冗余電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù)介紹

引言

在乘用車領(lǐng)域，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）相比傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS）具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、能耗低等優(yōu)點，因此應(yīng)用很廣。隨著智能駕駛的發(fā)展，作為底層執(zhí)行系統(tǒng)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）也迎來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。為了滿足L3級以上自動駕駛的需求，同時提升智能駕駛的駕駛體驗、安全性、可靠性等，要求電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在發(fā)生單點失效的情況下，依然具備一定的助力能力。因此，冗余電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即冗余EPS，成為L3級以上智能駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件。本文主要介紹冗余EPS的發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù)。

一、轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展路徑

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的關(guān)鍵部件之一，對于汽車的操穩(wěn)性、安全性、舒適性起到至關(guān)重要的作用。隨著汽車工業(yè)電動化的深入，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了從機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）、機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)（HPS）到電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的發(fā)展歷程。相比機(jī)械和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結(jié)構(gòu)更加簡單、助力控制響應(yīng)更快，同時能耗也更低，而且不需要保養(yǎng)和維護(hù)，大大提升了用戶的駕駛體驗。汽車工業(yè)電動化的同時，智能化成為了轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展新的驅(qū)動力。為了更好地滿足自動駕駛的需求，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要有更高的安全性和可靠性，從而保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在出現(xiàn)電氣系統(tǒng)故障的時候整車仍然可以進(jìn)入安全狀態(tài)甚至繼續(xù)安全駕駛。因此，冗余EPS、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）開始進(jìn)入人們的視野。其中線控轉(zhuǎn)向（SBW）相比冗余EPS最大區(qū)別在于方向盤和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間無機(jī)械連接，因此在成本控制、設(shè)計靈活性、功能豐富性、空間布置等方面具有明顯優(yōu)勢。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為底盤核心零部件，具有很高的技術(shù)壁壘。我國汽車工業(yè)起步相對較晚，因此當(dāng)前德國、美國、日本、韓國的供應(yīng)商巨頭仍然占據(jù)著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大部分市場，尤其是冗余EPS和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，國內(nèi)仍然處于追趕的狀態(tài)。但是隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的日漸成熟，一些企業(yè)也開始逐步掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)，未來有望快速提升所占的市場份額。

二、?冗余EPS技術(shù)方案

冗余EPS系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)部件、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器總成（TAS）以及電控單元（Powerpack）組成，如圖2-1所示。以皮帶傳動齒條助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（R-EPS）為例，機(jī)械系統(tǒng)主要由齒輪齒條副、滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)、皮帶傳動單元、轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成?？芍С值淖畲簖X條力達(dá)到16kN以上，能夠滿足豪華轎車、SUV以及商務(wù)車的要求。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器總成用于檢測轉(zhuǎn)向扭矩和方向盤轉(zhuǎn)角，主流的冗余傳感器方案通常能夠提供4路轉(zhuǎn)矩信號和2路轉(zhuǎn)角信號，顯著提升了安全性。電控單元是冗余EPS的核心部分，由助力電機(jī)以及驅(qū)動和控制單元組成，助力電機(jī)通常采用六相或十二相無刷直流電機(jī)，由于單點失效導(dǎo)致其中三相無法正常驅(qū)動時，剩余部分仍可正常工作，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力。驅(qū)動和控制單元集成在電機(jī)的后端，由驅(qū)動板、控制板、散熱器、外殼等組成。

圖2-1 冗余EPS系統(tǒng)方案示意圖

基于雙三相無刷直流電機(jī)的全冗余電控方案如圖2-2所示，整個方案采用了雙路獨立外部供電、雙路外部CAN/CANFD通信以及冗余的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器信號。電機(jī)驅(qū)動單元、電機(jī)位置傳感器、電源管理單元、主控MCU也都采用了雙備份的冗余架構(gòu)。主控MCU采用帶鎖步核的32位芯片，具有較高的算力，同時最高支持ASIL-D功能安全等級。雙MCU之間采用CANFD通信，實現(xiàn)信號交互、力矩指令傳遞、故障診斷信號交互等，可以起到相互監(jiān)控的作用，必要時支持主輔切換，提升了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

