汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與措施

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與方案摘要：現(xiàn)代汽車技術(shù)追求高效節(jié)能，高舒適性和高安全性三大目標(biāo)。作為汽車最重要的子系統(tǒng)之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展也一直努力追求達(dá)到這些目標(biāo)。與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<HPS）相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<EPS）能節(jié)省油耗約3%~5%,具有結(jié)構(gòu)精巧、節(jié)能環(huán)保、安全舒適等優(yōu)點，是汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。英飛凌作為世界第二大車用半導(dǎo)體供應(yīng)商，一直致力于開發(fā)新的產(chǎn)品以適應(yīng)于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展。本文首先介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的市場分析以及EPS的分類及其基本功能，然后在此基礎(chǔ)上介紹英飛凌對于基于兩種不同電機(jī)的EPS系統(tǒng)的解決方案及其產(chǎn)品，最后本文分析了EPS的兩個新方向以及英飛凌將采用的解決方案和新的產(chǎn)品技術(shù)。1.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分析在汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向體經(jīng)歷了四個階段：從簡單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<MechanicalSteering,MS）發(fā)展到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<HydraulicPowerSteering,HPS），然后又出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<ElectricallyPoweredHydraulicSteering,EHPS），而目前正開始廣泛應(yīng)用的是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)<ElectricPowerSteering,EPS）。與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有以下幾個方面的優(yōu)勢：1.能耗少：EPS沒有轉(zhuǎn)向油泵，且只在轉(zhuǎn)向時電動機(jī)才提供助力，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)約燃油3%~5%,因而燃油經(jīng)濟(jì)性有了很大的提高。2.路感好：EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉(zhuǎn)向系的擾動。且由于EPS系統(tǒng)內(nèi)部采用剛性連接，系統(tǒng)的滯后特性可以通過軟件加以控制，因此有較好的路感。3.安裝方便：EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等零件，并且其電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或裝在轉(zhuǎn)向器內(nèi)，從而使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊且安裝方便。4.回正性能好：EPS結(jié)構(gòu)簡單精確、內(nèi)部阻力小、回正性能好，而且可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而可以得到最佳的轉(zhuǎn)向回正特性，且可改善汽車的操縱穩(wěn)定性。5.應(yīng)用范圍廣：EPS可適應(yīng)各種汽車，目前主要用于轎車和輕型載貨汽車。而對于新能源車，尤其是純電動汽車，EPS系統(tǒng)為其最佳選擇。6.整車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：EPS由于有CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò)接口，可以與汽車其它電子控制系統(tǒng)結(jié)合，例如主動懸架、制動防抱死<ABS）及駕駛員輔助系統(tǒng)等，共享其電子裝置的功能，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，比如汽車智能化的終極目標(biāo)：無人駕駛。下表一是世界著名的咨詢公司StrategyAnalytics對全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的預(yù)測，可以看到EPS將占據(jù)50%以上的市場份額。表一：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場預(yù)測<百萬套）若分區(qū)域來看，過去主要在歐美和日本采用EPS.但是從2018開始，中國將超過歐美和日本，成為全球最大的EPS市場。見下表二。表二：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分區(qū)域預(yù)測<百萬套）若分車型來看，所有的廣義乘用車都能應(yīng)用EPS,從2007年至2018年的平均年增長率為15%.不過由于大型轎車和輕卡對于EPS的需求增長迅猛，表三顯示從C級以下的小型轎車的份額從2007年的86%下降為2018年的66%.表三：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分車型預(yù)測<百萬套）2.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用電動機(jī)產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)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(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)<電機(jī)、離合器、減速傳動機(jī)構(gòu)等）。電動機(jī)僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉(zhuǎn)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(jù)這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機(jī)的扭矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。根據(jù)電機(jī)安裝位置和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)可以分為：管柱助力式<ColumnMounted），小齒輪助力式<Pinionmounted），雙小齒輪助力式<2xPinionmounted）和齒條助力式<Rackmounted）。