基于英飛凌產(chǎn)品的汽車(chē)EPS方案
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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。由于本方案要控制的是永磁同步電機(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。為保證其能準(zhǔn)確高效地完成任務(wù)，在這個(gè)方案中，我們采用了英飛凌最先進(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(chē)電子專(zhuān)門(mén)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(xiàn)技術(shù)，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)大功能和眾多外設(shè)使工程開(kāi)發(fā)人員在設(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(zhuān)門(mén)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)。
本方案中采用的XC2336B是英飛凌最新的微控制器，擁有一個(gè)帶五級(jí)流水線(xiàn)的最高80MHz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(fǎng)問(wèn)的Memory Protection Unit(MPU)。它具有不同類(lèi)型的片上存儲(chǔ)模塊(8k stand-by RAM，2k dual-port RAM，最高16k data SRAM，最高16k program/data SRAM和最高320k 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。它的眾多外設(shè)模塊可靈活地滿(mǎn)足各種不同的需求，擁有2個(gè)可擴(kuò)展為9路的10位分辨率的同步A/D轉(zhuǎn)換器、16路通用捕捉/比較單元、兩路帶PWM產(chǎn)生器的捕捉/比較單元、5個(gè)定時(shí)器、40路通用I/O接口、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(mén)狗和晶振看門(mén)狗來(lái)保證控制器的正常運(yùn)行。該芯片的體積十分小巧，采用了64管腳的綠色LQFP封裝，并具有節(jié)能的喚醒模式。
除了主微控制器外，這個(gè)方案還使用了一顆英飛凌的8位微控制器XC836MT作為備份微控制器。這是一顆具有8051內(nèi)核的微控制器，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(chē)進(jìn)入機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免汽車(chē)失控而引發(fā)危險(xiǎn)。
在該方案中，作為電源芯片的是一顆低壓差輸出穩(wěn)壓器TLE42764D V50。它的輸出電壓在2.5V到20V之間，可調(diào)或可作精度為2%的5V固定輸出，輸出電流最大為400mA。它具有過(guò)溫、反接、短路等一系列保護(hù)，并可通過(guò)Enable來(lái)關(guān)斷使關(guān)斷電流降到10μA以下。
為配合系統(tǒng)中傳感器使用的要求，該方案使用了電壓跟隨器TLE4250-2G作為傳感器的電源。它具有較低的成本，能有效防止傳感器短路對(duì)微控制器產(chǎn)生沖擊。該芯片采用很小的SMD封裝。具有較寬的輸入電壓范圍，能輸出最大50毫安的電流，并對(duì)過(guò)溫、反接、短路等作了保護(hù)。
針對(duì)EPS系統(tǒng)中最重要的電機(jī)控制，我們采用了英飛凌的TLE7183QU這顆專(zhuān)門(mén)的大電流三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)本方案中的永磁同步電機(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。它帶有過(guò)流、過(guò)溫、短路等各類(lèi)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48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，從而保證了系統(tǒng)良好的散熱性能和焊接的便利性。為利用矢量控制算法精確地控制電機(jī)，我們采用兩個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機(jī)的兩相電流，并利用TLE7183QU自帶的一路運(yùn)放作整體電流保護(hù)。
隨著自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)等高端應(yīng)用的不斷推廣，EPS系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的通訊變得越來(lái)越緊密，為滿(mǎn)足系統(tǒng)間通訊的需求，本方案中采用了CAN收發(fā)器TLE6250(或TLE6251)和LIN收發(fā)器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有CAN收發(fā)器的普通功能外，還具有行業(yè)領(lǐng)先的靜電保護(hù)和抗電磁干擾性。TLE6251則具有極全面的失效分析檢測(cè)功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2、1.3和2.0 LIN規(guī)范，休眠功耗也很低。
