隨著汽車保有量的不斷增長，汽車排放對環(huán)境的污染被加以越來越多的重視，而日益嚴格的排放標準的不斷推出更使環(huán)保成為汽車必須要達成的一個指標。此外，隨著汽車消費的不斷成熟，消費者也越來越關注汽車的各種功能性的內在指標。作為傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，HPS)和電動液壓助力轉向系統(tǒng)(Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS)技術的替代者，電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)正由于其具有的優(yōu)點而被應用在越來越多的車輛中。表1是咨詢公司Strategy Analytics對中國EPS市場的預測，從中我們可以明顯地看出這種不斷增長的趨勢，預計在2010-2017年期間中國的EPS市場的年復合增長率將達到16.9%。
這種不斷增長的市場趨勢是由于EPS系統(tǒng)本身具有的諸多優(yōu)點所決定的，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，改善汽車的轉向特性，提高汽車高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。
EPS只在轉向時電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統(tǒng)計數字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節(jié)油約0.3至0.5升。
EPS電機由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動機熄火或出現故障時也能提供助力。
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，可以通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產和開發(fā)周期。
EPS不存在滲油問題，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。
可實現自動泊車系統(tǒng)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)和生產的投入，從而催生了許多新的EPS系統(tǒng)生產企業(yè)進入市場。這種現象在中國和印度等新興市場表現得尤為明顯。但這些企業(yè)生產EPS產品的歷史都不長，所以一個成熟而可靠的方案對他們來說尤為重要。下面將簡單介紹一下EPS系統(tǒng)的類型、一般結構和特性。
EPS簡介
EPS是通過電機的動力直接給轉向系統(tǒng)提供輔助扭矩的系統(tǒng)。它依靠檢測發(fā)動機，方向盤，車速等信息來判斷并提供合適的轉向助力，使得轉向過程能夠精確、輕松、安全地完成。
通常來說，根根據電機安裝位置和機械結構的不同，EPS系統(tǒng)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EPS系統(tǒng)的機械機構，輸出力矩和適用車型的簡單介紹。
管柱助力式EPS系統(tǒng)將電機安裝在轉向管柱上，通過減速機構與轉向軸相連，其特點是結構緊湊，所測得的轉矩信號與方向盤轉矩在同一直線，因此控制電機助力的響應性較好，但對電機的噪聲和震動要求較高。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)動機艙布置。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)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型，但由于萬向節(jié)的存在，會影響助力控制特性的精確度。雙小齒輪助力式EPS系統(tǒng)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(tǒng)能提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結構復雜，成本較高，所以適用于豪華車和商務車上。
各類型的EPS系統(tǒng)工作原理基本相同。如圖2所示，通常一個EPS系統(tǒng)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，傳感器檢測到方向盤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行駛工況的輸出力矩，并發(fā)出信號驅動電機工作，電機輸出的力矩由傳動系統(tǒng)輸給轉向機構而進行助力。