根據(jù)《GB/T 40429-2021 汽車駕駛自動化分級》對于L3級自動駕駛的定義，車輛在有條件設(shè)計運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行，允許駕駛員注意力離開駕駛?cè)蝿?wù)，但是在系統(tǒng)提示需要接管的時候應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)?；谏鲜鋈哂喾桨福姎庀到y(tǒng)在出現(xiàn)單點失效的場景下，最多損失50%的助力能力，因此對于大部分限定條件下的L3級自動駕駛功能，能夠保證整車在系統(tǒng)提示接管到駕駛員完成階段的時間段處于安全狀態(tài)。

圖2-2 冗余EPS電控方案示意圖

三、冗余EPS關(guān)鍵技術(shù)

3.1 冗余策略與安全機(jī)制

如圖3-1所示為冗余EPS的雙MCU架構(gòu)。雙MCU（ECU A和ECU B）都實現(xiàn)完整控制功能，上電初始化后默認(rèn)分配主從角色。正常工作狀態(tài)下，雙系統(tǒng)均進(jìn)行力矩指令計算，但是從系統(tǒng)響應(yīng)主系統(tǒng)分配的扭矩指令。如果系統(tǒng)發(fā)生單點失效，雙MCU根據(jù)故障診斷與處理機(jī)制判斷是否進(jìn)行主從切換，必要時從系統(tǒng)切換為主系統(tǒng)。

圖3-1 冗余策略與安全機(jī)制示意圖

3.2 基礎(chǔ)助力算法

基礎(chǔ)助力算法的主要作用是為駕駛員提供助力同時保證駕駛員具有良好的駕駛手感，其算法架構(gòu)如圖3-2所示。

圖3-2 基礎(chǔ)助力算法架構(gòu)

基礎(chǔ)助力算法包含隨速助力、高頻助力、穩(wěn)定性補(bǔ)償、橫擺阻尼控制、主動回正控制以及慣量補(bǔ)償?shù)饶K，各個算法模塊作用如下：

隨速助力：提供隨車速變化的助力，提供駕駛員中間位置感覺，中心區(qū)域到兩側(cè)要使駕駛員有力的建立的感覺；

高頻助力：能夠消除系統(tǒng)的慣性，減少粘性和提高應(yīng)答性，并消除反向或快速轉(zhuǎn)向時的助力延遲；

穩(wěn)定性補(bǔ)償：在低頻段保持真實的手感；中頻段降低系統(tǒng)增益，防止系統(tǒng)共振；高頻段提升系統(tǒng)的相位裕度，增加穩(wěn)定性和快速性。

橫擺阻尼控制：增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止方向盤在回正過程中出現(xiàn)“搖頭”現(xiàn)象。

主動回正控制：主動回正控制在車速較低時給系統(tǒng)一個額外的回正力，提升駕駛員的駕駛體驗。

慣量補(bǔ)償控制：計算電機(jī)慣量補(bǔ)償力矩，并疊加到助力力矩上，使得電機(jī)的慣量不影響轉(zhuǎn)向手感。

3.3 高級助力功能

高級助力功能在基礎(chǔ)助力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升駕駛的舒適性以及安全性，高級助力算法架構(gòu)如圖3-3所示。

圖3-3 高級助力算法架構(gòu)

高級助力算法包含摩擦補(bǔ)償模塊、側(cè)風(fēng)補(bǔ)償模塊、加速跑偏補(bǔ)償模塊、直行跑偏補(bǔ)償模塊、路面震顫抑制模塊等，各個算法模塊的作用如下：

摩擦補(bǔ)償：摩擦補(bǔ)償功能來彌補(bǔ)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦從而保證轉(zhuǎn)向力的舒適性；補(bǔ)償目標(biāo)和當(dāng)前轉(zhuǎn)向感覺之間的差異。

側(cè)風(fēng)補(bǔ)償：遇到較強(qiáng)側(cè)風(fēng)時，應(yīng)具有保證車輛穩(wěn)定直線行駛的能力，防止側(cè)風(fēng)導(dǎo)致車輛發(fā)生偏轉(zhuǎn)而偏離直線行駛軌跡。

