基于ST意法半導體SPC560P34的EPS轉向助力系統方案

汽車(chē)方向盤(pán)轉向系統，從上世紀50年代到本世紀初，經(jīng)歷了翻天覆地的革新和變化。

最早是純機械轉向，駕駛員打轉車(chē)輪需要克服前輪帶來(lái)的強大摩擦力力，使得駕駛機動(dòng)車(chē)十分吃力。上世紀50年代，液壓助力（HPS）轉向系統應用在汽車(chē)上，標志著(zhù)轉向助力的開(kāi)始。在HPS助力下，駕乘體驗有了質(zhì)的飛越，但是HPS弱點(diǎn)在于成本高、維修難且增加油耗。后來(lái)又經(jīng)幾代人的努力，轉向系統從液壓助力（HPS）到電子液壓助力（EHPS），再到如今的純電動(dòng)轉向助力（electrical  power steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS），80年代，日本鈴木首先在其車(chē)型上使用EPS轉向助力，標志著(zhù)電動(dòng)時(shí)代的來(lái)臨。如今，幾乎所有乘用車(chē)都采用EPS轉向助力。它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

● 動(dòng)力來(lái)源于電機，轉換效率高

● 隨車(chē)速調節助力大小、操控舒適、穩定

● 實(shí)現方向盤(pán)主動(dòng)回正，且可通過(guò)CAN總線(xiàn)與車(chē)身其它部件組成車(chē)聯(lián)系統，是智能駕駛、泊車(chē)的先驅

● 節約油耗3%~5%

● 正常情況下無(wú)需更換零部件，終生不維修

一款基于ST PowerPC SPC560P34L1以及predriver L9907, 低壓MOSFET STP120N4F6等的EPS電機驅動(dòng)板設計方案：

1、硬件原理

EPS電機驅動(dòng)板硬件主要分以下幾塊：

① 主控MCU：本方案采用ST PowerPC SPC560P34L1，是核心算力器件。負責對外部扭力傳感器信號、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速信號采集，同時(shí)計算驅動(dòng)策略和PID控制算法。

②驅動(dòng)部分：ST L9907具備三相predriver，H橋（DC電機驅動(dòng)）或3H橋（BLDC或PMSM電機驅動(dòng)）構架，同時(shí)具備SPI配置、校準和信息反饋，內置運放，可直接抓取來(lái)自電機的電流。配合低壓MOSFET STP120N4F6，組成一套完整的電機驅動(dòng)/反饋電路。

③ 電源系統：ST PM芯片L9777A可提供2路5V DC隔離輸出，一路供給內部邏輯電源，另一路供給外部sensor，這樣外部尖峰浪涌不易影響到板內元器件，以應對車(chē)載復雜的電源條件。

④輔助MCU：增加一顆汽車(chē)級8bit MCU STM8AF6223，做整機電源管理和策略監控，一旦遇到故障，可以采取必要的應對措施，以保護車(chē)輛和駕乘人員安全。

2、軟件策略

“隨速助力”永遠是EPS控制的核心算法。它有兩層意思，包括：

①電機需要跟隨駕駛員轉向意圖和轉向速度，提供相同方向矢量的助力。這需要實(shí)時(shí)分析扭矩傳感器信號并快速計算出PID控制策略。

②在不同車(chē)速下，電機提供助力的扭矩是不一樣的，理論上車(chē)速越快，所提供的助力越小。車(chē)速超過(guò)60~80Km/h，電機甚至需要提供阻尼以應對方向盤(pán)過(guò)輕、跑偏的狀況。這使得整個(gè)助力是一個(gè)變化的曲線(xiàn)，需要優(yōu)秀的控制算法。

③ 核心PID以及閉環(huán)控制算法：通過(guò)數學(xué)工程PID算法、以及做電流閉環(huán)、扭力閉環(huán)控制，是電機控制策略的核心關(guān)鍵。優(yōu)秀的算法，往往可以使電機驅動(dòng)更平滑、助力迅速跟上但不超調，駕駛體驗非常好。

3、試驗臺架與人機界面

試驗臺和人機界面是必不可少的調試設備，有助于開(kāi)發(fā)者模擬實(shí)際轉向，在仿真情況下調試PID參數和修正電控策略。

產(chǎn)品實(shí)體圖

方案方塊圖