汽车电动助力转向系统的研究与方案_英飞凌

汽车汽车电动助力转向系统的研究与方案电动助力转向系统的研究与方案 英飞凌科技英飞凌科技(中国中国)有限公司有限公司 刘山刘山 来源来源: 电子工程专辑电子工程专辑 摘要：摘要： 现代汽车技术追求高效节能， 高舒适性和高安全性三大目标。 作为汽车最重要的子系统 之一， 转向系统的发展也一直努力追求达到这些目标。 与传统液压助力转向系统(HPS)相比， 电动助力转向系统(EPS)能节省油耗约 35%， 具有结构精巧、 节能环保、 安全舒适等优点， 是汽车助力转向系统的发展方向。 英飞凌作为世界第二大车用半导体供应商， 一直致力于开发新的产品以适应于电动助力 转向系统的发展。 本文首先介绍转向系统的市场分析以及 EPS 的分类及其基本功能， 然后在 此基础上介绍英飞凌对于基于两种不同电机的 EPS 系统的解决方案及其产品， 最后本文分析 了 EPS 的两个新方向以及英飞凌将采用的解决方案和新的产品技术。 关键词：关键词：电动助力转向 EPS 英飞凌 Infineon 1 转向系统市场分析转向系统市场分析 在汽车的发展历程中， 转向体经历了四个阶段： 从简单的纯机械式转向系统(Mechanical Steering，MS)发展到液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)，然后又出现了电液 助力转向系统(Electrically Powered Hydraulic Steering，EHPS)，而目前正开始广泛应用的是电 动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)。 与传统的液压动力转向系统相比，电动助力转向系统主要有以下几个方面的优势： 1. 能耗少：EPS 没有转向油泵，且只在转向时电动机才提供助力，所以动力消耗和燃 油消耗均可降到最低。比液压助力转向系统可节约燃油 35，因而燃油经济性 有了很大的提高。 2. 路感好：EPS 能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系 的扰动。且由于 EPS 系统内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以 控制，因此有较好的路感。 3. 安装方便：EPS 取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等零件， 并且其电机和减速机构安装在转向柱或装在转向器内， 从而使整个转向系统的重量 减轻、结构紧凑且安装方便。 4. 回正性能好：EPS 结构简单精确、内部阻力小、回正性能好，而且可以通过软件进 行补偿，从而可以得到最佳的转向回正特性，且可改善汽车的操纵稳定性。 5. 应用范围广：EPS 可适应各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车。而对于新 能源车，尤其是纯电动汽车，EPS 系统为其最佳选择。 6. 整车网络构建：EPS 由于有 CAN/LIN 的网络接口，可以与汽车其它电子控制系统结 合，例如主动悬架、制动防抱死(ABS)及驾驶员辅助系统等，共享其电子装置的功能，实现 更加复杂的功能，比如汽车智能化的终极目标：无人驾驶。 下表一是世界著名的咨询公司 Strategy Analytics 对全球转向系统的预测，可以看到 EPS 将占据 50%以上的市场份额。 表 一 2007-2018 全球转向系统市场预测 （百万套） 若分区域来看，过去主要在欧美和日本采用 EPS。但是从 2015 开始，中国将超过欧美 和日本，成为全球最大的 EPS 市场。见下表二。 表二 2007-2017 全球转向系统市场分区域预测 （百万套） 若分车型来看，所有的广义乘用车都能应用 EPS，从 2007 年至 2017 年的平均年增长率 为 15%。不过由于大型轿车和轻卡对于 EPS 的需求增长迅猛，表三显示从 C 级以下的小型 轿车的份额从 2007 年的 86%下降为 2018 年的 66%。 表三 2007-2018 全球转向系统市场分车型预测 （百万套） 2 电动助力转向系统的电动助力转向系统的介绍介绍 电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的， 它利用电动机产生的动 力来帮助驾驶员进行转向操作。 系统主要由三大部分构成： 信号传感装置(包括扭矩传感器、 方向盘角度传感器和车速传感器)，电子控制单元和转向助力机构(电机、离合器、减速传动 机构等)。 电动机仅在需要助力时工作， 驾驶员在操纵转向盘时， 装在转向盘轴上的扭矩传感器不 断地测出转向轴上的扭短信号， 该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。 电控单元根据 这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动 力的大小。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上， 使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。 根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式 (Column Mounted)，小齿轮助力式(Pinion mounted)，双小齿轮助力式(2xPinion mounted)和 齿条助力式(Rack mounted)。具体的如下图一所示： 图 一 电动助力转向系统的分类 管柱助力式 EPS 系统中将助力电机安装在管柱上， 通过减速增扭机构与转向轴相连， 直 接驱动转向轴助力转向。这样的系统结构简单紧凑、易于安装，但由于助力电机安装在驾驶 舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧 凑型车辆上。 小齿轮助力式 EPS 系统中将助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连， 直接驱动 齿轮实现助力转向。 由于助力电机不是安装在乘客舱内， 因此可以使用较大的电机以获得较 高的助力扭矩， 而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。 双小齿轮助力式 EPS 系统由于增 加了一对齿轮齿条而能提供比小齿轮助力式更大的助力， 但是成本上也略高。 