汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與方案

　　表三：2007-2018 全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場(chǎng)分車型預(yù)測(cè) （百萬(wàn)套）
2.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹
　　電動(dòng)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(lái)的，它利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)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(hào)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(dòng)機(jī)構(gòu)等）。
　　電動(dòng)機(jī)僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上的扭短信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號(hào)，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機(jī)的扭矩由電磁離合器通過(guò)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(gè)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)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(dòng)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(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)齒輪實(shí)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(wú)論哪種EPS系統(tǒng)，其要實(shí)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(shí)提供較大輔助力矩，使轉(zhuǎn)向過(guò)程快捷輕便的進(jìn)行，而在汽車高速行駛時(shí)提供較小的輔助力矩以保持轉(zhuǎn)向過(guò)程的可靠與沉穩(wěn)。
　　2.阻尼控制：利用電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)減弱汽車高速行駛時(shí)出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)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(kāi)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(guò)大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過(guò)小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。
　　4.系統(tǒng)通信功能：通過(guò)CAN/LIN總線與其他汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
　　5.系統(tǒng)故障診斷功能：能實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，具有故障報(bào)警和提示功能，在故障不能自動(dòng)排除時(shí)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(shí)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(lái)講，常用的EPS助力電機(jī)分為直流有刷電機(jī)（DC）和直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）兩種。針對(duì)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(dòng)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(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，短時(shí)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(guó)內(nèi)自主品牌的低端車。
　　針對(duì)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(jiàn)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(hào)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(guó)內(nèi)大部分EPS系統(tǒng)采用的是電位計(jì)式扭矩傳感器，最主要的原因是技術(shù)成熟、價(jià)格便宜。不過(guò)由于其是接觸式測(cè)量，使用時(shí)間長(zhǎng)后容易磨損，導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確，并且其信號(hào)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)（20 bit的數(shù)字信號(hào)處理），具有數(shù)字溫度補(bǔ)償功能的汽車級(jí)（-40℃-150℃）的可編程線性霍爾傳感器，根據(jù)需要可輸出SPC（Short PWM Code）、PWM或SENT（Single Edge Nibble Transmission）信號(hào)，其中PWM信號(hào)具有12位的分辨率，而SPC和SENT信號(hào)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(guò)壓，輸出短路等）和在線診斷（電壓，EEPROM錯(cuò)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(hào)、執(zhí)行控制策略、輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)汽車電子專門設(shè)計(jì)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(shí)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)（multiple data buses），大部分指令都能在一個(gè)時(shí)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(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)更加游刃有余。XC2000系列產(chǎn)品分成三個(gè)子系列，其中XC2300系列是專門針對(duì)安全應(yīng)用開(kāi)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(diǎn)。由于DC EPS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(duì)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(dòng)芯片加上4顆Mosfet來(lái)驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)。對(duì)于全橋預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他們都是內(nèi)置2個(gè)高邊和2個(gè)低邊輸出級(jí)，可通過(guò)輸出0-100%占空比的PWM波控制4顆外接MOS管。它帶有過(guò)流，過(guò)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(méi)有內(nèi)置運(yùn)算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V,內(nèi)置一個(gè)高精度的運(yùn)算放大器，可以顯著地降低系統(tǒng)成本。
　　從整個(gè)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(jì)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(wú)鉛材料制造，是對(duì)環(huán)境友好的綠色芯片。
4.英飛凌電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案：直流無(wú)刷電機(jī)
　　雖然直流有刷電機(jī)價(jià)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(wú)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(guó)內(nèi)自主品牌的中高端車型。
　　針對(duì)于基于直流無(wú)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(jiàn)圖三。