，即可以保持1
個事件。由於中斷地址是獨立的，這樣進入中斷服務程式就不用再識別是哪個中斷源，提高了中斷服務處理的效率。在本系統中亦採用CC16 和CC17
作為2 個霍爾器件脈衝的輸入訊號撲捉通道，採用CC23做為方向盤轉角脈衝的輸入訊號撲捉通道。採用CAPCOM
通道使採集訊號的品質大大提高，CPU 佔用時間少，CAPCOM 的捕捉事件的分辯率在20MHz 主頻下為400 ns。
②輸出模組
XC164CM 有47 個I/O 連接埠，在本系統中採用P1 口作為控制輸出口。每個I/O 口都用獨立的控制器控制輸入/輸出。
③診斷模組
EHPS
是一種可靠性要求很高的系統，要求內部程式對系統要隨時進行監控，一旦發生故障，能及時記錄下來，並把其存貯起來。本系統採用I2C 匯流排的E2
PROM 作為故障代碼存貯器，用XC164CM的同步串列功能實現I2C 匯流排與E2PROM 通訊，XC164CM 作為主機，E2PROM
作為從機。通過XC164CM的CAN1 口實現外部診斷通訊，與PC 機端是通過USB 資料擷取卡串連通訊。
④車輛資訊資料轉送
單片機XC164CM 帶有兩個CAN 匯流排控制器，CAN1 和CAN2。內部有2K 位元組的CAN 寄存器空間來實現CAN 通訊，它有32 個資訊體，每個資訊體有8 個位元組的資料可以傳送。EHPS 系統所需的車速和發動機轉速就是通過2． ECU 軟體設計
該程式結構採用C 語言中流行的多模組結構，這種結構比起以往的單模組結構來說有程式結構清晰，便於程式移植和程式維護等特點。
2.1 EHPS ECU 的主程式
EHPS 主迴圈是一個定時迴圈調用程式，程式框圖見圖2。

它主要是調用各個子程式。定時時間要根據演算法的複雜性，當演算法比較複雜、費時比較長時，則每個迴圈的時間可以定義的比較長。如果CPU
功能比較強，而且演算法比較簡單，可以採用比較短的迴圈時間。比如5ms
甚至更小的時間。一些耗時比較長的程式，例如診斷程式可以放在EHPS主迴圈外邊調用。每次程式開始執行時要調用初始化程式，首先對硬體外設進行初始化，
如串口、定時器等。這些初始化每次上電只定義一次，並且要開放中斷，然後要進行軟體初始化，設定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。如果是不變的常數則可以採用C
語言中的宏定義的方法進行定義。調用診斷程式是對系統進行一次全面的診斷。這個程式耗時比較長，所以只在EHPS 主迴圈之外。EHPS
系統完成準備工作後就進入EHPS 迴圈。EHPS 迴圈
一般可以定義為4～50ms
之間。在這個時間之間調用各種演算法，要保證每個程式已耗用時間加起來小於EHPS 迴圈時間，這樣才能保證EHPS
的節奏。如果程式執行時間大於EHPS 迴圈時間，則就會出現程式工作節拍性不強，造成系統啟動並執行不穩定。EHPS
迴圈時間是可調整的，就是要根據程式的執行時間來調整。
2.2 EHPS ECU 的中斷程式
EHPS 主迴圈的運行不時被中斷系統所打斷，一旦有中斷髮生，CPU 要響應中斷並退出主迴圈。中斷系統的服務程式主要處理突發和隨機事件。如果不用中斷就會佔用主程式許多查詢時間，所以中斷系統實際是一種並行的多任務程式。
在EHPS 軟體中主要使用了下面幾種中斷類型:
1）方向盤轉角中斷：它使用輸入捕捉中斷將方向盤轉角脈衝訊號記錄到寄存器，用於計算目標轉速。
2）電機轉速採集中斷：它使用輸入捕捉中斷可以隨時將輸入轉速的脈衝訊號記錄到寄存器。
3）串列通訊中斷:串列通訊主要用於診斷系統，使用接收中斷，當接收到上位機訊號後就可以中斷主迴圈而進入診斷程式。
4）定時器中斷：進行控制系統的延時處理。
3． ECU 硬體電路系統設計
電
子控制單元根據轉向速率和車速訊號確定並控制電動機的轉速和驅動電流大小。使其在每一種車速下都可以得到最佳化的轉向助力扭矩。為了保護功率驅動電路，需
要對電機電流進行採樣，為了降低採集雜訊，對系統電流輸入採用一級採樣保持電路，差分輸入端均經過採樣保持器，利用P9 口的CC20、CC21
對採樣訊號進行電壓採樣。電機電流差分放大電路原理見圖3，為了提高系統抗幹擾能力，在輸入端加有5mV
偏置電壓。為了控制電動機的電流換相時刻，採用兩個霍爾轉速感應器，對電機的換相進行精確控制。霍爾轉速感應器可以采TLE4905。為了控制電動機的轉
速，採用PWM 斬波控制電機電壓。利用XC164CM 的P1 口的P1L0~P1L3 控制電動機的相位，利用P1 口的CC24、CC25
對電壓斬波，通過74LS366 進行波形疊加後送給功率MOSFET。

4． 實驗結果對比

我
們採用MATLAB/Simulink 控制開發與測試平台對我們的EHPS 系統進行了模擬測試，圖4,圖5 為自行研製的ECU
與進口原車上的ECU
控制效果的對比，曲線可以看出，兩種控制器的控制效果是相吻合的。同時我們進行了由不同駕駛員進行駕車體驗，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ECU 在起作用。

結語
在將近兩年的研究過程中,我們主要採用了在實車上進
行控製程序的線上調試,並與國外同類產品進行反覆效能對比。這樣保證了產品在實車應用可行性。依據國外同類產品電機控制曲線,我們EHPS ECU
從效能上已基本達到國外同類產品水平。但是可靠性要隨著產品的不斷裝車要進一步進行驗證。