基于英飛凌產(chǎn)品的汽車(chē)EPS技術(shù)方案設計

　　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。