而齿条助力式 EPS 系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力，因此能提供更大的助力，但 整套系统结构复杂，成本较高，所以适用于豪华车和商务车上。 无论哪种 EPS 系统，其要实现的功能大致相同： 1. 助力控制： 在汽车停车及低速行驶时提供较大辅助力矩， 使转向过程快捷轻便的进 行，而在汽车高速行驶时提供较小的辅助力矩以保持转向过程的可靠与沉稳。 2. 阻尼控制： 利用电机感应电动势来减弱汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象， 目 的是提高汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性。 3. 回正控制：驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回 正力矩的作用下回正。需要防止两种情况： （1）回正力矩过大，引起转向盘位置超 调； （2）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。 4. 系统通信功能： 通过 CAN/LIN 总线与其他汽车控制系统进行通讯， 实现更加复杂的 功能。 5. 系统故障诊断功能：能实时监控整个系统，具有故障报警和提示功能，在故障不能 自动排除时关断 EPS 使车辆进入传统的机械转向模式。 为了实现上述功能，软硬件的选择就非常重要。从半导体供应商的角度，EPS 系统中选 择的助力电机的类型非常关键。一般来讲，常用的 EPS 助力电机分为直流有刷电机(DC)和直 流无刷电机(BLDC)两种。针对这两种电机，英飞凌都有相应的全套解决方案。 3 英飞凌电动助力转向系统方案英飞凌电动助力转向系统方案 - 直流有刷电机直流有刷电机 直流有刷电机(DC)由于技术成熟、控制器简单、成本低等特点，短时间内仍将在 EPS 电 机中占据主导地位。 目前主要应用于低成本的 EPS 上， 代表车型为日系车和国内自主品牌的 低端车。 针对于基于直流有刷电机的 EPS 系统，英飞凌提出一套非常成熟可靠的方案，见图二。 图二 英飞凌基于直流有刷电机的 EPS 方案 1. 传感器 EPS 系统中最重要的输入信号就是方向盘的扭矩，因此扭矩传感器的选择非常重要。目 前国内大部分 EPS 系统采用的是电位计式扭矩传感器， 最主要的原因是技术成熟、 价格便宜。 不过由于其是接触式测量，使用时间长后容易磨损，导致测量值不准确，并且其信号的一致 性与精确度都不高。 因此英飞凌推荐使用 2 片线性霍尔传感器 TLE4998/TLE4997 作为扭距传感器。TLE4998 是一款全面采用数字逻辑结构（20 bit 的数字信号处理） ，具有数字温度补偿功能的汽车级 （-40-150）的可编程线性霍尔传感器，根据需要可输出 SPC（Short PWM Code） 、PWM 或 SENT（Single Edge Nibble Transmission）信号，其中 PWM 信号具有 12 位的分辨率，而 SPC 和 SENT 信号更具有高达 16 位的分辨率。此外，TLE4998 还带有各种保护（防反接，过压， 输出短路等）和在线诊断（电压，EEPROM 错误等）功能，并具有极强的抗应力和抗 EMC 性能。TLE4997 与 TLE4998 最大的区别在于其只支持模拟接口。 2. 电子控制单元（ECU） ECU 担负着处理传感器信号、执行控制策略、输出控制信号驱动电机、系统监控诊断 和通讯的重任，是系统的核心部件。 作为 ECU 中的核心元器件，主微控制器(MCU)需要高性能和高可靠性。英飞凌推荐在 EPS 中采用最先进的 XC2000 系列产品作为主微控制器。XC2000 是英飞凌针对汽车电子专门 设计的基于 130nm 技术制造的 16 位微控制器系列并具有执行某些 32 位指令的能力。它采 用了英飞凌成熟的 C166S-V2 架构并进行了改善，最高的时钟频率达到 80MHz。该架构采用 了多路数据总线技术（multiple data buses） ，大部分指令都能在一个时钟周期内完成，也支 持DSP技术。 XC2000的强大的功能和众多的外设使工程开发人员设计系统时更加游刃有余。 XC2000 系列产品分成三个子系列，其中 XC2300 系列是专门针对安全应用开发的，具有反应 迅速， 高冗余度， 高灵活性和稳定可靠的特点。 由于 DC EPS 低成本的要求， 英飞凌推荐 XC2300 中两款低成本的产品： XC2300D 和 XC2300S。 他们的区别在于 XC2300D 支持 CAN 总线通讯， 而 XC2300S 只支持 LIN 总线通讯。 针对 EPS 系统中最重要的电机控制，英飞凌提供的方案是全桥预驱动芯片加上 4 颗 Mosfet 来驱动直流有刷电机。对于全桥预驱动芯片，目前主流推荐的是 TLE6282/TLE7181/TLE7182。他们都是内置 2 个高边和 2 个低边输出级，可通过输出 0-100% 占空比的 PWM 波控制 4 颗外接 MOS 管。 它带有过流， 过温， 短路等各类保护和分析功能。 他们的区别在于： TLE6282 最高工作电压为 60V， 且没有内置运算放大器； 而 TLE7181/TLE7182 最高工作电压仅为 34V，内置一个高精度的运算放大器，可以显著地降低系统成本。 从整个系统的角度看，本方案所采用的芯片都是专门为汽车应用而设计的，具有至少 -40-125的应用温度范围，并有很强的静电保护和抗电磁干扰性能。此外，这些芯片大多 采用无铅材料制造，是对环境友好的绿色芯片。 4 英飞凌电动助力转向系统方案英飞凌电动助力转向系统方案 - 直流无刷电机直流无刷电机 虽然直流有刷电机价格比较便宜，但是其电刷易磨损、功率密度较低、换向器的电火花 容易产生电磁干扰，尤其是其控制策略的限制造成手感不好，因此直流无刷电机(BLDC)也逐 渐应用于 EPS 中。目前主要应用于中高端的 EPS 上，代表车型为欧美系和国内自主品牌的中 高端车型。 针对于基于直流无刷电机的 EPS 系统，英飞凌也有一套非常成熟可靠的方案，见图三。 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电动助力转向系统的新方向方向：ISO26262 与小型化与小型化 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，