基于英飛凌產(chǎn)品的汽車(chē)EPS技術(shù)方案

隨著(zhù)汽車(chē)保有量的不斷增長(cháng)，汽車(chē)排放對環(huán)境的污染被加以越來(lái)越多的重視，而日益嚴格的排放標準的不斷推出更使環(huán)保成為汽車(chē)必須要達成的一個(gè)指標。此外，隨著(zhù)汽車(chē)消費的不斷成熟，消費者也越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)的各種功能性的內在指標。作為傳統液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering，HPS)和電動(dòng)液壓助力轉向系統(Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS)技術(shù)的替代者，電動(dòng)助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)正由于其具有的優(yōu)點(diǎn)而被應用在越來(lái)越多的車(chē)輛中。表1是咨詢(xún)公司Strategy Analytics對中國EPS市場(chǎng)的預測，從中我們可以明顯地看出這種不斷增長(cháng)的趨勢，預計在2010-2017年期間中國的EPS市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率將達到16.9%。

這種不斷增長(cháng)的市場(chǎng)趨勢是由于EPS系統本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)所決定的，這主要表現在：

EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉向特性，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉向穩定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。

EPS只在轉向時(shí)電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統計數字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節油約0.3至0.5升。

EPS電機由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動(dòng)機熄火或出現故障時(shí)也能提供助力。

EPS取消了液壓結構，其零件比HPS大為減少，因而質(zhì)量更輕、結構更緊湊，易于設計和安裝，并能降低噪聲。

EPS易于調整和檢測，可以通過(guò)設置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期。

EPS不存在滲油問(wèn)題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。

EPS比HPS具有更好的低溫工作性能。

可實(shí)現自動(dòng)泊車(chē)系統等輔助功能。

對于EPS需求的增加也促使眾多的企業(yè)和科研單位加大了研發(fā)和生產(chǎn)的投入，從而催生了許多新的EPS系統生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)入市場(chǎng)。這種現象在中國和印度等新興市場(chǎng)表現得尤為明顯。但這些企業(yè)生產(chǎn)EPS產(chǎn)品的歷史都不長(cháng)，所以一個(gè)成熟而可靠的方案對他們來(lái)說(shuō)尤為重要。下面將簡(jiǎn)單介紹一下EPS系統的類(lèi)型、一般結構和特性。

EPS簡(jiǎn)介

EPS是通過(guò)電機的動(dòng)力直接給轉向系統提供輔助扭矩的系統。它依靠檢測發(fā)動(dòng)機，方向盤(pán)，車(chē)速等信息來(lái)判斷并提供合適的轉向助力，使得轉向過(guò)程能夠精確、輕松、安全地完成。

通常來(lái)說(shuō)，根根據電機安裝位置和機械結構的不同，EPS系統可以分為：管柱助力式、小齒輪助力式、雙小齒輪助力式和齒條助力式。圖1給出了各類(lèi)EPS系統的機械機構，輸出力矩和適用車(chē)型的簡(jiǎn)單介紹。

管柱助力式EPS系統將電機安裝在轉向管柱上，通過(guò)減速機構與轉向軸相連，其特點(diǎn)是結構緊湊，所測得的轉矩信號與方向盤(pán)轉矩在同一直線(xiàn)，因此控制電機助力的響應性較好，但對電機的噪聲和震動(dòng)要求較高。另外由于電機、ECU和減速機構都布置在駕駛艙內，電機和ECU的工作環(huán)境較好，且方便發(fā)動(dòng)機艙布置。小齒輪助力式EPS系統將助力電機安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，因此可以提供較大的助力扭矩而適用于稍大的車(chē)型，但由于萬(wàn)向節的存在，會(huì )影響助力控制特性的精確度。雙小齒輪助力式EPS系統由于增加了一對齒輪齒條而能提供比小齒輪助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齒條助力式EPS系統能提供更大的助力，但整套系統結構復雜，成本較高，所以適用于豪華車(chē)和商務(wù)車(chē)上。

各類(lèi)型的EPS系統工作原理基本相同。如圖2所示，通常一個(gè)EPS系統主要由轉向部件、傳感器、電機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。當司機轉向時(shí)，傳感器檢測到方向盤(pán)上的扭矩和轉角的大小，將其轉化為數字信號并傳給電子控制單元，電子控制單元根據這些信號與預先設定的算法計算出最適合當時(shí)行駛工況的輸出力矩，并發(fā)出信號驅動(dòng)電機工作，電機輸出的力矩由傳動(dòng)系統輸給轉向機構而進(jìn)行助力。

