汽车电动助力转向系统的研究与方案

　　表三：2007-2018 全球转向系统市场分车型预测 （百万套）
2.电动助力转向系统的介绍
　　电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的，它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作。系统主要由三大部分构成：信号传感装置（包括扭矩传感器、方向盘角度传感器和车速传感器），电子控制单元和转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构等）。
　　电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出转向轴上的扭短信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
　　根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式（Column Mounted），小齿轮助力式（Pinion mounted），双小齿轮助力式（2xPinion mounted）和齿条助力式（Rack mounted）。具体的如下图一所示：

　　图一：电动助力转向系统的分类
　　管柱助力式EPS系统中将助力电机安装在管柱上，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这样的系统结构简单紧凑、易于安装，但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。小齿轮助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。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系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力，因此能提供更大的助力，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。
　　无论哪种EPS系统，其要实现的功能大致相同：
　　1.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的进行，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。
　　2.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，目的是提高汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性。
　　3.回正控制：驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。需要防止两种情况：（1）回正力矩过大，引起转向盘位置超调；（2）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。
　　4.系统通信功能：通过CAN/LIN总线与其他汽车控制系统进行通讯，实现更加复杂的功能。
　　5.系统故障诊断功能：能实时监控整个系统，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。
　　为了实现上述功能，软硬件的选择就非常重要。从半导体供应商的角度，EPS系统中选择的助力电机的类型非常关键。一般来讲，常用的EPS助力电机分为直流有刷电机（DC）和直流无刷电机（BLDC）两种。针对这两种电机，英飞凌都有相应的全套解决方案。
3.英飞凌电动助力转向系统方案：直流有刷电机
　　直流有刷电机（DC）由于技术成熟、控制器简单、成本低等特点，短时间内仍将在EPS电机中占据主导地位。目前主要应用于低成本的EPS上，代表车型为日系车和国内自主品牌的低端车。
　　针对于基于直流有刷电机的EPS系统，英飞凌提出一套非常成熟可靠的方案，见图二。

　　图二：英飞凌基于直流有刷电机的EPS方案
1.传感器
　　EPS系统中最重要的输入信号就是方向盘的扭矩，因此扭矩传感器的选择非常重要。目前国内大部分EPS系统采用的是电位计式扭矩传感器，最主要的原因是技术成熟、价格便宜。不过由于其是接触式测量，使用时间长后容易磨损，导致测量值不准确，并且其信号的一致性与精确度都不高。
　　因此英飞凌推荐使用2片线性霍尔传感器TLE4998/TLE4997作为扭距传感器。TLE4998是一款全面采用数字逻辑结构（20 bit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。TLE4997与TLE4998最大的区别在于其只支持模拟接口。

　　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。
　　作为ECU中的核心元器件，主微控制器（MCU）需要高性能和高可靠性。英飞凌推荐在EPS中采用最先进的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（multiple data buses），大部分指令都能在一个时钟周期内完成，也支持DSP技术。XC2000的强大的功能和众多的外设使工程开发人员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。由于DC EPS低成本的要求，英飞凌推荐XC2300中两款低成本的产品：XC2300D和XC2300S.他们的区别在于XC2300D支持CAN总线通讯，而XC2300S只支持LIN总线通讯。
　　针对EPS系统中最重要的电机控制，英飞凌提供的方案是全桥预驱动芯片加上4颗Mosfet来驱动直流有刷电机。对于全桥预驱动芯片，目前主流推荐的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他们都是内置2个高边和2个低边输出级，可通过输出0-100%占空比的PWM波控制4颗外接MOS管。它带有过流，过温，短路等各类保护和分析功能。他们的区别在于：TLE6282最高工作电压为60V,且没有内置运算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作电压仅为34V,内置一个高精度的运算放大器，可以显着地降低系统成本。
　　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-40-125℃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。
4.英飞凌电动助力转向系统方案：直流无刷电机
　　虽然直流有刷电机价格比较便宜，但是其电刷易磨损、功率密度较低、换向器的电火花容易产生电磁干扰，尤其是其控制策略的限制造成手感不好，因此直流无刷电机（BLDC）也逐渐应用于EPS中。目前主要应用于中高端的EPS上，代表车型为欧美系和国内自主品牌的中高端车型。
　　针对于基于直流无刷电机的EPS系统，英飞凌也有一套非常成熟可靠的方案，见图三。