電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS組成及工作原理

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車重要的組成部分，也是人與汽車之間的重要連接工具，它隨著汽車整體的發(fā)展和新技術的出現(xiàn)而推陳出新，從剛開始的機械轉(zhuǎn)向、機械式液壓助力轉(zhuǎn)向HPS、電液助力轉(zhuǎn)向EHPS、電動助力轉(zhuǎn)向EPS，以及當前最新的線控轉(zhuǎn)向SBW。

今天要聊的是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS，1988年2月日本鈴木公司首次在其Cervo 車上裝備汽車電動助力轉(zhuǎn)向。在此之后，電動助力轉(zhuǎn)向技術迅速發(fā)展。大發(fā)、三菱、本田、德爾福汽車系統(tǒng)公司先后研制出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并裝配在其產(chǎn)品上。當前電動助力轉(zhuǎn)向在車上已經(jīng)非常普遍了。下面會從電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理、EPS控制單元測試、EPS冗余三方面來梳理。

01.

系統(tǒng)組成及工作原理

電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、方向盤扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電機和減速機構(gòu)等組成，如下圖所示。

▲?EPS系統(tǒng)組成簡圖

其中轉(zhuǎn)角傳感器用于實時檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置，轉(zhuǎn)矩傳感器用于實時檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩大小并將信號輸送到EPS控制單元。轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器的精度決定了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能可靠性。

車速傳感器用來測量車速的大小。車速傳感器一般采用電磁感應式傳感器安裝在變速箱上。該傳感器根據(jù)車速的變化把主副兩個系統(tǒng)的脈沖信號傳送給ECU。

助力電動機的特性直接影響到EPS系統(tǒng)控制的難易程度和駕駛員的手感。EPS系統(tǒng)對助力電動機的基本要求是：應具有高可靠性、大功率、低噪聲和振動，較低的摩擦轉(zhuǎn)矩、較小的體積和重量；能夠在堵轉(zhuǎn)下輸出轉(zhuǎn)矩；有良好的機械特性，在工作過程中轉(zhuǎn)矩波動盡量要??；轉(zhuǎn)動慣量盡可能小；應能快速反轉(zhuǎn)。

目前 EPS系統(tǒng)的助力電動機通常有永磁直流電動機、直流無刷電動機和開關磁阻電動機等。直流有刷電動機技術成熟、控制器簡單、成本低、但存在電刷易磨損、功率密度低、由換向器的電火花產(chǎn)生的電磁干擾等缺點。直流無刷電動機采用電子換向、減少了換向時的電火花，不需要經(jīng)常維護以及具有較高的效率和功率密度而受到越來越多的關注。

減速機構(gòu)與電動機相連，起減速增扭作用。EPS系統(tǒng)的減速機構(gòu)常采用蝸輪蝸桿機構(gòu)、循環(huán)球螺桿螺母、行星齒輪機構(gòu)等。為了保證EPS系統(tǒng)只在預先設定的車速范圍內(nèi)起作用，有的 EPS系統(tǒng)還配用離合器。當車速達到某一值時離合器分離，電動機停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。另外當電動機發(fā)生故障時離合器將自動分離。

ECU的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩和車速信號進行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令控制助力電動機的動作。此外ECU還有安全保護和自我診斷功能。ECU通過采集電動機的電流、發(fā)電機電壓、發(fā)動機工況等信號判斷其系統(tǒng)工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動取消，同時ECU將進行故障診斷分析。

整個系統(tǒng)的工作原題大致為：ECU根據(jù)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器的信號以及通訊總線發(fā)來的車速等其他信息決定電機的轉(zhuǎn)動方向和最佳助力扭矩，向電機發(fā)出控制信號，通過功率驅(qū)動電路控制電機的轉(zhuǎn)動，電機的輸出經(jīng)過減速機構(gòu)減速增扭后，驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法，可改變電機的扭矩，使傳動機構(gòu)獲得所需的助力值。

由于轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)向軸連接在一起，當轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動角位移變成電信號傳給ECU，ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號決定電動機的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實時控制助力轉(zhuǎn)向。因此它可以很容易地實現(xiàn)在車速不同時提供電動機不同的助力效果，保證汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時穩(wěn)定可靠。

▲?EPS控制簡要原理圖(來源：汽車電子與軟件)

▲?EPS系統(tǒng)控制策略簡圖

02.

