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控制技術/MCU  

基於XC2300系列微控制器的電子動力轉向系統

上網時間: 2008年02月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電子動力轉向系統  EPS  汽車 

今天,電子動力轉向系統(EPS)已成為減少二氧化碳排放的關鍵要素之一。因此各種不同類型的汽車都裝備有機電動力轉向系統。那麼在實現電子助力轉向系統時需要用到哪些技術呢?

EPS是一種機電動力轉向系統,它用電子控制的馬達代替原來的水壓助力轉向裝置。EPS系統在發動機艙內佔用更少的空間,更容易組裝,而且能夠節省燃油消耗。另外它在轉向系統中不再使用有毒的液壓油。在小型車輛中,馬達是透過齒輪箱連接到轉向柱的,而在中型汽車內,馬達利用凸緣架斜向或縱向安裝在齒輪架上,並透過齒輪箱作業。當司機轉動方向盤時,馬達就為轉向系統提供動力。

EPS系統是如何工作的?

電子動力轉向系統由一個控制單元、眾多感測器和一個無刷馬達組成。控制單元對系統進行控制,並提供馬達所需的資訊。另外,它還從感測器接收資訊,這些感測器主要用來測量方向角度、駕駛速度和扭矩等參數。檢測馬達位置和馬達電流的感測器可確保馬達工作在最佳狀態。圖1為帶系統監視功能的高階電子機械動力轉向系統關鍵組件。XC2300作為主處理器控制著伺服馬達和其它組件。第二個較小的微控制器或ASIC則作為監控單元。

EPS系統中的主要元件

傳動裝置是一個三相同步或非同步無刷馬達。馬達的旋轉場以電子方式產生。訊號頻率約20kHz的脈衝寬度調變(PWM)訊號將影響馬達的速度和扭矩。

旋轉編碼器或磁性感測器,即所謂的巨型磁阻(GMS),可以提供識別轉子位置的數據。通常兩個相位電流是透過分路電路或霍爾感測器測量的。上述感測器都是類比輸出,因此需要經過放大才能用於進一步的處理。作用在轉向柱上的力量以及馬達要求的助動力透過扭矩感測器測量。訊號處理在控制單元中完成。車輪感測器提供汽車速度資訊,轉向角度感測器提供方向盤目前位置資訊。其它控制單元則處理這些訊號。數據是在CAN匯流排上傳輸的。可以在感測器中整合一些評估邏輯,具體取決於系統選用的感測器類型。這樣可以提高精密度,減少出錯的可能性。

控制單元由眾多的穩壓器、CAN收發器、訊號處理電路、橋式驅動器、電源開關和微控制器組成。

穩壓器提供感測器、微控制器和ASIC所需的各種電壓。CAN收發器用於CAN匯流排和微控制器之間的橋接。數據訊號處理是類比還是數位方式取決於感測器類型。因為微控制器不能直接控制電源開關(B6橋),因此需要橋式驅動器。橋式驅動器產生快速開關電晶體所需的閘極電壓和相關電流。智慧驅動器還包含有診斷介面,它能檢測各種問題,如半橋短路、低相位電壓或元件高溫。微控制器控制和監視馬達與整個系統,它還必須執行診斷功能,並與網路進行通訊。此外還採用了另外一個控制器來進行檢錯,並在必要時啟動緊急工作模式。

由於EPS系統在馬達動態和?定扭矩方面有很高的要求,故它們需要採用複雜的演算法,如FOC(針對場的控制)。這種控制直接作用於馬達的轉子場上,需要相當強的處理能力,因為它涉及運算多個坐標轉換(Clark/Park轉換),並須以50μs間隔調節兩個相位電流。需要透過一個PWM訊號並使用空間向量方法對馬達進行控制。由於MAC單元性能非常高,因此所需的CPU負載還不到10%。

圖1:具備系統監視功能的電子機械動力轉向系統中的關鍵組件。
圖1:具備系統監視功能的電子機械動力轉向系統中的關鍵組件。

XC2300微控制器

XC2300微控制器是英飛凌公司XC2000微控制器系列的新產品,該元件可解決系統監視問題,能夠快速處理嚴格的控制演算法,並具有廣泛的內建硬體支援。總之,它能夠快速且高效地處理各種複雜的任務。

