汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與方案

　　圖三：英飛凌基于直流無(wú)刷電機(jī)的EPS方案
　　1.傳感器
　　在高端的基于直流無(wú)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(lái)收集角度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)回正控制功能和車速信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)。
　　TLE5011目前已大規(guī)模量產(chǎn)，其實(shí)現(xiàn)方式是兩顆芯片采用測(cè)量相位差的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角的測(cè)量。它是英飛凌采用GMR（Giant Magneto Resistance）技術(shù)設(shè)計(jì)的專門用于角度測(cè)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(diǎn)。TLE5011可以測(cè)量0-360°的角度范圍，全溫度范圍的測(cè)量精度為2°，采用SPI信號(hào)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(hào)，因此需要一顆額外的英飛凌8位單片機(jī)XC886作為運(yùn)算單元。英飛凌的XC88x系列處理器含有一個(gè)叫做CORDIC的協(xié)處理器，該協(xié)處理器專門用于計(jì)算三角函數(shù)，線性函數(shù)和雙曲線函數(shù)，對(duì)于力矩和角度的計(jì)算有著極高的運(yùn)算效率。此模塊運(yùn)算的結(jié)果將通過(guò)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(hào)，并且全溫度范圍的測(cè)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(cè)量精度為1°；并且內(nèi)置了CORDIC運(yùn)算單元，能夠直接輸出角度信號(hào)，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(hào)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(wú)刷EPS系統(tǒng)中占有很大的比重。對(duì)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(duì)控制器的計(jì)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(gè)帶五級(jí)流水線的最高80MHz的時(shí)鐘頻率的高性能CPU并擁有一個(gè)保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法訪問(wèn)的Memory Protection Unit （MPU）。它具有不同類型的片上存儲(chǔ)模塊（stand-by RAM,dual-port RAM,SRAM, program/data SRAM和program flash memory）并使用硬件CRC檢測(cè)和ECC碼來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并能糾正單位錯(cuò)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(gè)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(guò)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(lái)保證控制器的正常運(yùn)行。
　　除了這顆主微控制器外，EPS系統(tǒng)還需要一個(gè)備份微控制器。它最主要的作用是對(duì)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(xiǎn)。在這里，英飛凌推薦的也是XC2300 16位微控制器。其目的是為了符合ISO26262中對(duì)EPS系統(tǒng)的ASIL（汽車安全完整性等級(jí)）D的要求。
　　TLE7183/TLE7189是英飛凌主推的大電流三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)EPS系統(tǒng)中最重要的無(wú)刷電機(jī)。TLE7183QU的三個(gè)高邊和三個(gè)低邊輸出級(jí)可通過(guò)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(yùn)算放大器。它帶有過(guò)流，過(guò)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(gè)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(yùn)算放大器。其中兩路運(yùn)放利用兩個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機(jī)的兩相電流，實(shí)現(xiàn)矢量控制算法來(lái)精確地控制電機(jī)；另一路運(yùn)放利用另外一個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機(jī)的第三相電流，實(shí)現(xiàn)冗余和校驗(yàn)功能。
5.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新方向：ISO26262與小型化
　　1.ISO26262
　　ISO26262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(guó)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(kāi)始發(fā)展，于2011年11月15日正式頒布。2012年8月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于下達(dá)2012年第一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃的通知》中，正式將ISO26262標(biāo)準(zhǔn)列入國(guó)標(biāo)制定計(jì)劃。未來(lái)ISO26262對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)尤其汽車電子的影響程度將不亞于ISO/TS 16949.
　　ISO26262標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)程度對(duì)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(jí)（Automotive Safety Integrity Level 汽車安全完整性等級(jí) ASIL），其中D級(jí)為最高等級(jí)，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ASIL D,而ASIL D對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件開(kāi)發(fā)流程的要求非常高。因此，一個(gè)好的半導(dǎo)體解決方案會(huì)幫助整車廠和EPS系統(tǒng)供應(yīng)商在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)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(jì)，驗(yàn)證，實(shí)施等環(huán)節(jié)，并且有些項(xiàng)目已經(jīng)量產(chǎn)。由于這個(gè)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，雖然ISO26262在2011年11月15日才正式頒布，英飛凌卻已經(jīng)準(zhǔn)備好了一整套成熟的，完整的，可以支持量產(chǎn)的解決方案，包括硬件，軟件和文檔。在上圖三中的雙XC2300的方案就是其中一個(gè)成熟的解決方案，它們的安全軟件架構(gòu)如下圖四所示：

　　圖四：基于雙XC2300的ASIL D軟件架構(gòu)
　　2.小型化
　　小型化的需求主要來(lái)自于基于直流無(wú)刷電機(jī)的齒條助力式EPS系統(tǒng)。為了追求這一目標(biāo)，將EPS的電控單元集成入直流無(wú)刷電機(jī)中成了各大廠商的首選方案。其主要的方法就是直接向半導(dǎo)體廠商采購(gòu)裸片（Bare Die），然后將貼有這些裸片的陶瓷板安放在電機(jī)的后蓋中。
　　由于主微控制器和預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片的裸片操作比較復(fù)雜，需要廠商具有極高的陶瓷貼片技術(shù)和裸片的引線技術(shù)。因此更多的廠商，尤其是亞洲的廠商選擇的是折中的方案：主微控制器和預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片還是采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝格式，只采用Mosfet的裸片。這樣既能夠顯著減少體積達(dá)到小型化的目的，同時(shí)提高散熱能力，并且又降低了系統(tǒng)的技術(shù)門檻。
　　英飛凌一直以來(lái)致力于新產(chǎn)品和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以能夠支持客戶實(shí)現(xiàn)小型化的目標(biāo)。對(duì)于中小型客戶，英飛凌推出了一系列小封裝、高性能、集成度高的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。對(duì)于中大型客戶，英飛凌既能提供全套的裸片方案，同時(shí)也能提供單個(gè)Mosfet裸片模塊。

6.結(jié)論
　　隨著21世紀(jì)日益突出的能源問(wèn)題和汽車產(chǎn)品的電子化，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越普及?；诟咝詢r(jià)比和開(kāi)發(fā)便捷的考慮，本文介紹的英飛凌EPS方案主要是基于16位主微控制器。隨著系統(tǒng)功能越來(lái)越復(fù)雜，32位主微控制器的方案將成為未來(lái)的主流設(shè)計(jì)。英飛凌的新一代基于65nm技術(shù)的32位主微控制器Aurix系列即將正式面世，其強(qiáng)大的功能、豐富的內(nèi)設(shè)和符合ISO26262的安全特性，能夠幫助客戶實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大、更加小型化、更加安全的EPS系統(tǒng)。