基于RH850/P1x的電動助力轉向系統設計

作者：周振齊時間：2019-01-29 來源：電子產品世界

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作者周振齊(瑞薩電子管理(上海)有限公司，上海 200333)

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/201901/397264.htm

　　摘要：本文提出了基于RH850/P1x的新型電動助力轉向系統設計，對EPS電機的控制策略進行了深入的研究，提供了EPS系統方案和軟硬件設計過程。

　　關鍵詞: RH850/P1x;EPS;PMSM;FOC;SENT

　　0 引言

　　作為向打造環保車輛邁進的一步，人們越來越趨向于使用EPS(電動助力轉向系統)。這種系統使用電機代替傳統的液壓轉向輔助機構，可減少車輛重量并提高燃油效率。近年來，隨著現代控制技術的發展，以及提高車輛行駛安全性、操縱穩定性和乘坐舒適性的新要求，針對傳統EPS系統存在轉矩脈動較大及助力轉矩響應滯后等問題，采用PMSM(永磁同步電機)和FOC(矢量控制)算法逐漸成為趨勢。

　　為了提供EPS應用中所需的精密電機控制，單片機(MCU)需要具有高性能CPU、大容量片上內存、專用定時器模塊、高速和高精度ADC以及與其他控制單元通信的接口。此外，隨著汽車中使用的電子器件和電機的不斷改進，與轉向和制動等工作相關的底盤系統也必須達到更嚴格的安全標準，此類系統需要符合汽車功能安全標準ISO 26262的最高安全等級ASIL-D。瑞薩電子提供了基于高性能RH850G3M CPU內核等的優化解決方案，以支持更先進的EPS系統。

　　1 RH850/P1x介紹

　　RH850/P1x系列是采用全球領先40 nm工藝設計的汽車32位MCU，具有超低功耗、高性能、高可靠性等特點;集成了電機定時器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSI5等外設模塊和通信接口;采用鎖步雙核系統(Lockstep)，集成錯誤檢查和校正(ECC)功能，具有故障檢測功能和內置自檢(BIST)功能，錯誤控制模塊(ECM)允許用戶根據具體情況管理各功能發出的錯誤信號輸入，進而幫助保持系統安全性和可靠性。達到車載系統功能安全國際標準ISO 26262的最高安全級別ASIL-D;在防止黑客和病毒攻擊的車載網絡安全方面，實現了相當于EVITA Medium級別的安全要求。RH850/P1x系列具有完整的工具鏈生態環境，支持基于模型設計和AutoSAR開發。RH850/P1x系列是最適合EPS系統的主控MCU。

　　2 系統設計

　　EPS系統如圖1所示，包含以下。

　　A、電源管理部分：提供EPS系統所需要的各種電壓，并能實現自我診斷和保護，提供對MCU的外部看門狗監控、SPI通信等;

　　B、傳感器部分：采集電機的位置和電流等信號，電池電壓等;

　　C、通信部分：包括CAN、SENT、SPI等，獲取方向盤扭矩、車速等信息;

　　D、MCU控制部分：根據扭矩信號和車輛的狀態，控制EPS助力策略;

　　E、預驅和驅動部分：電機驅動部分，提供自我保護功能;

　　F、PMSM電機及其他機械部分。

　　3 硬件設計

　　EPS系統的核心是根據扭矩信號和車輛的狀態，控制PMSM電機。

　　圖2是使用RH850/P1x控制EPS電機的框圖，使用到以下模塊：

　　A、18位增強型電機控制定時器TSG3：產生帶死區時間的6路互補PWM信號，用來控制PMSM電機等;

　　B、12位A/D轉換器：用來同步測量相電流和電壓等;

　　C、TAPA高阻控制：當接收到外部緊急關斷信號，或者A/D采樣值電流或電壓超過極限值時，TAPA控制緊急關斷TSG3的PWM輸出信號;

　　D、ENCA編碼器：ENCA可以檢測增量式編碼器信號，獲得電機的位置;

　　E、TPBA定時器模式緩沖器：模擬產生旋變編碼器的激勵信號。

　　關于電機位置/轉速信號的獲取，RH850/P1x支持多種方式：如果使用旋變編碼器來檢測電機位置，可以使用TPBA產生旋變編碼器的激勵信號，使用A/D采樣返回的Sin和Cos信號，通過軟件計算獲得電機位置信息;如果使用增量式編碼器時，可以使用ENCA檢測A、B、Z信號，獲得電機位置信息;如果使用MR磁阻傳感器，可以使用A/D采樣Sin和Cos信號，通過計算獲得電機位置信息。結合位置信息和時間長度，即可計算得到電機轉速值。EPS其他部分的硬件設計，限于篇幅，不在此贅述。