為了使這個轉向的過程順利實現，EPS系統(tǒng)需要實現以下功能：
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地進行，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(wěn)。
回正控制：確保汽車從直行狀態(tài)到大角度轉向的過程中回正力矩相應地逐漸提高。另外，確保汽車在非轉向狀態(tài)下的直線行駛性能，并防止汽車在不同車速下實現回正時出現回正不足或回正超調的現象。
阻尼控制：利用電機感應電動勢來減弱汽車高速行駛時出現的方向盤抖動現象，消除轉向輪因路面不平而引起的方向盤擺振，并在汽車高速行駛時，給轉向過程增加一定的阻尼，克服轉向發(fā)飄的感覺。
分析診斷功能：應能實時監(jiān)控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關斷EPS使車輛進入傳統(tǒng)的機械轉向模式。
通訊功能：應具有通過CAN或LIN總線與其他系統(tǒng)進行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(主要針對電機控制)的接口。
為實現上述功能，整個EPS系統(tǒng)必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統(tǒng)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(tǒng)提供了汽車行駛狀況的各種必要信息，是系統(tǒng)的感覺器官，其信號輸出應該盡量準確、高速、簡潔。EPS系統(tǒng)通常需要方向盤扭矩傳感器、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越多的EPS系統(tǒng)采用。
控制策略：傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)主要為駕駛員提供轉向助力，減輕轉向負擔，EPS系統(tǒng)還要解決諸如高速行駛過程中轉向過大、回正等影響車輛穩(wěn)定性和安全性的問題，因而需要一套高效完善的控制策略來保證其性能。
電子控制單元(ECU)：隨著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(tǒng)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(zhí)行的能力、處理大電流的能力、與其它系統(tǒng)通訊的能力、系統(tǒng)診斷監(jiān)控和失效保護性能。
助力電機：由于駕駛員轉向時的不確定性，EPS系統(tǒng)的助力電機必須具有很高的響應性，能在極短的時間內執(zhí)行駕駛員的轉向意圖。由于EPS系統(tǒng)的安裝空間有限，因此助力電機還應具有高比功率、質量輕的特點，并具有較小的噪音。此外，因為EPS涉及到汽車的安全應用，所以助力電機必須要安全可靠、壽命長。
機械結構：相比傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)，EPS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的這些要求，為降低亞太區(qū)客戶對EPS系統(tǒng)的開發(fā)難度并縮短他們的開發(fā)周期，作為英飛凌的一級代理商，北京晶川電子技術發(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(tǒng)供應商幾十年合作開發(fā)的成功經驗并結合本地區(qū)實際情況合作開發(fā)一套高效實用的參考解決方案。晶川公司和英飛凌公司向客戶全面提供此套方案供其參考和二次開發(fā)。在下面的章節(jié)中，我們將對此方案進行詳細的介紹。
基于英飛凌產品的汽車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能力，特別是在電機驅動方面有著豐富的經驗。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(tǒng)供應商合作過程中的經驗，并結合英飛凌全面的產品線，開發(fā)出了符合國內及亞太地區(qū)需求的EPS系統(tǒng)參考方案。由于運用直流有刷電機的低端EPS系統(tǒng)在亞太區(qū)已有較成熟的方案，因此此次開發(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，整個方案分為傳感器、ECU和電機幾個部分。下面我們將對傳感器和ECU部分予以重點介紹。
1．傳感器
一般來說，采用被動回正控制的EPS系統(tǒng)至少需要采集方向盤扭矩信號、車速信號、發(fā)動機點火信號和點火開關信號。由于本方案主要面對的是高端應用，增加了主動回正控制功能，因而還需要給系統(tǒng)提供方向盤的轉角信息。