具體的如下圖一所示：圖一：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類管柱助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機(jī)安裝在管柱上，通過減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝，但由于助力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機(jī)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(tǒng)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。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)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，所以適用于豪華車和商務(wù)車上。無論哪種EPS系統(tǒng)，其要實現(xiàn)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(zhuǎn)向過程快捷輕便的進(jìn)行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉(zhuǎn)向過程的可靠與沉穩(wěn)。2.阻尼控制：利用電機(jī)感應(yīng)電動勢來減弱汽車高速行駛時出現(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)象，目的是提高汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性。3.回正控制：駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；<2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。4.系統(tǒng)通信功能：通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。5.系統(tǒng)故障診斷功能：能實時監(jiān)控整個系統(tǒng)，具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關(guān)斷EPS使車輛進(jìn)入傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向模式。為了實現(xiàn)上述功能，軟硬件的選擇就非常重要。從半導(dǎo)體供應(yīng)商的角度，EPS系統(tǒng)中選擇的助力電機(jī)的類型非常關(guān)鍵。一般來講，常用的EPS助力電機(jī)分為直流有刷電機(jī)<DC）和直流無刷電機(jī)<BLDC）兩種。針對這兩種電機(jī)，英飛凌都有相應(yīng)的全套解決方案。3.英飛凌電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案：直流有刷電機(jī)直流有刷電機(jī)<DC）由于技術(shù)成熟、控制器簡單、成本低等特點，短時間內(nèi)仍將在EPS電機(jī)中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前主要應(yīng)用于低成本的EPS上，代表車型為日系車和國內(nèi)自主品牌的低端車。針對于基于直流有刷電機(jī)的EPS系統(tǒng)，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(jī)的EPS方案1.傳感器EPS系統(tǒng)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(nèi)大部分EPS系統(tǒng)采用的是電位計式扭矩傳感器，最主要的原因是技術(shù)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(dǎo)致測量值不準(zhǔn)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(shù)字邏輯結(jié)構(gòu)<20bit的數(shù)字信號處理），具有數(shù)字溫度補(bǔ)償功能的汽車級<-40℃-150℃）的可編程線性霍爾傳感器，根據(jù)需要可輸出SPC<ShortPWMCode）、PWM或SENT<SingleEdgeNibbleTransmission）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(dá)16位的分辨率。此外，TLE4998還帶有各種保護(hù)<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(qiáng)的抗應(yīng)力和抗EMC性能。TLE4997與TLE4998最大的區(qū)別在于其只支持模擬接口。2.電子控制單元<ECU）ECU擔(dān)負(fù)著處理傳感器信號、執(zhí)行控制策略、輸出控制信號驅(qū)動電機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)控診斷和通訊的重任，是系統(tǒng)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(jìn)的XC2000系列產(chǎn)品作為主微控制器。XC2000是英飛凌針對汽車電子專門設(shè)計的基于130nm技術(shù)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(gòu)并進(jìn)行了改善，最高的時鐘頻率達(dá)到80MHz.該架構(gòu)采用了多路數(shù)據(jù)總線技術(shù)<multipledatabuses），大部分指令都能在一個時鐘周期內(nèi)完成，也支持DSP技術(shù)。XC2000的強(qiáng)大的功能和眾多的外設(shè)使工程開發(fā)人員設(shè)計系統(tǒng)時更加游刃有余。XC2000系列產(chǎn)品分成三個子系列，其中XC2300系列是專門針對安全應(yīng)用開發(fā)的，具有反應(yīng)迅速，高冗余度，高靈活性和穩(wěn)定可靠的特點。由于DCEPS低成本的要求，英飛凌推薦XC2300中兩款低成本的產(chǎn)品：XC2300D和XC2300S.他們的區(qū)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(tǒng)中最重要的電機(jī)控制，英飛凌提供的方案是全橋預(yù)驅(qū)動芯片加上4顆Mosfet來驅(qū)動直流有刷電機(jī)。對于全橋預(yù)驅(qū)動芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他們都是內(nèi)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(hù)和分析功能。他們的區(qū)別在于：TLE6282最高工作電壓為60V,且沒有內(nèi)置運算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V,內(nèi)置一個高精度的運算放大器，可以顯著地降低系統(tǒng)成本。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(yīng)用而設(shè)計的，具有至少-40-125℃的應(yīng)用溫度范圍，并有很強(qiáng)的靜電保護(hù)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。4.英飛凌電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案：直流無刷電機(jī)雖然直流有刷電機(jī)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(chǎn)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(jī)<BLDC）也逐漸應(yīng)用于EPS中。