為了增強可靠性,XC2300在安全方面採用了循環冗餘校驗(CRC)來驗證感應數據,其中涉及兩次寫入數據以及二者的比較。整個記憶體系統受硬體糾錯單元的保護。為了整合不同的軟體模組,還設立了一個記憶體保護單元。

XC2000的架構是以之前開發的C166核心為基礎,可提供先進的控制和DSP功能。然而,與C166架構不同的是,它具有高性能管線結構,故可在單時脈週期內執行指令。在相同的時脈速度下,XC2300的處理能力約為C166的兩倍。XC2300還整合一個乘法累加單元,可容易實現矩陣作業或有限脈衝響應(FIR)濾波器功能。這意味著可在單時脈週期內執行累積32位元加法或減法的16x16位元乘法。快速的矩陣作業處理(Clark/Park轉換)和PI控制器在EPS中都發揮了重要作用。XC2300支援最多128個中斷源,共有16個中斷等級。除了典型的中斷處理,該處理器還以週邊事件控制器(PEC)的形式提供可選的DMA傳送功能,允許在16MB的地址空間中輕鬆地移動或複製大型數據區塊。程式記憶體存取為64位元寬,目前最高支援576KB的嵌入式快閃記憶體。快閃記憶體在實體上被分成多個模組,並採用了糾錯和監視功能,可獲得更高的執行可靠性。每個快閃記憶體區都可透過密碼分別實現讀寫保護。可用來管理數據的嵌入式SRAM容量為50KB。此外還採用了一種額外的保護機制來防止對重要CPU暫存器的未授權存取。為了進一步提高執行可靠性,當某些受限指令被執行或者是CPU堆疊寫入溢出時也可以觸發保護機制。

週邊功能

XC2300的週邊模組包含了靈活的定時單元、三個USIC模組(用於支援不同的同步和非同步串列介面)、擷取/比較(CAPCOM)模組、一個即時時脈和看門狗功能、兩個獨立的高速10位元A/D轉換器(轉換時間>=1.2μs)以及三個CAN模組。眾多的觸發器資源允許AD轉換與具有相應延遲的CAPCOM定時器單元之間實現同步。內建有限的幾個檢查器可以對多個電壓源進行後台監視,不會增加CPU任何負擔。

CAPCOM6擷取/比較單元是專門開發來支援獨立於CPU的多相馬達控制。以CPU頻率作為其執行時脈的兩個獨立的16位元寬定時器被作為時間基準。CAPCOM6模組能夠產生多達7個的獨立脈寬調變訊號,或儲存輸入訊號持續時間和工作週期。它在80MHz的系統時脈下可以提供12.5ns的解析度。一個8位元的定時器支援死區時間(dead time)產生。該訊號可以單獨分配給每個通道。由於採用了同步設計和影子暫存器,暫存器更新可得到正確的定義。CAPCOM6單元支援同步和非同步脈寬調變。在產生錯誤時,每個輸出都可以立即進入不活動狀態。在一個系統中,使用兩個CAPCOM6單元可以最多控制兩個馬達。所有週邊模組都透過一條高速16位元週邊匯流排連接到CPU。XC2300系列微控制器中週邊模組的整合度比其它微控制器架構要高,因此CPU可以集中資源執行運算和診斷任務。XC2365微控制器中的關鍵功能模組如圖2所示。

圖2:XC2365微控制器。
圖2:XC2365微控制器。

XC2300微控制器支援晶片上除錯,可透過斷點、記憶體/暫存器存取和單步執行等方法來進行高效且低成本的系統模擬。

為因應越來越短的產品開發週期,諸如模擬器、除錯器、編譯器、匯編器和評估板以及軟體工程師使用的CASE工具和自動程式碼產生器等工具變得愈加重要,特別是在汽車產業。隨著C166架構被廣泛接受,開發人員現已能運用經過驗證的開發工具組。英飛凌已提供多種相關評估工具套件、軟體實例和應用指南。

本文小結

XC2300系列微控制器具有強大的MAC單元、CAPCOM6單元和雙ADC,它專門針對EPS系統進行最佳化,能滿足這些系統的要求。此外,像CRC單元和全面診斷能力等特性則進一步提高了程式執行的可靠性。

作者:Robert Weiss

汽車微控制器資深應用工程師

英飛凌科技公司





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