各芯片廠商的設計方案

整體來說，還是幾家主要的MCU廠商提供的方案，包括ST、英飛凌、瑞薩。

首先看看ST的EPS方案，其由 ST 車規(guī)級 32-bit PowerPC 架構(gòu)的微處理器 SPC560P50 以及6路MOS驅(qū)動IC L9908和車規(guī)級MOS組成。方案適合12V、24V、48V系統(tǒng)，同時也具備相應的診斷保護功能。

▲ ST系統(tǒng)框圖

SPC560P50擁有適合于電機開發(fā)的FlexPWM以及適配CTU的ADC模塊，支持高達64MHz主頻的內(nèi)核更能保證應用資源的需求。

驅(qū)動IC L9908支持三路ADC采樣以及6路MOS驅(qū)動的輸出，擁有能讀取全故障列表的SPI接口，更適合于標準的三相永磁同步電機方案的開發(fā)。

該方案的軟件基于ST的SPC5Studio與MCTK（電機控制套件）開發(fā)，其中免費的IDE SPC5Studio 提供MCU的各種外設支持，成熟的MCTK平臺也提供了各種用于電機控制的接口，可幫助客戶減少底層開發(fā)周期，并且用于快速系統(tǒng)調(diào)試。

電機控制工具套件的關鍵特點：

符合AEC-Q100

120MHz Flex PWM模塊

通過SPC5Studio插件配置SPC5 FOC Lib

實現(xiàn)FOC控制的嵌入式軟件庫（SPC5-MCTK-LIB）

SPC560P + L9908板

帶感應/無感應器的BLDC電機

下面是英飛凌的EPS解決方案，其中主控芯片Tricore的TC33X或TC36X，PMIC為大家熟知的TLF35584，轉(zhuǎn)矩傳感器為TLE499X，三相驅(qū)動芯片為TLE9180等，整體方案如下圖所示。

該方案提供獨具特色的故障運行EPS芯片組，且均經(jīng)過驗證。不同于獨立的解決方案，經(jīng)過校準的芯片組能夠減少開發(fā)工作量。降低BOM材料成本，且支持擴展，適用于不同車型和駕駛模式。

系統(tǒng)特定：

功能強大、可擴展、體積小

經(jīng)認證的互操作性

EPS系統(tǒng)支持基于nx3 相的故障安全和故障運行

一致的安全概念，專注于電源和微控制器

可通過軟件進行調(diào)整：適用于多種駕駛模式和車型

支持升級，以滿足未來需求，如自動駕駛的線控轉(zhuǎn)向

瑞薩提供的方案主要基于自己的?RH850/P1x以及RAA270005 PMIC來設計，總體方案如下圖所示。

03.

冗余方案

冗余，意味著備份，首先是硬件層面，包括冗余傳感器，主流的冗余傳感器通常提供4路轉(zhuǎn)矩信號和2路轉(zhuǎn)角信號，ECU是冗余EPS的核心部分，由助力電機以及驅(qū)動和控制單元組成，助力電機通常采用六相或十二相無刷直流電機，由于單點失效導致其中三相無法正常驅(qū)動時，剩余部分仍可正常工作。該方案中ECU僅有一個。

另外一個方案為?基于雙三相無刷直流電機的全冗余電控方案，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。電機驅(qū)動單元、電機位置傳感器、電源管理單元、主控MCU也都采用了雙備份的冗余架構(gòu)。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。

最后除了將ECU、傳感器做冗余外，還有業(yè)內(nèi)人士提出了一種帶電機冗余的方案，如下圖所示，除了機械部分外，其他均有冗余，該方案從復雜程度、以及方案成本來說，都是最高的。

04.

EPS控制器測試

電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車內(nèi)最重要的系統(tǒng)之一，其安全性至關重要，除了從方案上保證安全外，還需要測試來進行驗收閉環(huán)，下面來看看EPS ECU硬件測試項，主要分為電壓類測試、電流類測試、EMC測試、環(huán)境類測試、機械類測試、其它類測試等。

1.?電壓測試

運行電壓測試

測試條件：在室溫、基本性能測試使用的電源電壓分別為 9± 0.1V、14±0.1V和 16±0.1V。

滿足條件：在電源電壓為 12V 時，測量電子設備的暗電流，它應該小于0.3mA；在電源電壓為 6V 并且點火時，CAN 通信應可用。

反極性測試

測試條件：測試電壓：-18±0.2 V；測試時間：5±0.5 min；計數(shù)：兩次間隔5min；測試模式休眠模式，該被測設備應在無工作負荷下運行，僅僅可用于無電機電流的通信。

滿足條件：測試期間，不應存在損壞零件；測試后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行。不允許故障碼。

過壓測試

測試條件：測試步驟如下表所示，測試模式為休眠模式。

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滿足條件：測試完成后，被測設備的一個或多個功能在測試時不按設計來執(zhí)行，但會在測試之后自動恢復到正常運行。不允許未定義的功能。允許存儲記憶功能。

電源電壓變化測試

測試條件：電壓變化如圖所示，測試循環(huán)大于10個波形周期，測試模式為休眠模式。

滿足條件：在測試波形 2 中，如果狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ够顒?，記錄該現(xiàn)象，并重新啟動測試；在測試期間和測試后，被測設備的一個或多個功能在測試時不按設計來執(zhí)行，但會在測試之后自動恢復到正常運行。不允許未定義的功能。允許存儲記憶功能。

