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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(shù)的出現(xiàn)而推陳出新，從剛開始的機(jī)械轉(zhuǎn)向、機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向HPS、電液助力轉(zhuǎn)向EHPS、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS，以及當(dāng)前最新的線控轉(zhuǎn)向SBW。
今天要聊的是電動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向。在此之后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并裝配在其產(chǎn)品上。當(dāng)前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在車上已經(jīng)非常普遍了。下面會(huì)從電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理、EPS控制單元測(cè)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(jī)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(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成，如下圖所示。
▲?EPS系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖
其中轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置，轉(zhuǎn)矩傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩大小并將信號(hào)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能可靠性。
車速傳感器用來測(cè)量車速的大小。車速傳感器一般采用電磁感應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的脈沖信號(hào)傳送給ECU。
助力電動(dòng)機(jī)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(duì)助力電動(dòng)機(jī)的基本要求是：應(yīng)具有高可靠性、大功率、低噪聲和振動(dòng)，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(jī)械特性，在工作過程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)盡量要?。晦D(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能??；應(yīng)能快速反轉(zhuǎn)。
目前 EPS系統(tǒng)的助力電動(dòng)機(jī)通常有永磁直流電動(dòng)機(jī)、直流無刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。直流有刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟、控制器簡(jiǎn)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(diǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)采用電子換向、減少了換向時(shí)的電火花，不需要經(jīng)常維護(hù)以及具有較高的效率和功率密度而受到越來越多的關(guān)注。
減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連，起減速增扭作用。EPS系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)常采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、循環(huán)球螺桿螺母、行星齒輪機(jī)構(gòu)等。為了保證EPS系統(tǒng)只在預(yù)先設(shè)定的車速范圍內(nèi)起作用，有的 EPS系統(tǒng)還配用離合器。當(dāng)車速達(dá)到某一值時(shí)離合器分離，電動(dòng)機(jī)停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向。另外當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)離合器將自動(dòng)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(hào)進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令控制助力電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。此外ECU還有安全保護(hù)和自我診斷功能。ECU通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等信號(hào)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(dòng)取消，同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析。
整個(gè)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(hào)以及通訊總線發(fā)來的車速等其他信息決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和最佳助力扭矩，向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，通過功率驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法，可改變電機(jī)的扭矩，使傳動(dòng)機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移變成電信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。因此它可以很容易地實(shí)現(xiàn)在車速不同時(shí)提供電動(dòng)機(jī)不同的助力效果，保證汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。
▲?EPS控制簡(jiǎn)要原理圖(來源：汽車電子與軟件)
▲?EPS系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖
02.
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(jí) 32-bit PowerPC 架構(gòu)的微處理器 SPC560P50 以及6路MOS驅(qū)動(dòng)IC L9908和車規(guī)級(jí)MOS組成。方案適合12V、24V、48V系統(tǒng)，同時(shí)也具備相應(yīng)的診斷保護(hù)功能。
▲ ST系統(tǒng)框圖
SPC560P50擁有適合于電機(jī)開發(fā)的FlexPWM以及適配CTU的ADC模塊，支持高達(dá)64MHz主頻的內(nèi)核更能保證應(yīng)用資源的需求。
驅(qū)動(dòng)IC L9908支持三路ADC采樣以及6路MOS驅(qū)動(dòng)的輸出，擁有能讀取全故障列表的SPI接口，更適合于標(biāo)準(zhǔn)的三相永磁同步電機(jī)方案的開發(fā)。
該方案的軟件基于ST的SPC5Studio與MCTK（電機(jī)控制套件）開發(fā)，其中免費(fèi)的IDE SPC5Studio 提供MCU的各種外設(shè)支持，成熟的MCTK平臺(tái)也提供了各種用于電機(jī)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(jī)控制工具套件的關(guān)鍵特點(diǎn)：
符合AEC-Q100
120MHz Flex PWM模塊
通過SPC5Studio插件配置SPC5 FOC Lib
實(shí)現(xiàn)FOC控制的嵌入式軟件庫(kù)（SPC5-MCTK-LIB）
SPC560P + L9908板
帶感應(yīng)/無感應(yīng)器的BLDC電機(jī)
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(dòng)芯片為TLE9180等，整體方案如下圖所示。
該方案提供獨(dú)具特色的故障運(yùn)行EPS芯片組，且均經(jīng)過驗(yàn)證。不同于獨(dú)立的解決方案，經(jīng)過校準(zhǔn)的芯片組能夠減少開發(fā)工作量。降低BOM材料成本，且支持?jǐn)U展，適用于不同車型和駕駛模式。
系統(tǒng)特定：
功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展、體積小
經(jīng)認(rèn)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(yùn)行
可通過軟件進(jìn)行調(diào)整：適用于多種駕駛模式和車型
支持升級(jí)，以滿足未來需求，如自動(dòng)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(shè)計(jì)，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(hào)和2路轉(zhuǎn)角信號(hào)，ECU是冗余EPS的核心部分，由助力電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)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(diǎn)失效導(dǎo)致其中三相無法正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，剩余部分仍可正常工作。該方案中ECU僅有一個(gè)。
另外一個(gè)方案為?基于雙三相無刷直流電機(jī)的全冗余電控方案，整個(gè)方案采用了雙路獨(dú)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(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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)。雙MCU之間采用CANFD通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互、力矩指令傳遞、故障診斷信號(hào)交互等，可以起到相互監(jiān)控的作用，必要時(shí)支持主輔切換，提升了整個(gè)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(jī)冗余的方案，如下圖所示，除了機(jī)械部分外，其他均有冗余，該方案從復(fù)雜程度、以及方案成本來說，都是最高的。
04.
