汽車電液助力轉向系統ECU的設計與開發

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)、助力轉向傳感器、帶電動泵的齒輪泵、儲油罐、轉向傳動裝置、CAN 總線系統。我們的主要工作是助力轉向控制單元(ECU)的軟硬件研究與開發。助力轉向控制單元根據助力轉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于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 采用標準的通訊接口，以便于診斷功能的實現，同時具有與車輛上其它CPU 進行通訊的能力。
④ 有較好的性能價格比，便于批量裝車，使之成為一種普及型產品。
基于上述特點采用16 位單片機對電動液壓助力轉向系統是一種適中的選擇。并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 模塊設計

見圖1，所設計的基于Infineon XC164CM 單片機，它包括輸入、輸出、故障診斷、車輛信息數據傳輸四個模塊。
①輸入模塊
輸入采用XC164CM 的輸入捕捉功能CAPCOM 單元，每個輸入通道對應一個獨立的CAPCOM 通道。CAPCOM 通道可以在每個事件接收后發出中斷，它有一個捕捉寄存器CCx，即可以保持1 個事件。由于中斷地址是獨立的，這樣進入中斷服務程序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做為方向盤轉角脈沖的輸入信號撲捉通道。采用CAPCOM 通道使采集信號的質量大大提高，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，在本系統中采用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診斷模塊
EHPS 是一種可靠性要求很高的系統，要求內部程序對系統要隨時進行監控，一旦發生故障，能及時記錄下來，并把其存貯起來。本系統采用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I2C 總線與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 數據采集卡連接通訊。
④車輛信息數據傳輸
單片機XC164CM 帶有兩個CAN 總線控制器，CAN1 和CAN2。內部有2K 字節的CAN 寄存器空間來實現CAN 通訊，它有32 個信息體，每個信息體有8 個字節的數據可以傳送。EHPS 系統所需的車速和發動機轉速就是通過2． ECU 軟件設計
該程序結構采用C 語言中流行的多模塊結構，這種結構比起以往的單模塊結構來說有程序結構清晰，便于程序移植和程序維護等特點。
2.1 EHPS ECU 的主程序
EHPS 主循環是一個定時循環調用程序，程序框圖見圖2。

它主要是調用各個子程序。定時時間要根據算法的復雜性，當算法比較復雜、費時比較長時，則每個循環的時間可以定義的比較長。如果CPU 功能比較強，而且算法比較簡單，可以采用比較短的循環時間。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主循環外邊調用。每次程序開始執行時要調用初始化程序，首先對硬件外設進行初始化，如串口、定時器等。這些初始化每次上電只定義一次，并且要開放中斷，然后要進行軟件初始化，設置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。如果是不變的常數則可以采用C 語言中的宏定義的方法進行定義。調用診斷程序是對系統進行一次全面的診斷。這個程序耗時比較長，所以只在EHPS 主循環之外。EHPS 系統完成準備工作后就進入EHPS 循環。EHPS 循環
一般可以定義為4～50ms 之間。在這個時間之間調用各種算法，要保證每個程序運行時間加起來小于EHPS 循環時間，這樣才能保證EHPS 的節奏。如果程序執行時間大于EHPS 循環時間，則就會出現程序工作節拍性不強，造成系統運行的不穩定。EHPS 循環時間是可調整的，就是要根據程序的執行時間來調整。
2.2 EHPS ECU 的中斷程序
EHPS 主循環的運行不時被中斷系統所打斷，一旦有中斷發生，CPU 要響應中斷并退出主循環。中斷系統的服務程序主要處理突發和隨機事件。如果不用中斷就會占用主程序許多查詢時間，所以中斷系統實際是一種并行的多任務程序。
在EHPS 軟件中主要使用了下面幾種中斷類型:
1）方向盤轉角中斷：它使用輸入捕捉中斷將方向盤轉角脈沖信號記錄到寄存器，用于計算目標轉速。
2）電機轉速采集中斷：它使用輸入捕捉中斷可以隨時將輸入轉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，使用接收中斷，當接收到上位機信號后就可以中斷主循環而進入診斷程序。
4）定時器中斷：進行控制系統的延時處理。
3． ECU 硬件電路系統設計
電子控制單元根據轉向速率和車速信號確定并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優化的轉向助力扭矩。為了保護功率驅動電路，需要對電機電流進行采樣，為了降低采集噪聲，對系統電流輸入采用一級采樣保持電路，差分輸入端均經過采樣保持器，利用P9 口的CC20、CC21 對采樣信號進行電壓采樣。電機電流差分放大電路原理見圖3，為了提高系統抗干擾能力，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，采用兩個霍爾轉速傳感器，對電機的換相進行精確控制?；魻栟D速傳感器可以采TLE4905。為了控制電動機的轉速，采用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 進行波形疊加后送給功率MOSFET。

4． 試驗結果對比

我們采用MATLAB/Simulink 控制開發與測試平臺對我們的EHPS 系統進行了仿真測試，圖4,圖5 為自行研制的ECU 與進口原車上的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,我們主要采用了在實車上進行控制程序的在線調試,并與國外同類產品進行反復性能對比。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 從性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。