汽車電動助力轉向系統的研究與方案

　　表三：2007-2018 全球轉向系統市場分車型預測 （百萬套）
2.電動助力轉向系統的介紹
　　電動助力轉向系統是在傳統機械轉向系統的基礎上發展起來的，它利用電動機產生的動力來幫助駕駛員進行轉向操作。系統主要由三大部分構成：信號傳感裝置（包括扭矩傳感器、方向盤角度傳感器和車速傳感器），電子控制單元和轉向助力機構（電機、離合器、減速傳動機構等）。
　　電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉向盤時，裝在轉向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉向軸上的扭短信號，該信號與車速信號同時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，即選定電動機的電流和轉向，調整轉向輔助動力的大小。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構減速增扭后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與汽車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：電動助力轉向系統的分類
　　管柱助力式EPS系統中將助力電機安裝在管柱上，通過減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動轉向軸助力轉向。這樣的系統結構簡單緊湊、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，直接驅動齒輪實現助力轉向。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慣量太大產生的噪聲。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，所以適用于豪華車和商務車上。
　　無論哪種EPS系統，其要實現的功能大致相同：
　　1.助力控制：在汽車停車及低速行駛時提供較大輔助力矩，使轉向過程快捷輕便的進行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉向過程的可靠與沉穩。
　　2.阻尼控制：利用電機感應電動勢來減弱汽車高速行駛時出現的方向盤抖動現象，目的是提高汽車高速直線行駛穩定性和快速轉向收斂性。
　　3.回正控制：駕駛員松開轉向盤后，隨著作用在轉向盤上的力的減小，轉向盤將在回正力矩的作用下回正。需要防止兩種情況：（1）回正力矩過大，引起轉向盤位置超調；（2）回正力矩過小，轉向盤不能回到中間位置。
　　4.系統通信功能：通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統進行通訊，實現更加復雜的功能。
　　5.系統故障診斷功能：能實時監控整個系統，具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關斷EPS使車輛進入傳統的機械轉向模式。
　　為了實現上述功能，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型非常關鍵。一般來講，常用的EPS助力電機分為直流有刷電機（DC）和直流無刷電機（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）由于技術成熟、控制器簡單、成本低等特點，短時間內仍將在EPS電機中占據主導地位。目前主要應用于低成本的EPS上，代表車型為日系車和國內自主品牌的低端車。
　　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成熟、價格便宜。不過由于其是接觸式測量，使用時間長后容易磨損，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級（-40℃-150℃）的可編程線性霍爾傳感器，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，過壓，輸出短路等）和在線診斷（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擔負著處理傳感器信號、執行控制策略、輸出控制信號驅動電機、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中采用最先進的XC2000系列產品作為主微控制器。XC2000是英飛凌針對汽車電子專門設計的基于130nm技術制造的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架構并進行了改善，最高的時鐘頻率達到80MHz.該架構采用了多路數據總線技術（multiple data buses），大部分指令都能在一個時鐘周期內完成，也支持DSP技術。XC2000的強大的功能和眾多的外設使工程開發人員設計系統時更加游刃有余。XC2000系列產品分成三個子系列，其中XC2300系列是專門針對安全應用開發的，具有反應迅速，高冗余度，高靈活性和穩定可靠的特點。由于DC EPS低成本的要求，英飛凌推薦XC2300中兩款低成本的產品：XC2300D和XC2300S.他們的區別在于XC2300D支持CAN總線通訊，而XC2300S只支持LIN總線通訊。
　　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芯片加上4顆Mosfet來驅動直流有刷電機。對于全橋預驅動芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他們都是內置2個高邊和2個低邊輸出級，可通過輸出0-100%占空比的PWM波控制4顆外接MOS管。它帶有過流，過溫，短路等各類保護和分析功能。他們的區別在于：TLE6282最高工作電壓為60V,且沒有內置運算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V,內置一個高精度的運算放大器，可以顯著地降低系統成本。
　　從整個系統的角度看，本方案所采用的芯片都是專門為汽車應用而設計的，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鉛材料制造，是對環境友好的綠色芯片。
4.英飛凌電動助力轉向系統方案：直流無刷電機
　　雖然直流有刷電機價格比較便宜，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，代表車型為歐美系和國內自主品牌的中高端車型。
　　針對于基于直流無刷電機的EPS系統，英飛凌也有一套非常成熟可靠的方案，見圖三。