基于英飞凌产品的汽车EPS技术方案

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随着汽车保有量的不断增长，汽车排放对环境的污染被加以越来越多的重视，而日益严格的排放标准的不断推出更使环保成为汽车必须要达成的一个指标。此外，随着汽车消费的不断成熟，消费者也越来越关注汽车的各种功能性的内在指标。作为传统液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)和电动液压助力转向系统(Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS)技术的替代者，电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)正由于其具有的优点而被应用在越来越多的车辆中。表1是咨询公司Strategy Analytics对中国EPS市场的预测，从中我们可以明显地看出这种不断增长的趋势，预计在2010-2017年期间中国的EPS市场的年复合增长率将达到16.9%。
  

这种不断增长的市场趋势是由于EPS系统本身具有的诸多优点所决定的，这主要表现在：
EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小扰动，改善汽车的转向特性，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。
EPS只在转向时电机才提供助力，因而能减少燃料消耗。统计数字表明，与HPS相比，EPS每百公里可节油约0.3至0.5升。
EPS电机由蓄电池供电，因此即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。
EPS取消了液压结构，其零件比HPS大为减少，因而质量更轻、结构更紧凑，易于设计和安装，并能降低噪声。
EPS易于调整和检测，可以通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。
EPS不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染，改善了环保性。
EPS比HPS具有更好的低温工作性能。
可实现自动泊车系统等辅助功能。
对于EPS需求的增加也促使众多的企业和科研单位加大了研发和生产的投入，从而催生了许多新的EPS系统生产企业进入市场。这种现象在中国和印度等新兴市场表现得尤为明显。但这些企业生产EPS产品的历史都不长，所以一个成熟而可靠的方案对他们来说尤为重要。下面将简单介绍一下EPS系统的类型、一般结构和特性。
EPS简介
EPS是通过电机的动力直接给转向系统提供辅助扭矩的系统。它依靠检测发动机，方向盘，车速等信息来判断并提供合适的转向助力，使得转向过程能够精确、轻松、安全地完成。
通常来说，根根据电机安装位置和机械结构的不同，EPS系统可以分为：管柱助力式、小齿轮助力式、双小齿轮助力式和齿条助力式。图1给出了各类EPS系统的机械机构，输出力矩和适用车型的简单介绍。

  
管柱助力式EPS系统将电机安装在转向管柱上，通过减速机构与转向轴相连，其特点是结构紧凑，所测得的转矩信号与方向盘转矩在同一直线，因此控制电机助力的响应性较好，但对电机的噪声和震动要求较高。另外由于电机、ECU和减速机构都布置在驾驶舱内，电机和ECU的工作环境较好，且方便发动机舱布置。小齿轮助力式EPS系统将助力电机安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，因此可以提供较大的助力扭矩而适用于稍大的车型，但由于万向节的存在，会影响助力控制特性的精确度。双小齿轮助力式EPS系统由于增加了一对齿轮齿条而能提供比小齿轮助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齿条助力式EPS系统能提供更大的助力，但整套系统结构复杂，成本较高，所以适用于豪华车和商务车上。
各类型的EPS系统工作原理基本相同。如图2所示，通常一个EPS系统主要由转向部件、传感器、电机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。当司机转向时，传感器检测到方向盘上的扭矩和转角的大小，将其转化为数字信号并传给电子控制单元，电子控制单元根据这些信号与预先设定的算法计算出最适合当时行驶工况的输出力矩，并发出信号驱动电机工作，电机输出的力矩由传动系统输给转向机构而进行助力。