加速跑偏補(bǔ)償：急加速的過程中，左右車輪上的牽引力不一致導(dǎo)致行駛跑偏的時候，通過補(bǔ)償來保持直線行駛。

直行跑偏補(bǔ)償：正常直行過程中如果存在一定的跑偏現(xiàn)象，可以通過直行跑偏補(bǔ)償進(jìn)行適當(dāng)緩解。

路面震顫抑制：路面震顫抑制算法檢測輪速信號，同時對手盤力矩中與輪速頻率正相關(guān)的頻率特征進(jìn)行提取后，在最終施加給電機(jī)的力矩中減掉這一頻率特征信號與路面震顫進(jìn)行抵消，從而達(dá)到抑制的目的。

3.4 外部請求控制

冗余EPS的外部請求控制功能包含自動駕駛相關(guān)的功能以及底盤穩(wěn)定性相關(guān)的功能。自動駕駛相關(guān)的功能有轉(zhuǎn)矩疊加控制（Torque Overlay）、轉(zhuǎn)角疊加控制（Angle Overlay）、絕對轉(zhuǎn)角控制、泊車轉(zhuǎn)角控制、方向盤振動提醒等，底盤穩(wěn)定性相關(guān)的功能包含Driver Steering Recommendation（DSR）功能。不同功能的原理介紹如下：

轉(zhuǎn)矩疊加控制：能夠響應(yīng)智能駕駛控制器要求的疊加扭矩，實現(xiàn)如車道保持輔助（LKA）等高級駕駛輔助（ADAS）功能。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩疊加控制算法需要系統(tǒng)兼顧ADAS功能的安全作用和混合駕駛舒適性。

轉(zhuǎn)角疊加控制：能夠響應(yīng)智能駕駛控制器要求的角度跟蹤指令，并在EPS內(nèi)部通過合理的計算轉(zhuǎn)化為疊加扭矩指令。基于轉(zhuǎn)角疊加控制實現(xiàn)的LKA功能能夠更好地實現(xiàn)車道線跟蹤的效果，進(jìn)一步降低駕駛員的駕駛壓力。作為ADAS功能的接口，轉(zhuǎn)角疊加控制功能同樣需要兼顧ADAS功能的安全作用和混合駕駛舒適性。

自動駕駛轉(zhuǎn)角控制：L3+自動駕駛場景允許駕駛員的雙手離開方向盤，此時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過自動駕駛轉(zhuǎn)角控制功能來精確、快速地響應(yīng)智能駕駛控制器的目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令，對于角度控制的精度要求很高。在此場景下，無需考慮混合駕駛的場景，但是需要保證駕駛員駕駛與自動駕駛狀態(tài)切換過程的安全性和舒適性。

泊車轉(zhuǎn)角控制：泊車轉(zhuǎn)角控制用于智能駕駛的低速泊車場景，該場景下要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)泊車控制器的目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令。

DSR功能：該功能用于轉(zhuǎn)向與制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制場景。當(dāng)ESC檢測到抱死或側(cè)滑即將發(fā)生時，通知EPS施加一個力幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，可以有效的降低剎車距離、防止或減弱甩尾現(xiàn)象。

方向盤振動提醒：通過助力電機(jī)的高頻振動來實現(xiàn)方向盤振動提醒功能，振動強(qiáng)度多檔可調(diào)，可用于車道偏離預(yù)警等ADAS功能。

圖3-4 外部請求控制功能

四、小結(jié)

冗余EPS已經(jīng)成為當(dāng)前L3+自動駕駛場景下的核心技術(shù)。相比傳統(tǒng)的非冗余EPS，冗余EPS需要更加復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和更加復(fù)雜的功能來保證車輛的安全性、可靠性和駕駛體驗，因此也有更高的技術(shù)壁壘。國際領(lǐng)先的供應(yīng)商已經(jīng)在該領(lǐng)域積累多年，國內(nèi)的供應(yīng)商也在積極追趕，相信未來能夠為消費者提供更多安全、可靠、舒適的產(chǎn)品。

審核編輯：劉清