基于英飛凌產(chǎn)品的汽車EPS技術方案設計

　　這種不斷增長的市場趨勢是由于EPS系統(tǒng)本身具有的諸多優(yōu)點所決定的，這主要表現(xiàn)在：

　　EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小擾動，改善汽車的轉向特性，提高汽車高速行駛時的轉向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。

　　EPS只在轉向時電機才提供助力，因而能減少燃料消耗。統(tǒng)計數(shù)字表明，與HPS相比，EPS每百公里可節(jié)油約0.3至0.5升。

　　EPS電機由蓄電池供電，因此即使在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力。

　　EPS取消了液壓結構，其零件比HPS大為減少，因而質量更輕、結構更緊湊，易于設計和安裝，并能降低噪聲。

　　EPS易于調(diào)整和檢測，可以通過設置不同的程序，快速與不同車型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期。

　　EPS不存在滲油問題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染，改善了環(huán)保性。

　　EPS比HPS具有更好的低溫工作性能。

　　可實現(xiàn)自動泊車系統(tǒng)等輔助功能。

　　對于EPS需求的增加也促使眾多的企業(yè)和科研單位加大了研發(fā)和生產(chǎn)的投入，從而催生了許多新的EPS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)進入市場。這種現(xiàn)象在中國和印度等新興市場表現(xiàn)得尤為明顯。但這些企業(yè)生產(chǎn)EPS產(chǎn)品的歷史都不長，所以一個成熟而可靠的方案對他們來說尤為重要。下面將簡單介紹一下EPS系統(tǒng)的類型、一般結構和特性。

EPS簡介

　　EPS是通過電機的動力直接給轉向系統(tǒng)提供輔助扭矩的系統(tǒng)。它依靠檢測發(fā)動機，方向盤，車速等信息來判斷并提供合適的轉向助力，使得轉向過程能夠精確、輕松、安全地完成。

　　通常來說，根根據(jù)電機安裝位置和機械結構的不同，EPS系統(tǒng)可以分為：管柱助力式、小齒輪助力式、雙小齒輪助力式和齒條助力式。圖1給出了各類EPS系統(tǒng)的機械機構，輸出力矩和適用車型的簡單介紹。

　　管柱助力式EPS系統(tǒng)將電機安裝在轉向管柱上，通過減速機構與轉向軸相連，其特點是結構緊湊，所測得的轉矩信號與方向盤轉矩在同一直線，因此控制電機助力的響應性較好，但對電機的噪聲和震動要求較高。另外由于電機、ECU和減速機構都布置在駕駛艙內(nèi)，電機和ECU的工作環(huán)境較好，且方便發(fā)動機艙布置。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)將助力電機安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，因此可以提供較大的助力扭矩而適用于稍大的車型，但由于萬向節(jié)的存在，會影響助力控制特性的精確度。雙小齒輪助力式EPS系統(tǒng)由于增加了一對齒輪齒條而能提供比小齒輪助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齒條助力式EPS系統(tǒng)能提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結構復雜，成本較高，所以適用于豪華車和商務車上。

　　各類型的EPS系統(tǒng)工作原理基本相同。如圖2所示，通常一個EPS系統(tǒng)主要由轉向部件、傳感器、電機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。當司機轉向時，傳感器檢測到方向盤上的扭矩和轉角的大小，將其轉化為數(shù)字信號并傳給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)這些信號與預先設定的算法計算出最適合當時行駛工況的輸出力矩，并發(fā)出信號驅動電機工作，電機輸出的力矩由傳動系統(tǒng)輸給轉向機構而進行助力。

　　為了使這個轉向的過程順利實現(xiàn)，EPS系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：

　　助力控制：在汽車停車及低速行駛時提供較大輔助力矩，使轉向過程快捷輕便地進行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉向過程的可靠與沉穩(wěn)。

　　回正控制：確保汽車從直行狀態(tài)到大角度轉向的過程中回正力矩相應地逐漸提高。另外，確保汽車在非轉向狀態(tài)下的直線行駛性能，并防止汽車在不同車速下實現(xiàn)回正時出現(xiàn)回正不足或回正超調(diào)的現(xiàn)象。

　　阻尼控制：利用電機感應電動勢來減弱汽車高速行駛時出現(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)象，消除轉向輪因路面不平而引起的方向盤擺振，并在汽車高速行駛時，給轉向過程增加一定的阻尼，克服轉向發(fā)飄的感覺。