目前國內大部分EPS系統(tǒng)采用的是電位計式扭矩傳感器，輸出為模擬信號，必須要做進一步處理且占用單片機A/D轉換口從而占用單片機的資源。在本方案中我們推薦使用2片英飛凌線性霍爾傳感器TLE4998作為扭距傳感器。TLE4998是一款全面采用數字邏輯結構(20位的數字信號處理)，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。
本方案中我們推薦使用兩顆英飛凌的TLE5011采用測量相位差的方法來實現方向盤轉交的測量。TLE5011是英飛凌采用GMR(Giant Magneto Resistance)技術設計的專門用于角度測量的磁性傳感器。采用該技術制造的傳感器具有精度高、磁輪間隙小，以及由于傳感器和磁鐵平行放置而可以制成特別小巧的傳感器模塊的特點。TLE5011可以測量0-360°的角度范圍，采用SPI信號直接輸出16位的sine/cosine值，其3線SSC接口擁有最高2Mbps的通訊速率。
EPS系統(tǒng)所需的車速信號可由ABS系統(tǒng)中的輪速傳感器獲得，而發(fā)動機點火信號和點火開關信號也可通過LIN總線直接獲取。
鑒于TLE5011輸出的是SPI信號，因此我們在方案設計中將扭矩傳感器和轉角傳感器設計在一個模塊中，并在該模塊中采用英飛凌的8位單片機XC886LM作為運算單元來處理傳感器型號并直接得出扭矩和角度信息，因為英飛凌的XC88x系列處理器含有一個叫做CORDIC的協(xié)處理器，該協(xié)處理器專門用于計算三角函數，線性函數和雙曲線函數，對于力矩和角度的計算有著極高的運算效率。該模塊運算的結果將通過LIN總線傳輸給ECU主控制器。
2．電子控制單元(ECU)
ECU擔負著處理傳感器信號、執(zhí)行控制策略、輸出控制信號驅動電機、系統(tǒng)監(jiān)控診斷和通訊的重任，是系統(tǒng)的核心部件。由于本方案要控制的是永磁同步電機，其控制算法需要采用空間矢量控制算法，因而對控制器的計算精度和速度都提出了較高的要求。為保證其能準確高效地完成任務，在這個方案中，我們采用了英飛凌最先進的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(zhí)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，大部分指令都能在一個時鐘周期內完成，也支持DSP技術。XC2000的強大功能和眾多外設使工程開發(fā)人員在設計系統(tǒng)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(fā)的，具有反應迅速、高冗余度、高靈活性和穩(wěn)定可靠的特點。
本方案中采用的XC2336B是英飛凌最新的微控制器，擁有一個帶五級流水線的最高80MHz時鐘頻率的高性能CPU并擁有一個保護數據不被非法訪問的Memory Protection Unit(MPU)。它具有不同類型的片上存儲模塊(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檢測和ECC碼來發(fā)現數據錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多外設模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個可擴展為9路的10位分辨率的同步A/D轉換器、16路通用捕捉/比較單元、兩路帶PWM產生器的捕捉/比較單元、5個定時器、40路通用I/O接口、多路CAN接口等等，并可通過DAP和JTAG接口進行片上調試。此外，它還帶有看門狗和晶振看門狗來保證控制器的正常運行。該芯片的體積十分小巧，采用了64管腳的綠色LQFP封裝，并具有節(jié)能的喚醒模式。
除了主微控制器外，這個方案還使用了一顆英飛凌的8位微控制器XC836MT作為備份微控制器。這是一顆具有8051內核的微控制器，它最主要的作用是對主微控制器進行監(jiān)控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車進入機械轉向狀態(tài)，避免汽車失控而引發(fā)危險。
在該方案中，作為電源芯片的是一顆低壓差輸出穩(wěn)壓器TLE42764D V50。它的輸出電壓在2.5V到20V之間，可調或可作精度為2%的5V固定輸出，輸出電流最大為400mA。它具有過溫、反接、短路等一系列保護，并可通過Enable來關斷使關斷電流降到10μA以下。
為配合系統(tǒng)中傳感器使用的要求，該方案使用了電壓跟隨器TLE4250-2G作為傳感器的電源。它具有較低的成本，能有效防止傳感器短路對微控制器產生沖擊。該芯片采用很小的SMD封裝。具有較寬的輸入電壓范圍，能輸出最大50毫安的電流，并對過溫、反接、短路等作了保護。
