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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 汽车电动助力转向系统的讨论与方案摘要：现代汽车技术追求高效节能,高舒服性和高安全性三大目标；作为汽车最重要的子系 统之一,转向系统的进展也始终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 ）能节约油耗约3%5%,具有结构精致、节能环保、安全舒服等优点,是汽车助力转向系统的进展方向；英飞凌作为世界其次大车用半导体供应商,始终致力于开发新的产品以适应于电动助力转向系统的进展；本文第一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
2、品,最终本文分析了 EPS 的两个新方向以及英飞凌将采纳的解决方案和新的产品技术；1. 转向系统市场分析在汽车的进展历程中,转向体经受了四个阶段：从简洁的纯机械式转向系统Mechanical Steering,MS）进展到液压助力转向系统 Hydraulic Power Steering,HPS）,然后又显现了电液助力转向系统 Electrically Powered Hydraulic Steering,EHPS）,而目前正开头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.
3、能耗少： EPS 没有转向油泵,且只在转向时电动机才供应助力,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3%5%,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供应正确力,减小路面不平度所引起的对转向系的扰动；且由于 EPS 系统内部采纳刚性连接,系统的滞后特性可以通过软件加以掌握,因此有较好的路感；3. 安装便利： 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、结构紧凑且安装便利；4. 回正性能好： EPS 结构简洁精确、内部阻力小、回正性能好,而
4、且可以通过软件进行补偿,从而可以得到正确的转向回正特性,且可改善汽车的操纵稳固性；1 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5. 应用范畴广： 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,特殊是纯电动汽车,EPS 系统为其正确挑选；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掌握系统结合,例如主动悬架、制动防抱死ABS ）及驾驶员帮助系统等,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；下表一是世界着名的询问公司
5、Strategy Analytics对全球转向系统的猜测,可以看到 EPS 将占据 50% 以上的市场份额；表一： 2007-2022全球转向系统市场猜测 百万套）如分区域来看,过去主要在欧美和日本采纳 EPS. 但是从 2022 开头,中国将超过欧美和日本,成为全球最大的 EPS 市场；见下表二；2 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 表二： 2007-2022 全球转向系统市场分区域猜测 百万套）如分车型来看,全部的广义乘用车都能应用 EPS, 从 2007 年至 2022 年的平均年增长率为 15%.
6、 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 2022 年的 66%.表三： 2007-2022 全球转向系统市场分车型猜测 百万套）2. 电动助力转向系统的介绍电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上进展起来的,它利用电动机产生的动力来帮忙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3 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 感器、方向盘角度传感器和车速传感器）,电子掌握单元和转向助力机构 电机、离合
7、 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掌握单元；电控单元 依据这些输入信号,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 帮助动力的大小；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；依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
8、Rack mounted）；详细的如下图一所示：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；这样的系统结构简洁紧凑、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,而不必担忧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供应比小
9、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供应助力,因此能 供应更大的助力,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：4 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 助力掌握：在汽车停车及低速行驶时供应较大帮助力矩,使转向过程快捷轻巧的进 行,而在汽车高速行驶时供应较小的帮助力矩以保持转向过程的牢靠与沉稳；2. 阻尼掌握：利用电机感应电动势来减弱汽车高速行驶时显现的方向盘抖动现象,目
10、 的是提高汽车高速直线行驶稳固性和快速转向收敛性；3. 回正掌握：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；需要防止两种情形：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总线与其他汽车掌握系统进行通讯,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,软硬件的挑选就特别重要；从半导体供应商的角度,EPS 系统中挑选的助力电机的类型特别关键；一般来讲,常用的EP
11、S 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：直流有刷电机直流有刷电机 DC ）由于技术成熟、掌握器简洁、成本低等特点,短时间内仍将在EPS 电机中占据主导位置；目前主要应用于低成本的 自主品牌的低端车；EPS 上,代表车型为日系车和国内针对于基于直流有刷电机的 EPS 系统,英飞凌提出一套特别成熟牢靠的方案,见图二；5 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图二：英飞凌基于直流有刷电机的 EPS 方案1.