為了使這個(gè)轉向的過(guò)程順利實(shí)現，EPS系統需要實(shí)現以下功能：

助力控制：在汽車(chē)停車(chē)及低速行駛時(shí)提供較大輔助力矩，使轉向過(guò)程快捷輕便地進(jìn)行，而在汽車(chē)高速行駛時(shí)提供較小的輔助力矩以保持轉向過(guò)程的可靠與沉穩。

回正控制：確保汽車(chē)從直行狀態(tài)到大角度轉向的過(guò)程中回正力矩相應地逐漸提高。另外，確保汽車(chē)在非轉向狀態(tài)下的直線(xiàn)行駛性能，并防止汽車(chē)在不同車(chē)速下實(shí)現回正時(shí)出現回正不足或回正超調的現象。

阻尼控制：利用電機感應電動(dòng)勢來(lái)減弱汽車(chē)高速行駛時(shí)出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，消除轉向輪因路面不平而引起的方向盤(pán)擺振，并在汽車(chē)高速行駛時(shí)，給轉向過(guò)程增加一定的阻尼，克服轉向發(fā)飄的感覺(jué)。

分析診斷功能：應能實(shí)時(shí)監控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動(dòng)排除時(shí)關(guān)斷EPS使車(chē)輛進(jìn)入傳統的機械轉向模式。

通訊功能：應具有通過(guò)CAN或LIN總線(xiàn)與其他系統進(jìn)行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(主要針對電機控制)的接口。

為實(shí)現上述功能，整個(gè)EPS系統必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統的下列組成部分性能顯得尤為重要：

傳感器：傳感器給EPS系統提供了汽車(chē)行駛狀況的各種必要信息，是系統的感覺(jué)器官，其信號輸出應該盡量準確、高速、簡(jiǎn)潔。EPS系統通常需要方向盤(pán)扭矩傳感器、轉角傳感器(可選)和輪速傳感器的信號。目前通用的傳感器采用模擬信號處理方式，信號輸出精度不高且輸出的信號需要ECU進(jìn)一步處理，增加了ECU的工作負擔，而數字信號傳感器因其可給出ECU直接可用的數字信號，減少了占用的ECU資源，并提高了信號的準確性而被越來(lái)越多的EPS系統采用。

控制策略：傳統的轉向系統主要為駕駛員提供轉向助力，減輕轉向負擔，EPS系統還要解決諸如高速行駛過(guò)程中轉向過(guò)大、回正等影響車(chē)輛穩定性和安全性的問(wèn)題，因而需要一套高效完善的控制策略來(lái)保證其性能。

電子控制單元(ECU)：隨著(zhù)EPS控制策略的不斷完善，對ECU的運算和反應能力都提出了更高的要求，作為EPS系統的核心部件，ECU必須具有：高速處理傳感器信號的能力、高速計算的能力、快速有效執行的能力、處理大電流的能力、與其它系統通訊的能力、系統診斷監控和失效保護性能。

助力電機：由于駕駛員轉向時(shí)的不確定性，EPS系統的助力電機必須具有很高的響應性，能在極短的時(shí)間內執行駕駛員的轉向意圖。由于EPS系統的安裝空間有限，因此助力電機還應具有高比功率、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并具有較小的噪音。此外，因為EPS涉及到汽車(chē)的安全應用，所以助力電機必須要安全可靠、壽命長(cháng)。

機械結構：相比傳統轉向系統，EPS系統采用的是渦輪蝸桿減速機構，且要承受電機輸出的巨大力矩，所以要求系統機械結構具有更高的效率，更好的耐磨性和機械強度。

針對EPS系統的這些要求，為降低亞太區客戶(hù)對EPS系統的開(kāi)發(fā)難度并縮短他們的開(kāi)發(fā)周期，作為英飛凌的一級代理商，北京晶川電子技術(shù)發(fā)展有限責任公司(晶川公司)和英飛凌科技公司決定利用英飛凌公司與世界各主要EPS系統供應商幾十年合作開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗并結合本地區實(shí)際情況合作開(kāi)發(fā)一套高效實(shí)用的參考解決方案。晶川公司和英飛凌公司向客戶(hù)全面提供此套方案供其參考和二次開(kāi)發(fā)。在下面的章節中，我們將對此方案進(jìn)行詳細的介紹。