針對EPS系統(tǒng)中最重要的電機控制，我們采用了英飛凌的TLE7183QU這顆專門的大電流三相電機驅動芯片來驅動本方案中的永磁同步電機。TLE7183QU的三個高邊和三個低邊輸出級可通過輸出0-100%占空比的最高30kHz的PWM波控制6到12顆外接MOS管。它帶有過流、過溫、短路等各類保護和分析功能并具有關斷和睡眠兩種模式。整個產品使用48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，從而保證了系統(tǒng)良好的散熱性能和焊接的便利性。為利用矢量控制算法精確地控制電機，我們采用兩個采樣電阻來采集電機的兩相電流，并利用TLE7183QU自帶的一路運放作整體電流保護。
隨著自動泊車系統(tǒng)等高端應用的不斷推廣，EPS系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的通訊變得越來越緊密，為滿足系統(tǒng)間通訊的需求，本方案中采用了CAN收發(fā)器TLE6250(或TLE6251)和LIN收發(fā)器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有CAN收發(fā)器的普通功能外，還具有行業(yè)領先的靜電保護和抗電磁干擾性。TLE6251則具有極全面的失效分析檢測功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2、1.3和2.0 LIN規(guī)范，休眠功耗也很低。
此外，在本方案中我們還采用了EPCOS的一些被動器件來實現一些輔助功能，具體來說，我們采用了它的電解電容B41866C6107M000和電感T6174來做電源的濾波電路，實現輸入電源的穩(wěn)定性，并利用電解電容B41695A7228Q007作為電機的供電母線的紋波吸收電容。此外，EPCOS的熱敏電阻B57702-M103-J被黏貼固定到MOS管上測量其溫度以防止系統(tǒng)過熱引起的故障。
從整個系統(tǒng)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至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(huán)境友好的綠色芯片。
本方案是我們針對亞太區(qū)新興市場專門開發(fā)的，均衡了性能、成本、開發(fā)難度等各種因素，使其適應本地區(qū)客戶的需求。從全球范圍來看，EPS系統(tǒng)正經歷著快速的發(fā)展，一些全球領先的供應商已經推出了更先進的方案，下面我們將對此做簡單介紹。
新型EPS系統(tǒng)的發(fā)展方向
EPS系統(tǒng)的發(fā)展方向是小型化和高度集成化，所以將EPS控制器集成到EPS電機中成為一個通用的解決方案。目前全球領先的EPS系統(tǒng)供應商幾乎都已經開發(fā)出了這樣的方案。其主要的特點就是將所有的元器件采用裸片的形式排布在一塊或兩塊陶瓷板上，并將陶瓷板安放到驅動電機的后蓋中。圖4即為英飛凌為客戶開發(fā)的一個集成方案的結構示意圖。
我們可以看到，在該方案中所有的芯片被排布在兩塊陶瓷板上，一塊上安放了所有的電源、微控制器和MOS管驅動芯片等芯片，另一塊上則集中安放MOS管和一個電感，并做了增強的散熱設計。此類方案的優(yōu)點是顯而易見的，整個電子控制單元被集成到電機后蓋中，體積小、連接線少，充分利用了電機后蓋散熱，系統(tǒng)的可靠性較好。但對于亞太區(qū)新興市場的客戶來說，由于他們的終端客戶群普遍比較小，且本身技術力量較為薄弱，所以該方案的實施尚有較大難度，主要是在以下幾個方面：
該方案需得到芯片廠及電機廠的配合，包括芯片和電機的定制都需要較大的投入，這對亞太區(qū)絕大部分客戶來說意味著前期高額的研發(fā)支出，在沒有較大客戶群支撐的情況下，項目風險太大；由于涉及到芯片和電機的定制，故要求開發(fā)者有極強的系統(tǒng)知識，且經常涉及到整車廠的參與，而亞太區(qū)的客戶則大部分進入行業(yè)不久，其本身的技術積累還不足以參與到這樣的設計中去；該方案需要陶瓷貼片技術和裸片的引線技術，目前，在亞太區(qū)也很少有貼片廠擁有這樣成熟的處理技術。
正是考慮到這些因素，本文介紹的基于英飛凌產品的EPS方案是切合實際且具有很高性價比的方案。
本文小結
EPS的使用正變得越來越廣泛，特別在亞太區(qū)新興市場，其市場總量和年增長率正變得越來越引人注目。本文介紹的基于英飛凌產品的EPS技術方案具有功能全面、性能可靠、性價比高的優(yōu)點，可以幫助汽車系統(tǒng)供應商縮短研發(fā)進程，減少研發(fā)成本，以較快的速度切入市場并以令人信服的產品占領市場，作為英飛凌的一級代理商，晶川公司將和英飛凌一起竭盡所能地協(xié)助客戶達成這一宏偉目標。