　　分析診斷功能：應能實時監(jiān)控運行狀態(tài)，并具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關斷EPS使車輛進入傳統(tǒng)的機械轉向模式。

　　通訊功能：應具有通過CAN或LIN總線與其他系統(tǒng)進行通訊的能力，并具有可以更改主要參數(shù)(主要針對電機控制)的接口。

　　為實現(xiàn)上述功能，整個EPS系統(tǒng)必須高效快速地協(xié)同工作，因此，系統(tǒng)的下列組成部分性能顯得尤為重要：

　　傳感器：傳感器給EPS系統(tǒng)提供了汽車行駛狀況的各種必要信息，是系統(tǒng)的感覺器官，其信號輸出應該盡量準確、高速、簡潔。EPS系統(tǒng)通常需要方向盤扭矩傳感器、轉角傳感器(可選)和輪速傳感器的信號。目前通用的傳感器采用模擬信號處理方式，信號輸出精度不高且輸出的信號需要ECU進一步處理，增加了ECU的工作負擔，而數(shù)字信號傳感器因其可給出ECU直接可用的數(shù)字信號，減少了占用的ECU資源，并提高了信號的準確性而被越來越多的EPS系統(tǒng)采用。

　　控制策略：傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)主要為駕駛員提供轉向助力，減輕轉向負擔，EPS系統(tǒng)還要解決諸如高速行駛過程中轉向過大、回正等影響車輛穩(wěn)定性和安全性的問題，因而需要一套高效完善的控制策略來保證其性能。

　　電子控制單元(ECU)：隨著EPS控制策略的不斷完善，對ECU的運算和反應能力都提出了更高的要求，作為EPS系統(tǒng)的核心部件，ECU必須具有：高速處理傳感器信號的能力、高速計算的能力、快速有效執(zhí)行的能力、處理大電流的能力、與其它系統(tǒng)通訊的能力、系統(tǒng)診斷監(jiān)控和失效保護性能。

　　助力電機：由于駕駛員轉向時的不確定性，EPS系統(tǒng)的助力電機必須具有很高的響應性，能在極短的時間內(nèi)執(zhí)行駕駛員的轉向意圖。由于EPS系統(tǒng)的安裝空間有限，因此助力電機還應具有高比功率、質量輕的特點，并具有較小的噪音。此外，因為EPS涉及到汽車的安全應用，所以助力電機必須要安全可靠、壽命長。

　　機械結構：相比傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)，EPS系統(tǒng)采用的是渦輪蝸桿減速機構，且要承受電機輸出的巨大力矩，所以要求系統(tǒng)機械結構具有更高的效率，更好的耐磨性和機械強度。

　　針對EPS系統(tǒng)的這些要求，為降低亞太區(qū)客戶對EPS系統(tǒng)的開發(fā)難度并縮短他們的開發(fā)周期，作為英飛凌的一級代理商，北京晶川電子技術發(fā)展有限責任公司(晶川公司)和英飛凌科技公司決定利用英飛凌公司與世界各主要EPS系統(tǒng)供應商幾十年合作開發(fā)的成功經(jīng)驗并結合本地區(qū)實際情況合作開發(fā)一套高效實用的參考解決方案。晶川公司和英飛凌公司向客戶全面提供此套方案供其參考和二次開發(fā)。在下面的章節(jié)中，我們將對此方案進行詳細的介紹。

基于英飛凌產(chǎn)品的汽車EPS解決方案

　　作為英飛凌的一級代理商，晶川公司擁有強大的技術能力，特別是在電機驅動方面有著豐富的經(jīng)驗。此次與英飛凌的合作主要是借助英飛凌在與世界主要EPS系統(tǒng)供應商合作過程中的經(jīng)驗，并結合英飛凌全面的產(chǎn)品線，開發(fā)出了符合國內(nèi)及亞太地區(qū)需求的EPS系統(tǒng)參考方案。由于運用直流有刷電機的低端EPS系統(tǒng)在亞太區(qū)已有較成熟的方案，因此此次開發(fā)的參考方案主要針對的是高端的永磁同步電機方案，電機功率可達550瓦，具體方案的框圖如圖3所示。從圖中可以看出，整個方案分為傳感器、ECU和電機幾個部分。下面我們將對傳感器和ECU部分予以重點介紹。