【应用】基于汽车32位MCU RH850/P1x的电动助力转向系统设计

时间： 2019-03-08 来源：Renesas

作为向打造环保车辆迈进的一步，人们越来越趋向于使用EPS（电动助力转向系统）。这种系统使用电机代替传统的液压转向辅助机构，可减少车辆重量并提高燃油效率。近年来，随着现代控制技术的发展，以及提高车辆行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性的新要求，针对传统EPS系统存在转矩脉动较大及助力转矩响应滞后等问题，采用PMSM（永磁同步电机）和FOC（矢量控制）算法逐渐成为趋势。

为了提供EPS应用中所需的精密电机控制，单片机（MCU）需要具有高性能CPU、大容量片上内存、专用定时器模块、高速和高精度ADC以及与其他控制单元通信的接口。此外，随着汽车中使用的电子器件和电机的不断改进，与转向和制动等工作相关的底盘系统也必须达到更严格的安全标准，此类系统需要符合汽车功能安全标准ISO 26262的最高安全等级ASIL-D。瑞萨电子提供了基于高性能RH850G3M CPU内核等的优化解决方案，以支持更先进的EPS系统。

RH850/P1x介绍

RH850/P1x系列是采用全球领先40 nm工艺设计的汽车32位MCU，具有超低功耗、高性能、高可靠性等特点;集成了电机定时器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSI5等外设模块和通信接口；采用锁步双核系统（Lockstep），集成错误检查和校正（ECC）功能，具有故障检测功能和内置自检（BIST）功能，错误控制模块（ECM）允许用户根据具体情况管理各功能发出的错误信号输入，进而帮助保持系统安全性和可靠性。达到车载系统功能安全国际标准ISO 26262的最高安全级别ASIL-D;在防止黑客和病毒攻击的车载网络安全方面，实现了相当于EVITA Medium级别的安全要求。RH850/P1x系列具有完整的工具链生态环境，支持基于模型设计和AutoSAR开发。RH850/P1x系列是最适合EPS系统的主控MCU。

系统设计

EPS系统如图1所示，包含以下。

电源管理部分：提供EPS系统所需要的各种电压，并能实现自我诊断和保护，提供对MCU的外部看门狗监控、SPI通信等;
传感器部分：采集电机的位置和电流等信号，电池电压等;
通信部分：包括CAN、SENT、SPI等，获取方向盘扭矩、车速等信息;
MCU控制部分：根据扭矩信号和车辆的状态，控制EPS助力策略;
预驱和驱动部分：电机驱动部分，提供自我保护功能;
PMSM电机及其他机械部分。

图1.EPS系统框图

硬件设计

18位增强型电机控制定时器TSG3：产生带死区时间的6路互补PWM信号，用来控制PMSM电机等;
12位A/D转换器：用来同步测量相电流和电压等;
TAPA高阻控制：当接收到外部紧急关断信号，或者A/D采样值电流或电压超过极限值时，TAPA控制紧急关断TSG3的PWM输出信号;
ENCA编码器：ENCA可以检测增量式编码器信号，获得电机的位置;
TPBA定时器模式缓冲器：模拟产生旋变编码器的激励信号。

关于电机位置/转速信号的获取，RH850/P1x支持多种方式：如果使用旋变编码器来检测电机位置，可以使用TPBA产生旋变编码器的激励信号，使用A/D采样返回的Sin和Cos信号，通过软件计算获得电机位置信息;如果使用增量式编码器时，可以使用ENCA检测A、B、Z信号，获得电机位置信息;如果使用MR磁阻传感器，可以使用A/D采样Sin和Cos信号，通过计算获得电机位置信息。结合位置信息和时间长度，即可计算得到电机转速值。EPS其他部分的硬件设计，限于篇幅，不在此赘述.

图2.EPS电机控制框图

软件实现

由于RH850/P1x内部集成了多个电机控制相关的硬件模块，且模块间可以通过内部PIC模块实现同步和相互触发的功能，为电机控制的软件实现提供了便利，并大大降低了CPU的负荷。

图3是EPS电机软件控制框图，RH850/P1x提供了控制电机的相关模块，P1x内部高达160 MHz主频的CPU，可以轻松实现PMSM电机的FOC算法。

RH850/P1x内部集成的SENT、CAN等模块，简化了硬件设计，也使软件获取方向盘扭矩、车辆车速等变得很便捷;软件更关注于EPS的电机控制策略和算法，实现自适应控制、阻尼控制、回正控制等，提高稳定性和安全性。

图3.EPS软件控制框图

总结

本文基于瑞萨电子RH850/P1x开发了一种新型EPS电动助力转向平台，给出了其系统方案和软硬件设计过程，客户基于该平台进行产品开发，简化了EPS系统的软硬件设计，降低了产品成本和缩短开发周期，可以使用户将更多的精力集中到EPS算法研究上，在多个车型上得到了应用。

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