  
为了使这个转向的过程顺利实现，EPS系统需要实现以下功能：
助力控制：在汽车停车及低速行驶时提供较大辅助力矩，使转向过程快捷轻便地进行，而在汽车高速行驶时提供较小的辅助力矩以保持转向过程的可靠与沉稳。
回正控制：确保汽车从直行状态到大角度转向的过程中回正力矩相应地逐渐提高。另外，确保汽车在非转向状态下的直线行驶性能，并防止汽车在不同车速下实现回正时出现回正不足或回正超调的现象。
阻尼控制：利用电机感应电动势来减弱汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，消除转向轮因路面不平而引起的方向盘摆振，并在汽车高速行驶时，给转向过程增加一定的阻尼，克服转向发飘的感觉。
分析诊断功能：应能实时监控运行状态，并具有故障报警和提示功能，在故障不能自动排除时关断EPS使车辆进入传统的机械转向模式。
通讯功能：应具有通过CAN或LIN总线与其他系统进行通讯的能力，并具有可以更改主要参数(主要针对电机控制)的接口。
为实现上述功能，整个EPS系统必须高效快速地协同工作，因此，系统的下列组成部分性能显得尤为重要：
传感器：传感器给EPS系统提供了汽车行驶状况的各种必要信息，是系统的感觉器官，其信号输出应该尽量准确、高速、简洁。EPS系统通常需要方向盘扭矩传感器、转角传感器(可选)和轮速传感器的信号。目前通用的传感器采用模拟信号处理方式，信号输出精度不高且输出的信号需要ECU进一步处理，增加了ECU的工作负担，而数字信号传感器因其可给出ECU直接可用的数字信号，减少了占用的ECU资源，并提高了信号的准确性而被越来越多的EPS系统采用。
控制策略：传统的转向系统主要为驾驶员提供转向助力，减轻转向负担，EPS系统还要解决诸如高速行驶过程中转向过大、回正等影响车辆稳定性和安全性的问题，因而需要一套高效完善的控制策略来保证其性能。
电子控制单元(ECU)：随着EPS控制策略的不断完善，对ECU的运算和反应能力都提出了更高的要求，作为EPS系统的核心部件，ECU必须具有：高速处理传感器信号的能力、高速计算的能力、快速有效执行的能力、处理大电流的能力、与其它系统通讯的能力、系统诊断监控和失效保护性能。
助力电机：由于驾驶员转向时的不确定性，EPS系统的助力电机必须具有很高的响应性，能在极短的时间内执行驾驶员的转向意图。由于EPS系统的安装空间有限，因此助力电机还应具有高比功率、质量轻的特点，并具有较小的噪音。此外，因为EPS涉及到汽车的安全应用，所以助力电机必须要安全可靠、寿命长。
机械结构：相比传统转向系统，EPS系统采用的是涡轮蜗杆减速机构，且要承受电机输出的巨大力矩，所以要求系统机械结构具有更高的效率，更好的耐磨性和机械强度。
针对EPS系统的这些要求，为降低亚太区客户对EPS系统的开发难度并缩短他们的开发周期，作为英飞凌的一级代理商，北京晶川电子技术发展有限责任公司(晶川公司)和英飞凌科技公司决定利用英飞凌公司与世界各主要EPS系统供应商几十年合作开发的成功经验并结合本地区实际情况合作开发一套高效实用的参考解决方案。晶川公司和英飞凌公司向客户全面提供此套方案供其参考和二次开发。在下面的章节中，我们将对此方案进行详细的介绍。

基于英飞凌产品的汽车EPS解决方案
作为英飞凌的一级代理商，晶川公司拥有强大的技术能力，特别是在电机驱动方面有着丰富的经验。此次与英飞凌的合作主要是借助英飞凌在与世界主要EPS系统供应商合作过程中的经验，并结合英飞凌全面的产品线，开发出了符合国内及亚太地区需求的EPS系统参考方案。由于运用直流有刷电机的低端EPS系统在亚太区已有较成熟的方案，因此此次开发的参考方案主要针对的是高端的永磁同步电机方案，电机功率可达550瓦，具体方案的框图如图3所示。从图中可以看出，整个方案分为传感器、ECU和电机几个部分。下面我们将对传感器和ECU部分予以重点介绍。