2.電流類測試

暗電流測試

測試條件：測試電壓：12.0±0.1V；測試模式為OFF模式。

滿足條件：最大允許暗電流為 0.3mA；測試后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行。不允許故障碼。

短路測試

測試條件：測試電壓：12.0±0.1V，測試方式分別為接地短路測試，電池短路測試，測試時間為5min/次，測試模式為休眠模式。

滿足條件：被測設備的一個或多個功能在測試期間不按照設計執(zhí)行并且在測試后不會恢復到正常運行狀態(tài)；輸出端應確保能經(jīng)得住短路電流并且在熔斷器重置后能恢復到正常狀態(tài)。

上電/斷電測試

測試條件：測試分為上下電和KL15 ON/OFF兩種測試場景，對于電池上下電測試方式如下，其中T1為10ms或50ms，對于KL15 ON/OFF，T1 0.5/1/2/3s，測試周期為10。

滿足條件：被測設備的一個或多個功能在測試期間不按照設計執(zhí)行并且在測試后不會恢復到正常運行狀態(tài)；輸出端應確保能經(jīng)得住短路電流并且在熔斷器重置后能恢復到正常狀態(tài)。

3.EMC測試

輻射抗擾度測試

測試條件：步長不大于表中明確規(guī)定的長度；駐留時間：2 s；測試頻率特征①C.W；②正弦波振幅（AM）為 1kHz，正弦波的80%處，調(diào)制指數(shù)m=0.8；③t 大于 577us 且周期為4600 us 時的正弦波脈沖調(diào)制（PM 近似于 GSM）；RI 測試頻率：80MHz 到 2000MHz，BCI 測試頻率：20 MHz 到 400 MHz，其他測試條件和設置可參考ISO11452-2 和 11452-4。

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滿足條件：測試設備滿足如下測試極限：

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4.環(huán)境類測試

高溫工作測試

測試條件：將樣件放在85±3℃條件下1±0.5h之后；測試時間：168h；重復以下休眠模式10min；被測設備無操作電壓，同整車狀態(tài)完整的線束模式50 min；12.0 ±0.2v；再放置在正常溫度下 2h，然后進行基本功能測試。

滿足條件：在測試期間和測試之后，被測設備的一個或多個功能在測試期間不
按照設計執(zhí)行并且在測試后不會恢復到正常運行狀態(tài)。

低溫工作測試

測試條件：將樣件放置在（-30±3）℃環(huán)境下1±0.5h之后；測試時間：168 h；重復以下測試模式；休眠模式10 min，同整車狀態(tài)完整的線束模式50 min；12.0?±0.2v；再放置在正常溫度下 2h，然后進行基本功能測試。?若離開室溫后出現(xiàn)問題， 需拆解以觀察是否有明顯缺陷。

滿足條件：在測試期間和測試之后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應變或損壞。

低溫操作測試

測試條件：將樣件放置在（-30±3）℃環(huán)境下1±0.5h之后；測試時間：168 h；重復以下測試模式；休眠模式10 min，同整車狀態(tài)完整的線束模式50 min；12.0?±0.2v；再放置在正常溫度下 2h，然后進行基本功能測試。

滿足條件：在測試期間和測試之后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應變或損壞。

恒定濕熱測試

測試條件：將被測件暴露于溫度 85±3℃、濕度 93%±3%[RH] 的環(huán)境下 21 天；?測試模式為休眠模式，但測試期間的最后一個小時需將被測件?調(diào)整到滿足條件運行模式。

滿足條件：在測試期間和測試之后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行，不允許故障碼；當測試結(jié)束后，將樣件置于常溫下 2 小時并去除水分，然后進行基本操作測試。

5.機械測試

機械沖擊測試

將被測件按實車位置安裝，按照下表數(shù)據(jù)進行測試。

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滿足條件：在測試期間和測試之后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應變或損壞。無外部應變或損壞。

6.自由落體/墜落測試

測試條件：墜落高度：被測件從 1m高處自由墜落到混凝土或鋼鐵的表面；墜落次數(shù)：每個樣件測試兩次；墜落的方向：第二次自由墜落的方向和第一次相反，但除了連接器的那一面。

滿足條件：如果有外部應變或損壞，DUT 不通過功能測試；如果沒有外部應變或損壞，在測試期間和測試之后，被測設備的所有功能在測試期間或之后按照設計來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應變或損壞。無外部應變或損壞。

除了以上測試外，耐化學測試、氣體腐蝕測試、電池充放電測試、拋負載測試、24V 電壓啟動車輛測試，就不一一贅述了。

審核編輯：黃飛

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