基于嵌入式实时操作系统的EPS系统设计
摘 要：针对电动助力转向（EPS）系统的原理和工作流程，考虑到在不同车速和转向扭矩时系统应提供的助力方式不同，采用嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为软件平台，将EPS软件中的信号采集、故障诊断、助力控制、回正控制、阻尼控制等子程序以多任务的形式进行了设计。通过设置不同的优先级别，达到各个任务的协调运行。控制器采用PIC18F458芯片，通过其增强型的PWM脉宽调制模块ECCP控制助力电机，实现EPS系统的各种助力方式。该系统具有实时性高、可移植性、易于维护等优点。
关键词：单片机 EPS 嵌入式 PWM
中图分类号：TP316.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0015-02
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，简称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。经过20多年的发展，EPS技术取得了相当大的成果，在轻型轿车和厢式车上得到了广泛应用[1，2]。
由于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。因此，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系统可分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式三种。EPS控制系统的主要组成部件[3，4]：扭矩信号传感器、车速信号传感器、助力电动机、电磁离合器、减速机构、电子控制单元ECU。
1.2 EPS系统的工作原理
虽然EPS有三种类型，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，并且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控制系统按不同的控制方式进行控制，通常来说有三种基本控制方式：常规控制、回正控制、阻尼控制。
2 EPS控制系统设计
2.1 嵌入式实时操作系统移植
本文使用源码公开的μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，移植该系统只需改写三个与处理器相关的代码，即：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C[5，6]。
本文采用PIC18F458单片机，其开发环境为MPLAB IDE V7.5和MPLAB C18。通过修改上述三个与处理器相关的函数，μC/OS-Ⅱ就成功的移植到该处理器上。
2.2 软件设计
EPS的工作流程是：根据扭矩信号和车速信号，判断系统所要进行的控制方式：如果处于车速>80 km/h，EPS将不在提供助力，EPS处于阻尼控制状态；如果车速在0～80 km/h，EPS提供的助力随车速增加不断减小，直线行驶EPS处于阻尼控制，转弯行驶处于常规控制。其中，阻尼控制和回正控制本系统采用最简单的方法，即通过设置助力电机的短路与短路实现。常规控制时，单片机根据扭矩和车速，通过助力特性曲线计算出助力电流的大小，控制器根据助力电流和电动机反馈电流得到控制量，由PWM脉宽调制实现对电动机的闭环控制。
EPS系统的程序主要由以下几个模块构成：初始化、监测程序、信号采集与处理程序、控制算法及策略程序等。将EPS系统的各个模块以多任务的形式编写，主要分为以下任务：故障检测TaskFaultDiagnosis（）、车速信号采集TaskSpeed（）、扭矩信号采集TaskTorque（）、助力控制TaskEPSControl（）、回正控制TaskReturnControl（）、阻尼控制TaskDampingControl（）等任务。
2.2.1 主程序设计
2.2.2 故障检测子程序
通过判断蓄电池电压、车速传感器信号、转矩传感器信号和电机电流等信号来判断系统的工作状况是否正常，一旦系统异常，继电器将断开，EPS停止助力，系统将以机械传动方式工作，确保行车安全。
2.2.3 信号采集
信号采集包括车速信号、扭矩信号和电机反馈电流信号。本系统采用定时器/计数器TMR0模块捕获每个输入脉冲信号的上升沿，来计算并得到车速。
扭矩信号和电机反馈电流信号都是模拟量，需要通过A/D转换，并经过数字滤波得到。
在单片机系统中常用的数字滤波方法有算术平均值法、移动平均滤波法、防脉冲干扰平均值法和数字低通滤波法。本文采用算术平均值法。
2.2.4 助力控制子程序
助力控制包括三种方式：常规助力控制、回正控制和阻尼控制。控制器根据车速和转矩信号来判断助力控制的方式。
当扭矩偏离平衡位置，且转向系统没有回正（即扭矩的微分不为负数），EPS处于常规助力控制状态，也就是提供助力。控制系统将根据车速和扭矩的大小，通过助力曲线，得到电动机的目标电流，经过PID控制器的闭环控制PWM脉宽调制的占空比，控制助力电动机。
如果转向系统处于回正状态，将根据车速进行回正控制或者阻尼控制（高速时阻尼控制，低速时回正控制）。
当汽车处于高速直线行驶状态时，EPS系统将提供阻尼控制，避免方向盘抖动。
EPS系统的三种控制方式是通过PWM脉宽调制实现的。使用PIC18F458单片机的ECCP模块来实现助力、回正、阻尼三种控制方式。在全桥输出方式下，4个引脚用于输出，但是在同一时刻，只有两个输出是有效的。
在正极性方式中，P1A一直有效（QA导通），P1D脉宽调制（QD脉宽调制），即实现电机的正向助力；在负极性方式中，P1C一直有效（QC导通），P1B脉宽调制（QB脉宽调制），即实现电机的反向助力。
回正控制是通过同时置P1A、P1B、P1C、P1D为低电平来实现的，这时电机处于断路状态，减少阻力，是转向系统迅速回正。
阻尼控制原理是当电动机绕组发生短路时，电动机将会产生一个大小与其转速成正比的反向转矩，电控单元就是利用这一特性对电动机进行阻尼控制的。即置P1B和P1D为低电平，置P1A和P1D为一直有效。
3 软件调试
采用PIC18F458单片机作为控制器，其开发环境为MPLAB IDE，它是Microchip公司为PIC系列单片机提供的功能开发和调试综合性软件，编译器采用Microchip公司的C18V3.0编译器。
首先使用MPLAB IDE集成的仿真软件MPLAB SIM进行调试，该软件独立于硬件环境，避免了程序代码下载慢的问题。通过给每个任务设置断点（Break point），可以方便的看到各个任务的运行情况，以及各寄存器的状态。
表1和表2是右转向，速度分别为0和40 km/h时的扭矩及占空比（ECCPR1L）的值。
其中Adresult为A/D传感器测得的扭矩传感器电压值（0～2.5 V为反向，2.5～5 V为正向），torque为扭矩，ECCPR1L及ECCP1CON的bit1和bit2位（这里设其为00）为增强型PWM模块的占空比因数。
最后，将代码通过仿真器MPLAB ICD2成功的下载到PIC18F458单片机中，进行硬件调试，运行良好。
4 结语
本文分析了EPS系统的结构、工作原理和三种控制方式，基于μC/OS-Ⅱ这一实时内核进行了EPS系统的软件编程。通过PIC18F458单片机的ECCP模块控制电机，实现了EPS系统在各种情况下的助力方式。经过仿真运行，结果表明，各个任务能够协调运行，实现了EPS系统的各个功能。并且多任务的设计方法大大提高了EPS系统的维护性和扩展性。
参考文献
[1]胡建军，李彤，龚为伦，等.汽车转向技术进展分析[J].液压与气动，2006，4（8）：17-20.
[2]施国标，林逸，张昕.动力转向技术及其发展[J].农业机械学报，2006，37（10）：179-182.
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[4]Ji-Hoon Kim， Jae-Bok Song. Control logic for an electric power steering system using assist motor[J]. Mechatronics，2002，12（3）：447-459.
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[6]冉明，邢汉承.基于μC/OS-II的嵌入式系统的设计[J].微机发展，2005，15（1）：91-93.