此外，在本方案中我們還采用了EPCOS的一些被動(dòng)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)一些輔助功能，具體來(lái)說(shuō)，我們采用了它的電解電容B41866C6107M000和電感T6174來(lái)做電源的濾波電路，實(shí)現(xiàn)輸入電源的穩(wěn)定性，并利用電解電容B41695A7228Q007作為電機(jī)的供電母線(xiàn)的紋波吸收電容。此外，EPCOS的熱敏電阻B57702-M103-J被黏貼固定到MOS管上測(cè)量其溫度以防止系統(tǒng)過(guò)熱引起的故障。
從整個(gè)系統(tǒng)的角度看，本方案所采用的芯片都是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有至少-40至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。
本方案是我們針對(duì)亞太區(qū)新興市場(chǎng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，均衡了性能、成本、開(kāi)發(fā)難度等各種因素，使其適應(yīng)本地區(qū)客戶(hù)的需求。從全球范圍來(lái)看，EPS系統(tǒng)正經(jīng)歷著快速的發(fā)展，一些全球領(lǐng)先的供應(yīng)商已經(jīng)推出了更先進(jìn)的方案，下面我們將對(duì)此做簡(jiǎn)單介紹。
新型EPS系統(tǒng)的發(fā)展方向
EPS系統(tǒng)的發(fā)展方向是小型化和高度集成化，所以將EPS控制器集成到EPS電機(jī)中成為一個(gè)通用的解決方案。目前全球領(lǐng)先的EPS系統(tǒng)供應(yīng)商幾乎都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這樣的方案。其主要的特點(diǎn)就是將所有的元器件采用裸片的形式排布在一塊或兩塊陶瓷板上，并將陶瓷板安放到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的后蓋中。圖4即為英飛凌為客戶(hù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
英飛凌先進(jìn)的ESP集成方案的結(jié)構(gòu)示意圖
我們可以看到，在該方案中所有的芯片被排布在兩塊陶瓷板上，一塊上安放了所有的電源、微控制器和MOS管驅(qū)動(dòng)芯片等芯片，另一塊上則集中安放MOS管和一個(gè)電感，并做了增強(qiáng)的散熱設(shè)計(jì)。此類(lèi)方案的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，整個(gè)電子控制單元被集成到電機(jī)后蓋中，體積小、連接線(xiàn)少，充分利用了電機(jī)后蓋散熱，系統(tǒng)的可靠性較好。但對(duì)于亞太區(qū)新興市場(chǎng)的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，由于他們的終端客戶(hù)群普遍比較小，且本身技術(shù)力量較為薄弱，所以該方案的實(shí)施尚有較大難度，主要是在以下幾個(gè)方面：
該方案需得到芯片廠(chǎng)及電機(jī)廠(chǎng)的配合，包括芯片和電機(jī)的定制都需要較大的投入，這對(duì)亞太區(qū)絕大部分客戶(hù)來(lái)說(shuō)意味著前期高額的研發(fā)支出，在沒(méi)有較大客戶(hù)群支撐的情況下，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)太大；由于涉及到芯片和電機(jī)的定制，故要求開(kāi)發(fā)者有極強(qiáng)的系統(tǒng)知識(shí)，且經(jīng)常涉及到整車(chē)廠(chǎng)的參與，而亞太區(qū)的客戶(hù)則大部分進(jìn)入行業(yè)不久，其本身的技術(shù)積累還不足以參與到這樣的設(shè)計(jì)中去；該方案需要陶瓷貼片技術(shù)和裸片的引線(xiàn)技術(shù)，目前，在亞太區(qū)也很少有貼片廠(chǎng)擁有這樣成熟的處理技術(shù)。
正是考慮到這些因素，本文介紹的基于英飛凌產(chǎn)品的EPS方案是切合實(shí)際且具有很高性?xún)r(jià)比的方案。
本文小結(jié)
EPS的使用正變得越來(lái)越廣泛，特別在亞太區(qū)新興市場(chǎng)，其市場(chǎng)總量和年增長(zhǎng)率正變得越來(lái)越引人注目。本文介紹的基于英飛凌產(chǎn)品的EPS技術(shù)方案具有功能全面、性能可靠、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，可以幫助汽車(chē)系統(tǒng)供應(yīng)商縮短研發(fā)進(jìn)程，減少研發(fā)成本，以較快的速度切入市場(chǎng)并以令人信服的產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，作為英飛凌的一級(jí)代理商，晶川公司將和英飛凌一起竭盡所能地協(xié)助客戶(hù)達(dá)成這一宏偉目標(biāo)。
評(píng)論