基于XC2300系列MCU的电子动力转向系统
如今电子动力转向系统(EPS)已经成为减少二氧化碳排放的关键要素之一。因此各种不同类型的汽车都装备有机电动力转向系统。那么在实现电子助力转向系统时需要用到哪些技术呢？
EPS就是一种机电动力转向系统，它用电子控制的电机代替原来的水压助力转向装置。EPS系统在发动机仓内占用更少的空间，更容易组装，而且能够节省燃油消耗。另外它在转向系统中不再使用有毒的液压油。在小型车辆中，电机是通过齿轮箱连接到转向柱的，而在中型汽车内，电机利用凸缘架斜向或纵向安装在齿轮架上，并通过齿轮箱操作。当司机转动方向盘时，电机就为转向系统提供动力。
EPS系统工作原理
电子动力转向系统由一个控制单元、众多传感器和一个无刷电机组成。控制单元对系统进行控制，并提供电机所需的信息。另外，它还从传感器接收信息，这些传感器主要用来测量方向角度、驾驶速度和扭矩等参数。检测电机位置和电机电流的传感器可确保电机工作在最佳工作状态。图1给出了带系统监视功能的高级电子机械动力转向系统的关键组件。XC2300作为主处理器控制着伺服电机和其它组件。第二个较小的微控制器或ASIC则用作监控单元。
EPS系统的主要器件
传动装置是一个三相同步或异步无刷电机。电机的旋转场以电子方式产生。信号频率约20kHz的脉冲宽度调制(PWM)信号将影响电机的速度和扭矩。
旋转编码器或磁性传感器-即所谓的巨型磁阻(GMS)-可以提供识别转子位置的数据。通常两个相位电流是通过分路电路或霍尔传感器测量的。上述传感器都是模拟输出，因此需要经过放大才能用于进一步的处理。作用在转向柱上的力量以及电机要求的助动力通过扭矩传感器测量。信号处理在控制单元中完成。车轮传感器提供汽车速度信息，转向角度传感器提供方向盘当前位置信息。其它控制单元则处理这些信号。数据是在CAN总线上传输的。可以在传感器中集成一些评估逻辑，具体取决于系统选用的传感器类型。这样可以提高精度，减少出错的可能性。
图1：带系统监视功能的电子机械动力转向系统结构框图。
控制单元由稳压器、CAN收发器、信号调理电路、桥式驱动器、电源开关和微控制器组成。稳压器提供传感器、微控制器和ASIC所需的各种电压。CAN收发器用于CAN总线和微控制器之间的桥接。数据信号处理是模拟还是数字方式取决于传感器类型。因为微控制器不能直接控制电源开关(B6桥)，因此需要桥式驱动器。桥式驱动器产生快速开关晶体管所需的栅极电压和相关电流。智能驱动器还包含有诊断接口，它能检测各种问题，如半桥短路、低相位电压或器件高温。微控制器控制和监视电机与整个系统，它还必须执行诊断功能，并与网络进行通信。此外还采用了另外一个控制器来进行检错，并在必要时激活紧急工作模式。
由于EPS系统在电机动态和恒定扭矩方面有很高的要求，故它们需要采用复杂的算法，如场定向控制(FOC)技术。这种控制直接作用于电机的转子场上，需要相当强的处理能力，因为它涉及计算多个坐标变换(Clark/Park变换)，并须以50?s间隔调节两个相位电流。需要通过一个PWM信号并使用空间向量方法对电机进行控制。由于MAC单元性能非常高，因此所需的CPU负荷还不到10%。
XC2300针对EPS系统进行优化
XC2300处理器架构可以彻底解决系统监视问题，能够快速处理严格的控制算法，并且具有广泛的内置硬件支持。总之，它能够快速且高效地处理各种复杂的任务。
安全方面：为了增强可靠性，采用循环冗余校验(CRC) 来验证敏感数据，其中涉及两次写数据以及二者的比较。整个存储器系统受硬件纠错单元的保护。为了封装不同的软件模块，还建立了一个存储器保护单元。