12、 传感器EPS 系统中最重要的输入信号就是方向盘的扭矩,因此扭矩传感器的挑选特别重要；目前国内大部分 EPS 系统采纳的是电位计式扭矩传感器,最主要的缘由是技术成熟、价格廉价；不过由于其是接触式测量,使用时间长后简洁磨损,导致测量值不精确,并且其信号的一样性与精确度都不高；因此英飞凌举荐使用 2 片线性霍尔传感器 TLE4998/TLE4997 作为扭距传感器；TLE4998 是一款全面采纳数字规律结构 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,依据需要可输出 SPCShort PWM Code）、 PWM 或 SENTSingle
13、 Edge Nibble Transmission）信号,其中PWM 信号具有 12 位的辨论率,而 SPC 和 SENT 信号更具有高达 16 位的辨论率；此外, TLE4998 仍带有各种爱护 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最大的区分在于其只支持模拟接口；2. 电子掌握单元 ECU）ECU 担负着处理传感器信号、执行掌握策略、输出掌握信号驱动电机、系统监控诊断和通讯的重任,是系统的核心部件；6 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习
14、资料 - - - - - - - - - 作为 ECU 中的核心元器件,主微掌握器MCU ）需要高性能和高牢靠性；英飞凌推荐在 EPS 中采纳最先进的 XC2000 系列产品作为主微掌握器；XC2000 是英飞凌针对汽车电子特地设计的基于 130nm 技术制造的 16 位微掌握器系列并具有执行某些 32 位指令的才能；它采纳了英飞凌成熟的 C166S-V2 架构并进行了改善,最高的时钟频率达到80MHz. 该架构采纳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
15、统时更加游刃有余；XC2000 系列产品分成三个子系列,其中 XC2300 系列是特地针对安全应用开发的,具有反应快速,高冗余度,高敏捷性和稳固牢靠的特点；由于 DC EPS 低成本的要求,英飞凌举荐 XC2300 中两款低成本的产品：XC2300D 和XC2300S. 他们的区分在于 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掌握,英飞凌供应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,目前主流举荐的是TLE6282/TLE7181/TLE7182. 他们都是内置 2 个高边
16、和 2 个低边输出级,可通过输出0-100% 占空比的 PWM 波掌握 4 颗外接 MOS 管；它带有过流,过温,短路等各类爱护和分析功能；他们的区分在于：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,可以显着地降低系统成本；从整个系统的角度看,本方案所采纳的芯片都是特地为汽车应用而设计的,具有至少-40-125的应用温度范畴,并有很强的静电爱护和抗电磁干扰性能；此外,这些芯片大多采纳无铅材料制造,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：直流无刷电机虽然直流有刷电机价
17、格比较廉价,但是其电刷易磨损、功率密度较低、换向器的电火花简洁产生电磁干扰,特殊是其掌握策略的限制造成手感不好,因此直流无刷电机BLDC ）也逐步应用于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；三；针对于基于直流无刷电机的 EPS 系统,英飞凌也有一套特别成熟牢靠的方案,见图名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,仍需要方向盘角度传感器来收集角度信息来实现主动
18、回正掌握功能和车速信号、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纳测量相位差的方法来实现方向盘转角的测量；它是英飞凌采纳 GMRGiant Magneto Resistance）技术设计的专门用于角度测量的磁性传感器；采纳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殊小巧的传感器模块的特点；TLE5011 可以测量 0-360 的角度范畴,全温度范畴的测量精度为 2 ,采纳 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
19、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,该协处理器特地用于运算三角函数,线性函数和双曲线函数,对于力矩和角度的运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 主掌握器；TLE5009 是 TLE5011 的降成本版本,基本功能相像,区分在于输出接口是模拟信号,并且全温度范畴的测量精度为 3 ；8 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - TLE50