目前主要應(yīng)用于中高端的EPS上，代表車型為歐美系和國內(nèi)自主品牌的中高端車型。針對于基于直流無刷電機(jī)的EPS系統(tǒng)，英飛凌也有一套非常成熟可靠的方案，見圖三。圖三：英飛凌基于直流無刷電機(jī)的EPS方案1.傳感器在高端的基于直流無刷電機(jī)的EPS系統(tǒng)中，除了扭矩傳感器外，還需要方向盤角度傳感器來收集角度信息來實現(xiàn)主動回正控制功能和車速信號、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息和發(fā)動機(jī)點火信號、點火開關(guān)信號。TLE5011目前已大規(guī)模量產(chǎn)，其實現(xiàn)方式是兩顆芯片采用測量相位差的方法來實現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角的測量。它是英飛凌采用GMR<GiantMagnetoResistance）技術(shù)設(shè)計的專門用于角度測量的磁性傳感器。采用該技術(shù)制造的傳感器具有精度高，磁輪間隙小，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，全溫度范圍的測量精度為2°，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2Mbit/s的通訊速率。由于TLE5011輸出的是SPI信號，因此需要一顆額外的英飛凌8位單片機(jī)XC886作為運算單元。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(shù)，線性函數(shù)和雙曲線函數(shù)，對于力矩和角度的計算有著極高的運算效率。此模塊運算的結(jié)果將通過LIN總線傳輸給ECU主控制器。TLE5009是TLE5011的降成本版本，基本功能相似，區(qū)別在于輸出接口是模擬信號，并且全溫度范圍的測量精度為3°。TLE5012B是TLE5011的功能增強(qiáng)版本，基本功能相似，區(qū)別在于輸出接口除了支持SPI外，還支持PWM,IIF和HSM。全溫度范圍的測量精度為1°；并且內(nèi)置了CORDIC運算單元，能夠直接輸出角度信號，這樣就可以省去外部的8位單片機(jī)，達(dá)到了降低系統(tǒng)成本的目的。EPS系統(tǒng)所需的車速信號可由ABS/ESC系統(tǒng)中的輪速傳感器獲得。2.電子控制單元<ECU）由于性能高、控制手感好，永磁同步電機(jī)<PMSM）在直流無刷EPS系統(tǒng)中占有很大的比重。對于永磁同步電機(jī)，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。為了保證其能準(zhǔn)確高效地完成任務(wù)，英飛凌推薦XC2300產(chǎn)品系列中的XC2300B產(chǎn)品。其擁有一個帶五級流水線的最高80MHz的時鐘頻率的高性能CPU并擁有一個保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法訪問的MemoryProtectionUnit<MPU）。它具有不同類型的片上存儲模塊<stand-byRAM,dual-portRAM,SRAM,program/dataSRAM和programflashmemory）并使用硬件CRC檢測和ECC碼來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多的外設(shè)模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個10位分辨率的同步A/D轉(zhuǎn)換器，多路通用捕捉/比較單元，多路CAN接口等等，并可通過DAP和JTAG接口進(jìn)行片上調(diào)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。除了這顆主微控制器外，EPS系統(tǒng)還需要一個備份微控制器。它最主要的作用是對主微控制器進(jìn)行監(jiān)控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車進(jìn)入機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免汽車失控而引發(fā)危險。在這里，英飛凌推薦的也是XC230016位微控制器。其目的是為了符合ISO26262中對EPS系統(tǒng)的ASIL<汽車安全完整性等級）D的要求。TLE7183/TLE7189是英飛凌主推的大電流三相電機(jī)驅(qū)動芯片，用來驅(qū)動EPS系統(tǒng)中最重要的無刷電機(jī)。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，且內(nèi)置一路高精度運算放大器。它帶有過流，過溫，短路等各類保護(hù)和分析功能并具有關(guān)斷和睡眠兩種模式。整個產(chǎn)品使用了48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，保證了系統(tǒng)良好的散熱性能和焊接的便利性。而TLE7189與TLE7183的最大區(qū)別是內(nèi)置三路高精度運算放大器。其中兩路運放利用兩個采樣電阻來采集電機(jī)的兩相電流，實現(xiàn)矢量控制算法來精確地控制電機(jī)；另一路運放利用另外一個采樣電阻來采集電機(jī)的第三相電流，實現(xiàn)冗余和校驗功能。5.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新方向：ISO26262與小型化1.ISO26262ISO26262標(biāo)準(zhǔn)主要定位在特定的電氣器件、電子設(shè)備、可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的部件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO26262標(biāo)準(zhǔn)主要參考工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508,大約于2005年開始發(fā)展，于2018年11月15日正式頒布。2018年8月國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布《關(guān)于下達(dá)2018年第一批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃的通知》中，正式將ISO26262標(biāo)準(zhǔn)列入國標(biāo)制定計劃。未來ISO26262對汽車產(chǎn)業(yè)尤其汽車電子的影響程度將不亞于ISO/TS16949.ISO26262標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安全風(fēng)險程度對系統(tǒng)或系統(tǒng)某組成部分確定劃分由A到D的安全需求等級<AutomotiveSafetyIntegrityLevel汽車安全完整性等級ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。作為汽車最關(guān)鍵的系統(tǒng)，EPS必須要滿足ASILD,而ASILD對系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)流程的要求非常高。因此，一個好的半導(dǎo)體解決方案會幫助整車廠和EPS系統(tǒng)供應(yīng)商在系統(tǒng)開發(fā)時事半功倍。由于ISO26262是由歐洲幾大車廠聯(lián)合發(fā)起制定的，作為歐洲最大的汽車電子芯片供應(yīng)商，英飛凌有幸參與了這幾大車廠原型機(jī)的設(shè)計，驗證，實施等環(huán)節(jié)，并且有些工程已經(jīng)量產(chǎn)。由于這個先發(fā)優(yōu)勢，雖然ISO26262在2018年11月15日