基于XC164CM的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

前言
近年來, 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已成為一些轎車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，全世界約有一半的轎車采用動力轉(zhuǎn)向。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，目前一些轎車已經(jīng)使用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)，使汽車的經(jīng)濟性、動力性和機動性都有所提高。EPS利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行動力轉(zhuǎn)向, 一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉(zhuǎn)向器、以及蓄電池電源所構(gòu)成。汽車在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器會"感覺"到轉(zhuǎn)向盤的力矩和轉(zhuǎn)動的方向，這些信號會通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電控單元會根據(jù)傳動力矩、擬轉(zhuǎn)的方向等數(shù)據(jù)信號，向電動機控制器發(fā)出動作指令，從而電動機就會根據(jù)具體的需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動力矩，從而產(chǎn)生了助力轉(zhuǎn)向。如果不轉(zhuǎn)向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于休眠狀態(tài)。由于電動助力轉(zhuǎn)向的工作特性，駕車者會覺得方向感更好，高速時更穩(wěn)不發(fā)飄。又由于它不轉(zhuǎn)向時不工作，而且只需電力不用液壓，與傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種行駛條件下均可節(jié)能80%左右，提高了汽車的運行性能。在近年得到迅速的推廣，也是今后助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

圖1  EPS 系統(tǒng)框圖
圖1所示為一個典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其核心是一個電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于永磁同步電動機(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點，和直流電機相比，它沒有機械換向器和電刷、與異步電動機相比，它不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，體積小，電流和定子電阻損耗小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、定轉(zhuǎn)子氣隙大、控制性能好，是汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的首選。
永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。在要求高精度，高動態(tài)性能以及小體積的場合，應(yīng)用PMSM電機伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。本文即專門討論一種用于EPS系統(tǒng)的PMSM電機伺服系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)使用XC164CM作為EPS系統(tǒng)的核心控制芯片，同時采用定子磁場定向原理（FOC）實現(xiàn)永磁同步電動機的伺服控制。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，性能可靠，非常具有針對性。

XC164CM和CAPCOM6E
XC164CM是目前廣泛使用的C166系列單片機的一種新的派生型，是基于增強型 C166S V2結(jié)構(gòu)的，優(yōu)于現(xiàn)有的16位解決方案。XC164CM具有很強的 DSP性能和先進的中斷處理，加上各種高效靈活的外設(shè)和高性能片上Flash，使得它成為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)備控制的理想選擇。其靈活的智能PWM單元CAPCOM6E提供交流電機(AC), 直流無刷電機(BLDC)和開關(guān)磁阻電機(SRM)等各類電機的PWM控制。而高速、高分辨和具有同步觸發(fā)功能的ADC能快速和精確地轉(zhuǎn)換復(fù)雜的模擬環(huán)境變量。具有自動網(wǎng)關(guān)功能的高速TwinCAN模塊則能實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)化的方案。XC164CM封裝為P-TQFP-100框圖如圖2所示。

圖2  XC164CM 框圖
C166S V2 與C166相比有不少優(yōu)異之處。首先, 它采用增強哈佛結(jié)構(gòu)(
程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器具有各自的多帶寬總線)、具有單周期指令集, 在40MHz的CPU時鐘時具備40MIPS的指令執(zhí)行速度。其次, 它不僅有5級指令流水線, 還新增了2級預(yù)取指令流水線, 具有無可比擬的程序分支預(yù)測判斷能力, 從而實現(xiàn)零周期程序跳轉(zhuǎn)。它除了擁有高速硬件乘/除單元外, 還特別集成了單周期乘加器(MAC)單元, 從而具有強勁的DSP功能(含DSP指令集), 使得其運算能力大為提高。配套的DSP函數(shù)庫能使用戶快捷方便地實現(xiàn)各種DSP運算如FIR, IIR, FFT, 等等。C166S V2 還集成了帶JTAG接口的片上調(diào)試系統(tǒng)(OCDS) 。
XC164CM 的智能PWM單元CAPCOM6E如圖3所示。它能產(chǎn)生各種類型的PWM波形, 如SPWM, 空間矢量PWM (SVPWM)等。本系統(tǒng)使用SVPWM, 其產(chǎn)生原理如圖4所示。8種可能的開關(guān)狀態(tài)形成6種可能的磁場方向(加上兩個零矢量), 磁場矢量可以達(dá)到六邊形(逆變器的運行區(qū)域)內(nèi)的所有點, 而不能超出該六邊形。PWM開關(guān)頻率為20KHZ。{{分頁}}

圖3  智能PWM單元CAPCOM6E

圖4  空間矢量PWM原理
其時間計算公式(30