基于英飛凌產(chǎn)品的汽車(chē)EPS解決方案

作為英飛凌的一級代理商，晶川公司擁有強大的技術(shù)能力，特別是在電機驅動(dòng)方面有著(zhù)豐富的經(jīng)驗。此次與英飛凌的合作主要是借助英飛凌在與世界主要EPS系統供應商合作過(guò)程中的經(jīng)驗，并結合英飛凌全面的產(chǎn)品線(xiàn)，開(kāi)發(fā)出了符合國內及亞太地區需求的EPS系統參考方案。由于運用直流有刷電機的低端EPS系統在亞太區已有較成熟的方案，因此此次開(kāi)發(fā)的參考方案主要針對的是高端的永磁同步電機方案，電機功率可達550瓦，具體方案的框圖如圖3所示。從圖中可以看出，整個(gè)方案分為傳感器、ECU和電機幾個(gè)部分。下面我們將對傳感器和ECU部分予以重點(diǎn)介紹。

1．傳感器

一般來(lái)說(shuō)，采用被動(dòng)回正控制的EPS系統至少需要采集方向盤(pán)扭矩信號、車(chē)速信號、發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火信號和點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號。由于本方案主要面對的是高端應用，增加了主動(dòng)回正控制功能，因而還需要給系統提供方向盤(pán)的轉角信息。

目前國內大部分EPS系統采用的是電位計式扭矩傳感器，輸出為模擬信號，必須要做進(jìn)一步處理且占用單片機A/D轉換口從而占用單片機的資源。在本方案中我們推薦使用2片英飛凌線(xiàn)性霍爾傳感器TLE4998作為扭距傳感器。TLE4998是一款全面采用數字邏輯結構(20位的數字信號處理)，具有數字溫度補償功能的汽車(chē)級(-40℃-150℃)的可編程線(xiàn)性霍爾傳感器，根據需要可輸出SPC(Short PWM Code)、PWM或SENT(Single Edge Nibble Transmission)信號，其中PWM信號具有12位的分辨率，而SPC和SENT信號更具有高達16位的分辨率。此外，TLE4998還帶有各種保護(防反接，過(guò)壓，輸出短路等)和在線(xiàn)診斷(電壓、EEPROM錯誤等)功能，并具有極強的抗應力和抗EMC性能。

本方案中我們推薦使用兩顆英飛凌的TLE5011采用測量相位差的方法來(lái)實(shí)現方向盤(pán)轉交的測量。TLE5011是英飛凌采用GMR(Giant Magneto Resistance)技術(shù)設計的專(zhuān)門(mén)用于角度測量的磁性傳感器。采用該技術(shù)制造的傳感器具有精度高、磁輪間隙小，以及由于傳感器和磁鐵平行放置而可以制成特別小巧的傳感器模塊的特點(diǎn)。TLE5011可以測量0-360°的角度范圍，采用SPI信號直接輸出16位的sine/cosine值，其3線(xiàn)SSC接口擁有最高2Mbps的通訊速率。

EPS系統所需的車(chē)速信號可由ABS系統中的輪速傳感器獲得，而發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火信號和點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號也可通過(guò)LIN總線(xiàn)直接獲取。

鑒于TLE5011輸出的是SPI信號，因此我們在方案設計中將扭矩傳感器和轉角傳感器設計在一個(gè)模塊中，并在該模塊中采用英飛凌的8位單片機XC886LM作為運算單元來(lái)處理傳感器型號并直接得出扭矩和角度信息，因為英飛凌的XC88x系列處理器含有一個(gè)叫做CORDIC的協(xié)處理器，該協(xié)處理器專(zhuān)門(mén)用于計算三角函數，線(xiàn)性函數和雙曲線(xiàn)函數，對于力矩和角度的計算有著(zhù)極高的運算效率。該模塊運算的結果將通過(guò)LIN總線(xiàn)傳輸給ECU主控制器。

2．電子控制單元(ECU)

