基于OSEK/VDX的电动助力系统设计

图2 EPS硬件电路结构示意图

　　2.2 驱动电路设计

　　电动机控制电路的设计在电动助力转向系统的设计中是比较关键的部分。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)的控制方式已成为绝对主流。在本系统中，电机的控制就是采用的PWM脉宽调制控制方式。全桥双极性驱动电路如图3所示。

　　PIC18F458单片机的ECCP引脚连接2个驱动芯片IR2110（每个IR2110可控制2个MOSFET），来控制4个MOSFET的导通和截止，从而实现对助力电机的控制。EPS系统需要实现3种控制方式：常规控制、回正控制和阻尼控制。

图3 助力电机驱动电路

　　3 EPS软件设计

　　随着嵌入式应用进一步复杂化和对实时性、可靠性要求的提高，为了合理调度多种任务并利用系统资源，基于嵌入式实时操作系统进行嵌入式软件设计逐渐成为了嵌入式系统设计开发的主流。当前嵌入式实时操作系统有数百种，它们各具特色。开放源码的嵌入式实时操作系统在成本和技术上具有独特的优势，并占有越来越重要的地位。本文选择开源的嵌入式实时操作系统PICOS18作为EPS的软件开发平台。PICOS18是按照OSEK/VDX标准实现的实时操作系统。PICOS18是一个多任务可剥夺型微实时内核，非常小巧，占程序空间(ROM)小于1 KB，占数据空间(RAM)仅为7 B，系统代码容量及运行所需的ROM和RAM也非常少；提供了任务管理、定时器管理、事件管理、中断管理等功能；基于优先级进行任务调度，具有16个优先级，系统占用1个，用户可创建15个任务，每个任务最多还可以拥有8个事件[4]。

　　3.1 应用软件开发

　　嵌入式实时操作系统将面向功能的应用开发转化为面向任务的应用开发，因此软件开发的过程就是将应用系统按照功能细分为多个任务，然后实现每个任务，并为任务确定合适的优先级；对于实时性要求高的操作，需要编写相关的中断服务程序。
　　根据EPS的工作原理，可分为8个任务。

　　（1） Task1--车速信号采集
　　扩展任务，用于计算车速。上电运行后Task1处于等待状态, 等待车速计算事件EventSpeed。利用定时器/计数器TMR0模块当计数器溢出时（数量的转速信号脉冲后）产生中断，进入转速中断服务程序，记录脉冲周期总时间,然后设置事件EventSpeed，激活Task1。这时Task1处于就绪状态,在操作系统调度机制（完全抢占式）的管理下，等到就绪队列中优先级高于Task1的任务都运行完成时，Task1运行，根据所记录的脉冲时间和脉冲个数,计算出车速，并进行滤波。执行完后，激活Task2，清除事件EventSpeed，Task1又处于等待状态。

　　（2） Task2--扭矩信号采集
　　基本任务，用于采集扭矩信号。该任务由Task1激活，执行频率与Task1相同。因为车速信号和扭矩信号是EPS系统最重要的两个参数，所以必须使这两个参数及时地更新，以保证助力模式的选择和助力大小的确定得到及时准确的控制。

　　（3） Task3--电流反馈信号采集
　　基本任务，用于采集电机反馈电流。该任务由Task5激活，系统只有在助力控制时才会激活此任务。该参数与目标电流的差值，通过PID调节器的控制，使电机迅速提供相应的扭矩，达到助力的目的。

　　（4） Task4--故障诊断
　　扩展任务，用于故障的监测和诊断。上电运行后，等待消息MsgSpeedErr，确定车速正常；等待消息MsgVoltErr，确定电压正常；等待消息MsgTorqueErr，确定扭矩正常。一旦发生故障，该任务将立即断开继电器，使转向系统处于机械转向状态，避免事故发生。

　　（5） Task5--助力模式选择
　　基本任务，用于选择助力方式以及确定助力控制方式下的目标电流。此任务由Task2激活，通过车速和扭矩的大小，判断助力模式，在助力控制下通过助力特性曲线得到目标电流。此任务的执行次数与Task1和Task2相同，以保证助力方式和助力大小实时准确。

　　（6） Task6--助力控制
　　基本任务，助力控制，由Task3激活。通过Task5得到的目标电流，以及Task3电机反馈电流，采用PID调节器进行闭环控制，最后通过PWM脉宽调制控制助力电机。

　　（7） Task7--回正控制
　　基本任务，回正控制，由Task5激活。当汽车车速很高时，使电机两端短路，产生回正阻尼，减小回正超调；当汽车处于低速时，使电机两端迅速断路，减小电机阻力，使转向迅速回正。

　　（8） Task8--阻尼控制
　　基本任务，阻尼控制，由Task5激活。阻尼控制用于高速时的各种状态（回正、转向和直线行驶）。回正时，阻尼控制可减小系统超调；转向时，可增加阻力，使驾驶员得到较好的路感；直线行驶时，可减小路面对方向盘的冲击。

　　3.2 任务优先级

　　PICOS18采用占先式调度方式，即所有任务都是可占先的，每个任务都有一个确定的唯一的优先级，任务越重要优先级越高。由于助力控制（Task6）任务必须在合适的时刻运行，所以Task6优先级最高，回正控制（Task7）、阻尼控制（Task8）次之，其次是故障诊断任务（Task4），其余任务优先级按其激活的执行顺序确定。Task4在开始运行时处于等待状态如未监测到不正常信号则不再执行。Task1、Task2和 Task5在按顺序执行完一个循环后，继续响应转速中断，重新执行。这种调度方式不仅能采集到最新的车速信号和扭矩信号，使EPS系统实时准确地提供助力，还能提高CPU利用率，充分利用硬件资源。

　　3.3 任务配置（OIL）

　　PICOS18通过taskdesc.c定义任务的各个参数，并且是用OSEK/VDX规范中的OIL（OSEK/VDX的实现语言，类似于一个C结构定义）编写的[5]。由于PICOS18没有提供GUI用于任务的配置，因此只能逐句编写。任务的参数定义结构如下：

rom_desc_tsk rom_desc_task={
　　TASK_PRIO,/* 任务的优先级*/
　　stack,/* 堆栈地址(16位)*/
　　TASK, /* 起始地址(16位)*/
　　READY, /* 初始化时的状态*/
　　TASK_ID,/* 任务ID*/
　　sizeof(stack)/* 堆栈大小(16位)*/
};
AlarmObject Alarm_list[] = {
/******第1个任务********/
　　{
　　OFF,/* 状态*/
　　0, /*报警值*/
　　0,/*周期*/
　　&Counter_kernel,/*与报警相关的计数器*/
　　TASK1_ID,/*要激活的任务ID*/
　　ALARM_EVENT,/*传递的事件 */
　　0/*回调*/
　　},
　　…/*其他任务 */
};
Resource Resource_list[] = {
　　{
　　10,/* 优先级 */
　　0,/* 任务优先级 */
　　0,/* 上锁，0表示未上锁 */
　　}
};
Counter Counter_list[] = {
　　/******第1个计数器******/
　　{
　　　　{
　　　　　　200,/*允许的最大计数值*/
　　　　　　10,/*预分频器*/
　　　　　　100/*最小周期*/
　　　　},
　　　　0,/*计数值*/
　　　　0
　　}
　　…/*其他计数器*/
};