1．传感器
一般来说，采用被动回正控制的EPS系统至少需要采集方向盘扭矩信号、车速信号、发动机点火信号和点火开关信号。由于本方案主要面对的是高端应用，增加了主动回正控制功能，因而还需要给系统提供方向盘的转角信息。
目前国内大部分EPS系统采用的是电位计式扭矩传感器，输出为模拟信号，必须要做进一步处理且占用单片机A/D转换口从而占用单片机的资源。在本方案中我们推荐使用2片英飞凌线性霍尔传感器TLE4998作为扭距传感器。TLE4998是一款全面采用数字逻辑结构(20位的数字信号处理)，具有数字温度补偿功能的汽车级(-40℃-150℃)的可编程线性霍尔传感器，根据需要可输出SPC(Short PWM Code)、PWM或SENT(Single Edge Nibble Transmission)信号，其中PWM信号具有12位的分辨率，而SPC和SENT信号更具有高达16位的分辨率。此外，TLE4998还带有各种保护(防反接，过压，输出短路等)和在线诊断(电压、EEPROM错误等)功能，并具有极强的抗应力和抗EMC性能。
本方案中我们推荐使用两颗英飞凌的TLE5011采用测量相位差的方法来实现方向盘转交的测量。TLE5011是英飞凌采用GMR(Giant Magneto Resistance)技术设计的专门用于角度测量的磁性传感器。采用该技术制造的传感器具有精度高、磁轮间隙小，以及由于传感器和磁铁平行放置而可以制成特别小巧的传感器模块的特点。TLE5011可以测量0-360°的角度范围，采用SPI信号直接输出16位的sine/cosine值，其3线SSC接口拥有最高2Mbps的通讯速率。
EPS系统所需的车速信号可由ABS系统中的轮速传感器获得，而发动机点火信号和点火开关信号也可通过LIN总线直接获取。
鉴于TLE5011输出的是SPI信号，因此我们在方案设计中将扭矩传感器和转角传感器设计在一个模块中，并在该模块中采用英飞凌的8位单片机XC886LM作为运算单元来处理传感器型号并直接得出扭矩和角度信息，因为英飞凌的XC88x系列处理器含有一个叫做CORDIC的协处理器，该协处理器专门用于计算三角函数，线性函数和双曲线函数，对于力矩和角度的计算有着极高的运算效率。该模块运算的结果将通过LIN总线传输给ECU主控制器。
2．电子控制单元(ECU)
ECU担负着处理传感器信号、执行控制策略、输出控制信号驱动电机、系统监控诊断和通讯的重任，是系统的核心部件。由于本方案要控制的是永磁同步电机，其控制算法需要采用空间矢量控制算法，因而对控制器的计算精度和速度都提出了较高的要求。为保证其能准确高效地完成任务，在这个方案中，我们采用了英飞凌最先进的XC2000系列产品作为主微控制器。XC2000是英飞凌针对汽车电子专门设计的基于130nm技术制造的16位微控制器系列并具有执行某些32位指令的能力。它采用了英飞凌成熟的C166S-V2架构并进行了改善，最高的时钟频率达到80MHz。该架构采用了多路数据总线技术，大部分指令都能在一个时钟周期内完成，也支持DSP技术。XC2000的强大功能和众多外设使工程开发人员在设计系统时更加游刃有余。XC2000系列产品分成三个子系列，其中XC2300系列是专门针对安全应用开发的，具有反应迅速、高冗余度、高灵活性和稳定可靠的特点。
本方案中采用的XC2336B是英飞凌最新的微控制器，拥有一个带五级流水线的最高80MHz时钟频率的高性能CPU并拥有一个保护数据不被非法访问的Memory Protection Unit(MPU)。它具有不同类型的片上存储模块(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检测和ECC码来发现数据错误并能纠正单位错误。它的众多外设模块可灵活地满足各种不同的需求，拥有2个可扩展为9路的10位分辨率的同步A/D转换器、16路通用捕捉/比较单元、两路带PWM产生器的捕捉/比较单元、5个定时器、40路通用I/O接口、多路CAN接口等等，并可通过DAP和JTAG接口进行片上调试。此外，它还带有看门狗和晶振看门狗来保证控制器的正常运行。该芯片的体积十分小巧，采用了64管脚的绿色LQFP封装，并具有节能的唤醒模式。
除了主微控制器外，这个方案还使用了一颗英飞凌的8位微控制器XC836MT作为备份微控制器。这是一颗具有8051内核的微控制器，它最主要的作用是对主微控制器进行监控并在主微控制器失效的情况下切断EPS使汽车进入机械转向状态，避免汽车失控而引发危险。
在该方案中，作为电源芯片的是一颗低压差输出稳压器TLE42764D V50。它的输出电压在2.5V到20V之间，可调或可作精度为2%的5V固定输出，输出电流最大为400mA。它具有过温、反接、短路等一系列保护，并可通过Enable来关断使关断电流降到10μA以下。
为配合系统中传感器使用的要求，该方案使用了电压跟随器TLE4250-2G作为传感器的电源。它具有较低的成本，能有效防止传感器短路对微控制器产生冲击。该芯片采用很小的SMD封装。具有较宽的输入电压范围，能输出最大50毫安的电流，并对过温、反接、短路等作了保护。
针对EPS系统中最重要的电机控制，我们采用了英飞凌的TLE7183QU这颗专门的大电流三相电机驱动芯片来驱动本方案中的永磁同步电机。TLE7183QU的三个高边和三个低边输出级可通过输出0-100%占空比的最高30kHz的PWM波控制6到12颗外接MOS管。它带有过流、过温、短路等各类保护和分析功能并具有关断和睡眠两种模式。整个产品使用48管脚的带外置散热片的TQFP封装，从而保证了系统良好的散热性能和焊接的便利性。为利用矢量控制算法精确地控制电机，我们采用两个采样电阻来采集电机的两相电流，并利用TLE7183QU自带的一路运放作整体电流保护。
随着自动泊车系统等高端应用的不断推广，EPS系统和其它系统的通讯变得越来越紧密，为满足系统间通讯的需求，本方案中采用了CAN收发器TLE6250(或TLE6251)和LIN收发器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有CAN收发器的普通功能外，还具有行业领先的静电保护和抗电磁干扰性。TLE6251则具有极全面的失效分析检测功能和极低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2、1.3和2.0 LIN规范，休眠功耗也很低。
此外，在本方案中我们还采用了EPCOS的一些被动器件来实现一些辅助功能，具体来说，我们采用了它的电解电容B41866C6107M000和电感T6174来做电源的滤波电路，实现输入电源的稳定性，并利用电解电容B41695A7228Q007作为电机的供电母线的纹波吸收电容。此外，EPCOS的热敏电阻B57702-M103-J被黏贴固定到MOS管上测量其温度以防止系统过热引起的故障。
从整个系统的角度看，本方案所采用的芯片都是专门为汽车应用而设计的，具有至少-40至125℃的应用温度范围，并有很强的静电保护和抗电磁干扰性能。此外，这些芯片大多采用无铅材料制造，是对环境友好的绿色芯片。
本方案是我们针对亚太区新兴市场专门开发的，均衡了性能、成本、开发难度等各种因素，使其适应本地区客户的需求。从全球范围来看，EPS系统正经历着快速的发展，一些全球领先的供应商已经推出了更先进的方案，下面我们将对此做简单介绍。
新型EPS系统的发展方向
EPS系统的发展方向是小型化和高度集成化，所以将EPS控制器集成到EPS电机中成为一个通用的解决方案。目前全球领先的EPS系统供应商几乎都已经开发出了这样的方案。其主要的特点就是将所有的元器件采用裸片的形式排布在一块或两块陶瓷板上，并将陶瓷板安放到驱动电机的后盖中。图4即为英飞凌为客户开发的一个集成方案的结构示意图。