ECU擔負著(zhù)處理傳感器信號、執行控制策略、輸出控制信號驅動(dòng)電機、系統監控診斷和通訊的重任，是系統的核心部件。由于本方案要控制的是永磁同步電機，其控制算法需要采用空間矢量控制算法，因而對控制器的計算精度和速度都提出了較高的要求。為保證其能準確高效地完成任務(wù)，在這個(gè)方案中，我們采用了英飛凌最先進(jìn)的XC2000系列產(chǎn)品作為主微控制器。XC2000是英飛凌針對汽車(chē)電子專(zhuān)門(mén)設計的基于130nm技術(shù)制造的16位微控制器系列并具有執行某些32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構并進(jìn)行了改善，最高的時(shí)鐘頻率達到80MHz。該架構采用了多路數據總線(xiàn)技術(shù)，大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，也支持DSP技術(shù)。XC2000的強大功能和眾多外設使工程開(kāi)發(fā)人員在設計系統時(shí)更加游刃有余。XC2000系列產(chǎn)品分成三個(gè)子系列，其中XC2300系列是專(zhuān)門(mén)針對安全應用開(kāi)發(fā)的，具有反應迅速、高冗余度、高靈活性和穩定可靠的特點(diǎn)。

本方案中采用的XC2336B是英飛凌最新的微控制器，擁有一個(gè)帶五級流水線(xiàn)的最高80MHz時(shí)鐘頻率的高性能CPU并擁有一個(gè)保護數據不被非法訪(fǎng)問(wèn)的Memory Protection Unit(MPU)。它具有不同類(lèi)型的片上存儲模塊(8k stand-by RAM，2k dual-port RAM，最高16k data SRAM，最高16k program/data SRAM和最高320k program flash memory)，并使用硬件CRC檢測和ECC碼來(lái)發(fā)現數據錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多外設模塊可靈活地滿(mǎn)足各種不同的需求，擁有2個(gè)可擴展為9路的10位分辨率的同步A/D轉換器、16路通用捕捉/比較單元、兩路帶PWM產(chǎn)生器的捕捉/比較單元、5個(gè)定時(shí)器、40路通用I/O接口、多路CAN接口等等，并可通過(guò)DAP和JTAG接口進(jìn)行片上調試。此外，它還帶有看門(mén)狗和晶振看門(mén)狗來(lái)保證控制器的正常運行。該芯片的體積十分小巧，采用了64管腳的綠色LQFP封裝，并具有節能的喚醒模式。

除了主微控制器外，這個(gè)方案還使用了一顆英飛凌的8位微控制器XC836MT作為備份微控制器。這是一顆具有8051內核的微控制器，它最主要的作用是對主微控制器進(jìn)行監控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車(chē)進(jìn)入機械轉向狀態(tài)，避免汽車(chē)失控而引發(fā)危險。

在該方案中，作為電源芯片的是一顆低壓差輸出穩壓器TLE42764D V50。它的輸出電壓在2.5V到20V之間，可調或可作精度為2%的5V固定輸出，輸出電流最大為400mA。它具有過(guò)溫、反接、短路等一系列保護，并可通過(guò)Enable來(lái)關(guān)斷使關(guān)斷電流降到10μA以下。

為配合系統中傳感器使用的要求，該方案使用了電壓跟隨器TLE4250-2G作為傳感器的電源。它具有較低的成本，能有效防止傳感器短路對微控制器產(chǎn)生沖擊。該芯片采用很小的SMD封裝。具有較寬的輸入電壓范圍，能輸出最大50毫安的電流，并對過(guò)溫、反接、短路等作了保護。

針對EPS系統中最重要的電機控制，我們采用了英飛凌的TLE7183QU這顆專(zhuān)門(mén)的大電流三相電機驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)本方案中的永磁同步電機。TLE7183QU的三個(gè)高邊和三個(gè)低邊輸出級可通過(guò)輸出0-100%占空比的最高30kHz的PWM波控制6到12顆外接MOS管。它帶有過(guò)流、過(guò)溫、短路等各類(lèi)保護和分析功能并具有關(guān)斷和睡眠兩種模式。整個(gè)產(chǎn)品使用48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，從而保證了系統良好的散熱性能和焊接的便利性。為利用矢量控制算法精確地控制電機，我們采用兩個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機的兩相電流，并利用TLE7183QU自帶的一路運放作整體電流保護。

隨著(zhù)自動(dòng)泊車(chē)系統等高端應用的不斷推廣，EPS系統和其它系統的通訊變得越來(lái)越緊密，為滿(mǎn)足系統間通訊的需求，本方案中采用了CAN收發(fā)器TLE6250(或TLE6251)和LIN收發(fā)器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有CAN收發(fā)器的普通功能外，還具有行業(yè)領(lǐng)先的靜電保護和抗電磁干擾性。TLE6251則具有極全面的失效分析檢測功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2、1.3和2.0 LIN規范，休眠功耗也很低。