EPS控制器測(cè)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(guān)重要，除了從方案上保證安全外，還需要測(cè)試來進(jìn)行驗(yàn)收閉環(huán)，下面來看看EPS ECU硬件測(cè)試項(xiàng)，主要分為電壓類測(cè)試、電流類測(cè)試、EMC測(cè)試、環(huán)境類測(cè)試、機(jī)械類測(cè)試、其它類測(cè)試等。
1.?電壓測(cè)試
運(yùn)行電壓測(cè)試
測(cè)試條件：在室溫、基本性能測(cè)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(shí)，測(cè)量電子設(shè)備的暗電流，它應(yīng)該小于0.3mA；在電源電壓為 6V 并且點(diǎn)火時(shí)，CAN 通信應(yīng)可用。
反極性測(cè)試
測(cè)試條件：測(cè)試電壓：-18±0.2 V；測(cè)試時(shí)間：5±0.5 min；計(jì)數(shù)：兩次間隔5min；測(cè)試模式休眠模式，該被測(cè)設(shè)備應(yīng)在無工作負(fù)荷下運(yùn)行，僅僅可用于無電機(jī)電流的通信。
滿足條件：測(cè)試期間，不應(yīng)存在損壞零件；測(cè)試后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。不允許故障碼。
過壓測(cè)試
測(cè)試條件：測(cè)試步驟如下表所示，測(cè)試模式為休眠模式。
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| 區(qū)域 | 測(cè)試電壓 | 測(cè)試時(shí)間 | 溫度 | 重復(fù)性 |
| 試驗(yàn)1 | 18±0.2V | 60min | 65℃ | 1 |
| 試驗(yàn)2 | 24±0.2V | 1min | 室溫 | 2(5min間隔) |
?
滿足條件：測(cè)試完成后，被測(cè)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)功能在測(cè)試時(shí)不按設(shè)計(jì)來執(zhí)行，但會(huì)在測(cè)試之后自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行。不允許未定義的功能。允許存儲(chǔ)記憶功能。
電源電壓變化測(cè)試
測(cè)試條件：電壓變化如圖所示，測(cè)試循環(huán)大于10個(gè)波形周期，測(cè)試模式為休眠模式。
滿足條件：在測(cè)試波形 2 中，如果狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ够顒?dòng)，記錄該現(xiàn)象，并重新啟動(dòng)測(cè)試；在測(cè)試期間和測(cè)試后，被測(cè)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)功能在測(cè)試時(shí)不按設(shè)計(jì)來執(zhí)行，但會(huì)在測(cè)試之后自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行。不允許未定義的功能。允許存儲(chǔ)記憶功能。
2.電流類測(cè)試
暗電流測(cè)試
測(cè)試條件：測(cè)試電壓：12.0±0.1V；測(cè)試模式為OFF模式。
滿足條件：最大允許暗電流為 0.3mA；測(cè)試后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。不允許故障碼。
短路測(cè)試
測(cè)試條件：測(cè)試電壓：12.0±0.1V，測(cè)試方式分別為接地短路測(cè)試，電池短路測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為5min/次，測(cè)試模式為休眠模式。
滿足條件：被測(cè)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)功能在測(cè)試期間不按照設(shè)計(jì)執(zhí)行并且在測(cè)試后不會(huì)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)；輸出端應(yīng)確保能經(jīng)得住短路電流并且在熔斷器重置后能恢復(fù)到正常狀態(tài)。
上電/斷電測(cè)試
測(cè)試條件：測(cè)試分為上下電和KL15 ON/OFF兩種測(cè)試場(chǎng)景，對(duì)于電池上下電測(cè)試方式如下，其中T1為10ms或50ms，對(duì)于KL15 ON/OFF，T1 0.5/1/2/3s，測(cè)試周期為10。
滿足條件：被測(cè)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)功能在測(cè)試期間不按照設(shè)計(jì)執(zhí)行并且在測(cè)試后不會(huì)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)；輸出端應(yīng)確保能經(jīng)得住短路電流并且在熔斷器重置后能恢復(fù)到正常狀態(tài)。
3.EMC測(cè)試
輻射抗擾度測(cè)試