20、12B是 TLE5011的功能增强版本,基本功能相像,区分在于输出接口除了支持 SPI 外,仍支持 PWM,IIF 和 HSM ；全温度范畴的测量精度为 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. 电子掌握单元 ECU）由于性能高、掌握手感好,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,其掌握算法需要采纳空间矢量掌握算法,因而对掌握器的计算精度和速度都提出了较高的要求；为了保证其能精确高效地完成任
21、务,英飞凌举荐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 并拥有一个爱护数据不被非法拜访的 Memory Protection Unit MPU ）；它具有不同类型的片上储备模块stand-by RAM,dual-port RAM,SRAM, program/data SRAM和 program flash memory）并使用硬件CRC 检测和 ECC 码来发觉数据错误并能订正单位错误；它的众多的外设模块可敏捷地满意各种不同的需求,拥有 2 个 10 位辨论率的同步A/D 转换器,多路通用捕获/ 比较单元,多路CAN
22、 接口等等,并可通过 DAP 和 JTAG 接口进行片上调试；此外,它仍带有看门狗和晶振看门狗来保证掌握器的正常运行；除了这颗主微掌握器外,EPS 系统仍需要一个备份微掌握器；它最主要的作用是对主微掌握器进行监控并在主微掌握器失效的情形下切断 EPS 使汽车进入机械转向状态,防止汽车失控而引发危急；在这里,英飞凌举荐的也是 XC2300 16 位微掌握器；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
23、和三个低边输出级可通过输出 0-100% 占空比的最高 30kHz 的 PWM 波掌握 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,短路等各类爱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的最大区分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,实现矢量掌握算法来精确地掌握电机；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方向：ISO26262与小
24、型化1.ISO26262 9 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - ISO26262 标准主要定位在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等特地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 年开头进展,于 2022 年 11 月 15 日正式颁布； 2022 年 8 月国家标准化委员会发布关于下达 2022 年第一批国家标准制修订方案的通知中,正式将 ISO26262 标准列入国标制定方案；将来 ISO2626
25、2 对汽车产业尤其汽车电子的影响程度将不亚于 ISO/TS 16949.ISO26262 标准依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 必需要满意ASIL D, 而 ASIL D 对系统硬件和软件开发流程的要求特别高；因此,一个好的半导体解决方案会帮忙整车厂和 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
26、商,英飞凌有幸参加了这几大车厂原型机的设计,验证,实施等环节,并且有些工程已经量产；由于这个先发优势,虽然ISO26262在 2022年 11 月 15 日才正式颁布,英飞凌却已经预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,它们的安全软件架构如下图四所示：10 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图四：基于双XC2300的 ASIL D软件架构2. 小型化小型化的需求主要来自于基于直流无刷电机的齿条助力式EPS 系
27、统；为了追求这一目标,将 EPS 的电控单元集成入直流无刷电机中成了各大厂商的首选方案；其主要的方法就是直接向半导体厂商选购裸片Bare Die）,然后将贴有这些裸片的陶瓷板安放在电机的后盖中；由于主微掌握器和预驱动芯片的裸片操作比较复杂,需要厂商具有极高的陶瓷贴片技术和裸片的引线技术；因此更多的厂商,特殊是亚洲的厂商挑选的是折中的方案：主微控制器和预驱动芯片仍是采纳标准的封装格式,只采纳Mosfet的裸片；这样既能够显着减少体积达到小型化的目的,同时提高散热才能,并且又降低了系统的技术门槛；英飞凌始终以来致力于新产品和新技术的开发,以能够支持客户实现小型化的目标；对于中小型客户,英飞凌推出了
28、一系列小封装、高性能、集成度高的芯片来实现系统的小型化；对于中大型客户,英飞凌既能供应全套的裸片方案,同时也能供应单个Mosfet裸片模块；6. 结论 随着 21 世纪日益突出的能源问题和汽车产品的电子化,电动助力转向系统会越来越普及；基于高性价比和开发便利的考虑,本文介绍的英飞凌EPS 方案主要是基于16 位主微掌握器；随着系统功能越来越复杂,32 位主微掌握器的方案将成为将来的主流设计；英飞凌的新一代基于 65nm 技术的 32 位主微掌握器 Aurix 系列即将正式面世,其强大的功能、丰富的内设和符合 ISO26262 的安全特性,能够帮忙客户实现更加强大、更加小型化、更加安全的 EPS 系统；11 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页