此外，在本方案中我們還采用了EPCOS的一些被動(dòng)器件來(lái)實(shí)現一些輔助功能，具體來(lái)說(shuō)，我們采用了它的電解電容B41866C6107M000和電感T6174來(lái)做電源的濾波電路，實(shí)現輸入電源的穩定性，并利用電解電容B41695A7228Q007作為電機的供電母線(xiàn)的紋波吸收電容。此外，EPCOS的熱敏電阻B57702-M103-J被黏貼固定到MOS管上測量其溫度以防止系統過(guò)熱引起的故障。

從整個(gè)系統的角度看，本方案所采用的芯片都是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應用而設計的，具有至少-40至125℃的應用溫度范圍，并有很強的靜電保護和抗電磁干擾性能。此外，這些芯片大多采用無(wú)鉛材料制造，是對環(huán)境友好的綠色芯片。

本方案是我們針對亞太區新興市場(chǎng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，均衡了性能、成本、開(kāi)發(fā)難度等各種因素，使其適應本地區客戶(hù)的需求。從全球范圍來(lái)看，EPS系統正經(jīng)歷著(zhù)快速的發(fā)展，一些全球領(lǐng)先的供應商已經(jīng)推出了更先進(jìn)的方案，下面我們將對此做簡(jiǎn)單介紹。

新型EPS系統的發(fā)展方向

EPS系統的發(fā)展方向是小型化和高度集成化，所以將EPS控制器集成到EPS電機中成為一個(gè)通用的解決方案。目前全球領(lǐng)先的EPS系統供應商幾乎都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這樣的方案。其主要的特點(diǎn)就是將所有的元器件采用裸片的形式排布在一塊或兩塊陶瓷板上，并將陶瓷板安放到驅動(dòng)電機的后蓋中。圖4即為英飛凌為客戶(hù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成方案的結構示意圖。

我們可以看到，在該方案中所有的芯片被排布在兩塊陶瓷板上，一塊上安放了所有的電源、微控制器和MOS管驅動(dòng)芯片等芯片，另一塊上則集中安放MOS管和一個(gè)電感，并做了增強的散熱設計。此類(lèi)方案的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，整個(gè)電子控制單元被集成到電機后蓋中，體積小、連接線(xiàn)少，充分利用了電機后蓋散熱，系統的可靠性較好。但對于亞太區新興市場(chǎng)的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，由于他們的終端客戶(hù)群普遍比較小，且本身技術(shù)力量較為薄弱，所以該方案的實(shí)施尚有較大難度，主要是在以下幾個(gè)方面：

該方案需得到芯片廠(chǎng)及電機廠(chǎng)的配合，包括芯片和電機的定制都需要較大的投入，這對亞太區絕大部分客戶(hù)來(lái)說(shuō)意味著(zhù)前期高額的研發(fā)支出，在沒(méi)有較大客戶(hù)群支撐的情況下，項目風(fēng)險太大；由于涉及到芯片和電機的定制，故要求開(kāi)發(fā)者有極強的系統知識，且經(jīng)常涉及到整車(chē)廠(chǎng)的參與，而亞太區的客戶(hù)則大部分進(jìn)入行業(yè)不久，其本身的技術(shù)積累還不足以參與到這樣的設計中去；該方案需要陶瓷貼片技術(shù)和裸片的引線(xiàn)技術(shù)，目前，在亞太區也很少有貼片廠(chǎng)擁有這樣成熟的處理技術(shù)。

正是考慮到這些因素，本文介紹的基于英飛凌產(chǎn)品的EPS方案是切合實(shí)際且具有很高性?xún)r(jià)比的方案。

本文小結

EPS的使用正變得越來(lái)越廣泛，特別在亞太區新興市場(chǎng)，其市場(chǎng)總量和年增長(cháng)率正變得越來(lái)越引人注目。本文介紹的基于英飛凌產(chǎn)品的EPS技術(shù)方案具有功能全面、性能可靠、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，可以幫助汽車(chē)系統供應商縮短研發(fā)進(jìn)程，減少研發(fā)成本，以較快的速度切入市場(chǎng)并以令人信服的產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，作為英飛凌的一級代理商，晶川公司將和英飛凌一起竭盡所能地協(xié)助客戶(hù)達成這一宏偉目標。