采用OSEK/VDX的电动助力系统设计

详细分析电动助力转向系统（EPS）的原理及其工作流程，采用PIC18F458单片机作为控制器，通过其增强型的PWM脉宽调制模块ECCP控制助力电机，实现EPS系统的助力控制、回正控制、阻尼控制等方式。应用软件采用OSEK OS嵌入式操作系统为平台，将EPS系统进行多任务划分，通过优先级调度达到系统协调运行的目的。

关键词 单片机 电动助力控制 PWM OSEK/VDX PIC18F458 PICOS18

　　随着电子技术和电机控制技术的发展，电动助力转向(Electronic Power Steering，EPS)系统的研究取得了很大进步。目前，汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向(Hydraulic Power Steering，HPS)。经过20多年的发展，EPS技术日趋完善，已经取得了相当大的成果，在轻型轿车、厢式车上得到了广泛应用[1]。

　　传统的软件设计不容易维护，移植性差，且实时性得不到保证。随着汽车工业的不断发展，电子技术在汽车上得到越来越多的应用。为了满足日益复杂的汽车电子控制软件的开发需要，实现应用软件的可移植性和不同厂商的控制模块间的可兼容性，1993年德国汽车工业界联合推出了“汽车电子的开放式系统及接口软件规范”，即OSEK（open systems and the corresponding interfaces for automotive electronics）规范，旨在为汽车上的分布控制单元提供一个开放结构的工业标准。1994年法国汽车工业界使用的汽车分布式运行系统VDX（Vehicle Distributed Executive）和OSEK规范合并，形成OSEK/VDX规范[2]。目前该规范已经成为ISO国际标准（ISO17356）。基于此，本文提出了基于嵌入式实时操作系统的EPS软件设计方法。

1 EPS系统的结构和工作原理

1.1 EPS系统的结构

　　根据电机安装位置的不同，EPS可分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式。图1是一个典型电动助力转向系统的示意图。EPS控制系统的主要组成部件[3]：

图1 电动助力转向系统示意图

　　① 扭矩信号传感器，测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小和方向。
　　② 车速信号传感器，测量汽车的行驶速度，在不同的车速和方向盘转矩的情况下，会提供不同的助力，以保证EPS系统在低速下灵活，高速下具有较好的“路感”。
　　③ 助力电动机，是EPS系统最关键的部件之一，助力电动机要求低转速大扭距、转动惯量小、可靠性高、振动小、噪声小，且尺寸小、质量轻。
　　④ 电磁离合器，主要起安全保护的作用，当EPS发生故障时，电磁离合器会及时切断电动机和转向柱的连接，汽车以传统的机械转向装置进行工作，从而保证行车安全。
　　⑤ 减速机构，是EPS系统不可缺少的部分，用来产生减速增扭的作用。
　　⑥ 电子控制单元ECU，主要包括信息处理单元及其外围电路。它是EPS系统的控制核心。控制单元根据方向盘转矩传感器和车速传感器的信号，经过A/D转换和逻辑分析与计算后，发出指令控制电机工作。

1.2 EPS系统的工作原理

　　虽然EPS的有3种类型，但工作原理是一样的：通过扭矩传感器和车速传感器，进行信号采集，经A/D转换，将信号发送到电子控制单元（ECU）中，单片机根据采集到的车速信号与扭矩信号，并根据相应的控制策略对直流伺服电动机进行实时控制。

　　根据汽车转向行驶的不同情况要求，EPS按不同的控制方式进行控制，通常有3种基本控制方式。

　　(1) 助力控制
　　汽车在低速范围内行驶，方向盘进行转向并离开中间位置时电控单元对电动机进行常规控制；通过计算确定助力电动机的电流，以获得合适的助力转矩，使转向操纵轻便灵敏。

　　(2) 回正控制
　　回正控制可以改善汽车的回正性能。汽车在低速范围内行驶转向后方向盘回到中间位置附近时，电控单元使电动机电流迅速减小，以便转向轮迅速回正；在高速时，采用阻尼控制，使电机两端短路，产生与回正力矩相反的回正阻尼，改善转向盘的回正超调。

　　(3) 阻尼控制
　　阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，消除转向轮因路面输入而引起的摆振。其原理很简单，即汽车处于高速行驶时，使电动机短路，其端电压变为零，电动机将不提供助力，但由于感应电动势的作用，电动机将产生与其转动方向相反的转矩。此过程等于增加了转向系统的阻尼，驾驶员能够获得适当的路感，不致有发飘的感觉。

2 EPS控制系统ECU设计

　　EPS系统实现的主要功能是采集扭矩传感器信号、车速传感器信号和电动机反馈电流信号，经控制器中的控制策略和控制算法，通过脉宽调制控制伺服电动机为驾驶员提供转向辅助力。另外，考虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急处理方案。

EPS系统的硬件设计主要包括以下一些主要模块：控