汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統的研究與方案

　　表三：2007-2018 全球轉向系統市場(chǎng)分車(chē)型預測 （百萬(wàn)套）
2.電動(dòng)助力轉向系統的介紹
　　電動(dòng)助力轉向系統是在傳統機械轉向系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它利用電動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉向操作。系統主要由三大部分構成：信號傳感裝置（包括扭矩傳感器、方向盤(pán)角度傳感器和車(chē)速傳感器），電子控制單元和轉向助力機構（電機、離合器、減速傳動(dòng)機構等）。
　　電動(dòng)機僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉向盤(pán)時(shí)，裝在轉向盤(pán)軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉向軸上的扭短信號，該信號與車(chē)速信號同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機的電流和轉向，調整轉向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機的扭矩由電磁離合器通過(guò)減速機構減速增扭后，加在汽車(chē)的轉向機構上，使之得到一個(gè)與汽車(chē)工況相適應的轉向作用力。
　　根據電機安裝位置和機械結構的不同，電動(dòng)助力轉向系統系統可以分為：管柱助力式（Column Mounted），小齒輪助力式（Pinion mounted），雙小齒輪助力式（2xPinion mounted）和齒條助力式（Rack mounted）。具體的如下圖一所示：

　　圖一：電動(dòng)助力轉向系統的分類(lèi)
　　管柱助力式EPS系統中將助力電機安裝在管柱上，通過(guò)減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動(dòng)轉向軸助力轉向。這樣的系統結構簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，但由于助力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛上。小齒輪助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構與小齒輪相連，直接驅動(dòng)齒輪實(shí)現助力轉向。由于助力電機不是安裝在乘客艙內，因此可以使用較大的電機以獲得較高的助力扭矩，而不必擔心電機轉動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。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系統中將助力電機和減速增扭機構直接驅動(dòng)齒條提供助力，因此能提供更大的助力，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。
　　無(wú)論哪種EPS系統，其要實(shí)現的功能大致相同：
　　1.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)程快捷輕便的進(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。
　　2.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，目的是提高汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛穩定性和快速轉向收斂性。
　　3.回正控制：駕駛員松開(kāi)轉向盤(pán)后，隨著(zhù)作用在轉向盤(pán)上的力的減小，轉向盤(pán)將在回正力矩的作用下回正。需要防止兩種情況：（1）回正力矩過(guò)大，引起轉向盤(pán)位置超調；（2）回正力矩過(guò)小，轉向盤(pán)不能回到中間位置。
　　4.系統通信功能：通過(guò)CAN/LIN總線(xiàn)與其他汽車(chē)控制系統進(jìn)行通訊，實(shí)現更加復雜的功能。
　　5.系統故障診斷功能：能實(shí)時(shí)監控整個(gè)系統，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。
　　為了實(shí)現上述功能，軟硬件的選擇就非常重要。從半導體供應商的角度，EPS系統中選擇的助力電機的類(lèi)型非常關(guān)鍵。一般來(lái)講，常用的EPS助力電機分為直流有刷電機（DC）和直流無(wú)刷電機（BLDC）兩種。針對這兩種電機，英飛凌都有相應的全套解決方案。
3.英飛凌電動(dòng)助力轉向系統方案：直流有刷電機
　　直流有刷電機（DC）由于技術(shù)成熟、控制器簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，短時(shí)間內仍將在EPS電機中占據主導地位。目前主要應用于低成本的EPS上，代表車(chē)型為日系車(chē)和國內自主品牌的低端車(chē)。
　　針對于基于直流有刷電機的EPS系統，英飛凌提出一套非常成熟可靠的方案，見(jiàn)圖二。

　　圖二：英飛凌基于直流有刷電機的EPS方案
1.傳感器
　　EPS系統中最重要的輸入信號就是方向盤(pán)的扭矩，因此扭矩傳感器的選擇非常重要。目前國內大部分EPS系統采用的是電位計式扭矩傳感器，最主要的原因是技術(shù)成熟、價(jià)格便宜。不過(guò)由于其是接觸式測量，使用時(shí)間長(cháng)后容易磨損，導致測量值不準確，并且其信號的一致性與精確度都不高。
　　因此英飛凌推薦使用2片線(xiàn)性霍爾傳感器TLE4998/TLE4997作為扭距傳感器。TLE4998是一款全面采用數字邏輯結構（20 bit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。TLE4997與TLE4998最大的區別在于其只支持模擬接口。

　　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。
　　作為ECU中的核心元器件，主微控制器（MCU）需要高性能和高可靠性。英飛凌推薦在EPS中采用最先進(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)（multiple data buses），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的強大的功能和眾多的外設使工程開(kāi)發(fā)人員設計系統時(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)。由于DC EPS低成本的要求，英飛凌推薦XC2300中兩款低成本的產(chǎn)品：XC2300D和XC2300S.他們的區別在于XC2300D支持CAN總線(xiàn)通訊，而XC2300S只支持LIN總線(xiàn)通訊。
　　針對EPS系統中最重要的電機控制，英飛凌提供的方案是全橋預驅動(dòng)芯片加上4顆Mosfet來(lái)驅動(dòng)直流有刷電機。對于全橋預驅動(dòng)芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他們都是內置2個(gè)高邊和2個(gè)低邊輸出級，可通過(guò)輸出0-100%占空比的PWM波控制4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。他們的區別在于：TLE6282最高工作電壓為60V,且沒(méi)有內置運算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V,內置一個(gè)高精度的運算放大器，可以顯著(zhù)地降低系統成本。
　　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-40-125℃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。
4.英飛凌電動(dòng)助力轉向系統方案：直流無(wú)刷電機
　　雖然直流有刷電機價(jià)格比較便宜，但是其電刷易磨損、功率密度較低、換向器的電火花容易產(chǎn)生電磁干擾，尤其是其控制策略的限制造成手感不好，因此直流無(wú)刷電機（BLDC）也逐漸應用于EPS中。目前主要應用于中高端的EPS上，代表車(chē)型為歐美系和國內自主品牌的中高端車(chē)型。
　　針對于基于直流無(wú)刷電機的EPS系統，英飛凌也有一套非常成熟可靠的方案，見(jiàn)圖三。