  
我们可以看到，在该方案中所有的芯片被排布在两块陶瓷板上，一块上安放了所有的电源、微控制器和MOS管驱动芯片等芯片，另一块上则集中安放MOS管和一个电感，并做了增强的散热设计。此类方案的优点是显而易见的，整个电子控制单元被集成到电机后盖中，体积小、连接线少，充分利用了电机后盖散热，系统的可靠性较好。但对于亚太区新兴市场的客户来说，由于他们的终端客户群普遍比较小，且本身技术力量较为薄弱，所以该方案的实施尚有较大难度，主要是在以下几个方面：
该方案需得到芯片厂及电机厂的配合，包括芯片和电机的定制都需要较大的投入，这对亚太区绝大部分客户来说意味着前期高额的研发支出，在没有较大客户群支撑的情况下，项目风险太大；由于涉及到芯片和电机的定制，故要求开发者有极强的系统知识，且经常涉及到整车厂的参与，而亚太区的客户则大部分进入行业不久，其本身的技术积累还不足以参与到这样的设计中去；该方案需要陶瓷贴片技术和裸片的引线技术，目前，在亚太区也很少有贴片厂拥有这样成熟的处理技术。
正是考虑到这些因素，本文介绍的基于英飞凌产品的EPS方案是切合实际且具有很高性价比的方案。
本文小结
EPS的使用正变得越来越广泛，特别在亚太区新兴市场，其市场总量和年增长率正变得越来越引人注目。本文介绍的基于英飞凌产品的EPS技术方案具有功能全面、性能可靠、性价比高的优点，可以帮助汽车系统供应商缩短研发进程，减少研发成本，以较快的速度切入市场并以令人信服的产品占领市场，作为英飞凌的一级代理商，晶川公司将和英飞凌一起竭尽所能地协助客户达成这一宏伟目标。