架构/DSP功能：XC2000架构以以前开发的C166内核(现在已经成为行业标准)为基础，可以提供先进的控制和DSP功能。然而与C166架构不同的是，它具有高性能管线结构，故而可以在单个时钟周期内执行指令。在相同的时钟速度下，XC2300的处理能力差不多是C166的两。XC2300还集成有一个乘法累加单元，可以很容易地实现矩阵操作或有限脉冲响应(FIR)滤波器功能。这意味着可以在单个时钟周期内执行累积32位加法或减法的16x16位乘法。快速的矩阵操作处理(Clark/Park转换)和强大的PI控制器实现在EPS中都发挥着重要的作用。XC2300支持最多128个中断源，共有16个中断等级。除了典型的中断处理之外，该处理器还以外设事件控制器(PEC)的形式提供可选的DMA传送功能，从而允许在16MB的地址空间中轻松地移动或复制大型数据块。程序存储器访问为64位宽，目前最高支持576KB的嵌入式闪存。闪存在物理上被分成多个模块，并采用了纠错和监视功能，因此可获得更高的运行可靠性。每个闪存区都可以通过口令分别实现读写保护。可用来管理数据的嵌入式SRAM容量则高达50KB。此外，还采用了一种额外的保护机制来防止对重要的CPU寄存器的未授权访问。为了进一步提高运行可靠性，当某些受限指令被执行或者是CPU堆栈写入溢出时也可以触发保护机制。
强大的外设：XC2300的外设模块包含了灵活的定时单元、三个USIC模块(用于支持不同的同步和异步串行接口)、捕获/比较(CAPCOM)模块、一个实时时钟和看门狗功能、两个独立的高速10位A/D转换器(转换时间＞=1.2?s)以及三个CAN模块。众多的触发器资源允许AD转换与具有相应延时的CAPCOM定时器单元之间实现同步。内置有限的几个检查器可以对多个电压源进行后台监视，不会增加CPU任何负担。
CAPCOM6捕获/比较单元是专门开发来支持独立于CPU的多相电机控制的。以CPU频率作为其运行时钟的两个独立的16位宽定时器被用作时间基准。CAPCOM6模块能够产生多达7个的独立脉宽调制信号，或存储输入信号持续时间和占空比。它在80MHz的系统时钟下可以提供12.5ns的分辨率。一个8位的定时器支持死区时间产生。该信号可以单独分配给每个通道。由于采用了同步设计和影子寄存器，寄存器更新可得到正确的定义。CAPCOM6单元支持同步和异步脉宽调制。在发生错误时，每个输出都可以立即进入不活动状态。在一个系统中，使用两个CAPCOM6单元可以最多控制两个电机。所有外设模块都通过一条高速16位外设总线连接到CPU。XC2300系列微控制器中外设模块的集成度比其它微控制器架构要高，因此CPU可以集中资源执行运算和诊断任务。XC2365微控制器中的关键功能模块如图2所示。
图2：XC2365微控制器。
调试：XC2300微控制器支持片上调试，可以通过断点、存储器/寄存器访问和单步执行等手段来进行高效且低成本的系统仿真。
开发工具：如今产品开发周期越来越短，仿真器、调试器、编译器、汇编器和评估板以及软件工程师使用的CASE工具和自动代码生成器等成熟的、功能强大的工具变得愈加重要，特别是在汽车行业。随着C166架构被越来越广泛地接受，开发人员可以充分利用全面并且经过验证的开发工具集。目前多种相关评估工具包、软件实例和应用指南都在供货。
本文小结
总而言之，值得一提的是，XC2300系列微控制器具有超强功能的MAC单元、CAPCOM6单元和双ADC，它专门针对EPS系统进行优化，完全能够满足这些系统的要求。此外， CRC单元和全面诊断能力等特性则进一步提高了程序执行的可靠性。
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