汽车电动助力转向系统的研究与方案

　　图三：英飞凌基于直流无刷电机的EPS方案
　　1.传感器
　　在高端的基于直流无刷电机的EPS系统中，除了扭矩传感器外，还需要方向盘角度传感器来收集角度信息来实现主动回正控制功能和车速信号、电机转子位置信息和发动机点火信号、点火开关信号。
　　TLE5011目前已大规模量产，其实现方式是两颗芯片采用测量相位差的方法来实现方向盘转角的测量。它是英飞凌采用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，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，全温度范围的测量精度为2°，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2Mbit/s的通讯速率。
　　由于TLE5011输出的是SPI信号，因此需要一颗额外的英飞凌8位单片机XC886作为运算单元。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。此模块运算的结果将通过LIN总线传输给ECU主控制器。
　　TLE5009是TLE5011的降成本版本，基本功能相似，区别在于输出接口是模拟信号，并且全温度范围的测量精度为3°。
　　TLE5012B是TLE5011的功能增强版本，基本功能相似，区别在于输出接口除了支持SPI外，还支持PWM,IIF和HSM;全温度范围的测量精度为1°；并且内置了CORDIC运算单元，能够直接输出角度信号，这样就可以省去外部的8位单片机，达到了降低系统成本的目的。
EPS系统所需的车速信号可由ABS/ESC系统中的轮速传感器获得。
　　2.电子控制单元（ECU）
　　由于性能高、控制手感好，永磁同步电机（PMSM）在直流无刷EPS系统中占有很大的比重。对于永磁同步电机，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。为了保证其能准确高效地完成任务，英飞凌推荐XC2300产品系列中的XC2300B产品。其拥有一个带五级流水线的最高80MHz的时钟频率的高性能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（stand-by RAM,dual-port RAM,SRAM, program/data SRAM和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。它的众多的外设模块可灵活地满足各种不同的需求，拥有2个10位分辨率的同步A/D转换器，多路通用捕捉/比较单元，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。
　　除了这颗主微控制器外，EPS系统还需要一个备份微控制器。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。在这里，英飞凌推荐的也是XC2300 16位微控制器。其目的是为了符合ISO26262中对EPS系统的ASIL（汽车安全完整性等级）D的要求。
　　TLE7183/TLE7189是英飞凌主推的大电流三相电机驱动芯片，用来驱动EPS系统中最重要的无刷电机。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，且内置一路高精度运算放大器。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。整个产品使用了48管脚的带外置散热片的TQFP封装，保证了系统良好的散热性能和焊接的便利性。而TLE7189与TLE7183的最大区别是内置三路高精度运算放大器。其中两路运放利用两个采样电阻来采集电机的两相电流，实现矢量控制算法来精确地控制电机；另一路运放利用另外一个采样电阻来采集电机的第三相电流，实现冗余和校验功能。
5.电动助力转向系统的新方向：ISO26262与小型化
　　1.ISO26262
　　ISO26262标准主要定位在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件，旨在提高汽车电子、电气产品功能安全的国际标准。ISO26262标准主要参考工业标准IEC61508,大约于2005年开始发展，于2011年11月15日正式颁布。2012年8月国家标准化委员会发布《关于下达2012年第一批国家标准制修订计划的通知》中，正式将ISO26262标准列入国标制定计划。未来ISO26262对汽车产业尤其汽车电子的影响程度将不亚于ISO/TS 16949.
　　ISO26262标准根据安全风险程度对系统或系统某组成部分确定划分由A到D的安全需求等级（Automotive Safety Integrity Level 汽车安全完整性等级 ASIL），其中D级为最高等级，需要最苛刻的安全需求。作为汽车最关键的系统，EPS必须要满足ASIL D,而ASIL D对系统硬件和软件开发流程的要求非常高。因此，一个好的半导体解决方案会帮助整车厂和EPS系统供应商在系统开发时事半功倍。
　　由于ISO26262是由欧洲几大车厂联合发起制定的，作为欧洲最大的汽车电子芯片供应商，英飞凌有幸参与了这几大车厂原型机的设计，验证，实施等环节，并且有些项目已经量产。由于这个先发优势，虽然ISO26262在2011年11月15日才正式颁布，英飞凌却已经准备好了一整套成熟的，完整的，可以支持量产的解决方案，包括硬件，软件和文档。在上图三中的双XC2300的方案就是其中一个成熟的解决方案，它们的安全软件架构如下图四所示：

　　图四：基于双XC2300的ASIL D软件架构
　　2.小型化
　　小型化的需求主要来自于基于直流无刷电机的齿条助力式EPS系统。为了追求这一目标，将EPS的电控单元集成入直流无刷电机中成了各大厂商的首选方案。其主要的方法就是直接向半导体厂商采购裸片（Bare Die），然后将贴有这些裸片的陶瓷板安放在电机的后盖中。
　　由于主微控制器和预驱动芯片的裸片操作比较复杂，需要厂商具有极高的陶瓷贴片技术和裸片的引线技术。因此更多的厂商，尤其是亚洲的厂商选择的是折中的方案：主微控制器和预驱动芯片还是采用标准的封装格式，只采用Mosfet的裸片。这样既能够显着减少体积达到小型化的目的，同时提高散热能力，并且又降低了系统的技术门槛。
　　英飞凌一直以来致力于新产品和新技术的开发，以能够支持客户实现小型化的目标。对于中小型客户，英飞凌推出了一系列小封装、高性能、集成度高的芯片来实现系统的小型化。对于中大型客户，英飞凌既能提供全套的裸片方案，同时也能提供单个Mosfet裸片模块。

6.结论
　　随着21世纪日益突出的能源问题和汽车产品的电子化，电动助力转向系统会越来越普及。基于高性价比和开发便捷的考虑，本文介绍的英飞凌EPS方案主要是基于16位主微控制器。随着系统功能越来越复杂，32位主微控制器的方案将成为未来的主流设计。英飞凌的新一代基于65nm技术的32位主微控制器Aurix系列即将正式面世，其强大的功能、丰富的内设和符合ISO26262的安全特性，能够帮助客户实现更加强大、更加小型化、更加安全的EPS系统。