測(cè)試條件：步長(zhǎng)不大于表中明確規(guī)定的長(zhǎng)度；駐留時(shí)間：2 s；測(cè)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(shí)的正弦波脈沖調(diào)制（PM 近似于 GSM）；RI 測(cè)試頻率：80MHz 到 2000MHz，BCI 測(cè)試頻率：20 MHz 到 400 MHz，其他測(cè)試條件和設(shè)置可參考ISO11452-2 和 11452-4。
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| 頻率范圍（MHz） | 步長(zhǎng)（MHz） | 調(diào)制 |
| 20-200 | 5 | CW，AM |
| 200-400 | 10 | CW，AM |
| 4200-800 | 20 | CW，AM |
| 800-1000 | 20 | CW，AM，PM |
| 1000-2000 | 20 | CW，AM |
?
滿足條件：測(cè)試設(shè)備滿足如下測(cè)試極限：
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| 項(xiàng)目 | 域 | 標(biāo)準(zhǔn) |
| RI | 60V/m | 被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。不允許故障碼。 |
| 80V/m | 被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。然而，其中一個(gè)或多個(gè)可能會(huì)超出指定的限度。所有功能在測(cè)試后自動(dòng)恢復(fù)到正常限制內(nèi)。 | |
| 100V/m | 被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。然而，其中一個(gè)或多個(gè)可能會(huì)超出指定的限度。所有功能在測(cè)試后自動(dòng)恢復(fù)到正常限制內(nèi)。 |
| 項(xiàng)目 | 域 | 標(biāo)準(zhǔn) |
| BCI | 80mA | 被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。不允許故障碼。 |
| ? | 100mA | 被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行。然而，其中一個(gè)或多個(gè)可能會(huì)超出指定的限度。所有功能在測(cè)試后自動(dòng)恢復(fù)到正常限制內(nèi)。 |
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4.環(huán)境類測(cè)試
高溫工作測(cè)試
測(cè)試條件：將樣件放在85±3℃條件下1±0.5h之后；測(cè)試時(shí)間：168h；重復(fù)以下休眠模式10min；被測(cè)設(shè)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(jìn)行基本功能測(cè)試。
滿足條件：在測(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)功能在測(cè)試期間不
按照設(shè)計(jì)執(zhí)行并且在測(cè)試后不會(huì)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。
低溫工作測(cè)試
測(cè)試條件：將樣件放置在（-30±3）℃環(huán)境下1±0.5h之后；測(cè)試時(shí)間：168 h；重復(fù)以下測(cè)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(jìn)行基本功能測(cè)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(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應(yīng)變或損壞。
低溫操作測(cè)試
測(cè)試條件：將樣件放置在（-30±3）℃環(huán)境下1±0.5h之后；測(cè)試時(shí)間：168 h；重復(fù)以下測(cè)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(jìn)行基本功能測(cè)試。
滿足條件：在測(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應(yīng)變或損壞。
恒定濕熱測(cè)試
測(cè)試條件：將被測(cè)件暴露于溫度 85±3℃、濕度 93%±3%[RH] 的環(huán)境下 21 天；?測(cè)試模式為休眠模式，但測(cè)試期間的最后一個(gè)小時(shí)需將被測(cè)件?調(diào)整到滿足條件運(yùn)行模式。
滿足條件：在測(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行，不允許故障碼；當(dāng)測(cè)試結(jié)束后，將樣件置于常溫下 2 小時(shí)并去除水分，然后進(jìn)行基本操作測(cè)試。
5.機(jī)械測(cè)試
機(jī)械沖擊測(cè)試
將被測(cè)件按實(shí)車位置安裝，按照下表數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。
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| 條件 | 值 |
| 加速度 | 峰值250±25m/s2 |
| 時(shí)間 | 10ms |
| 方向 | 前、后、左、右、上、下 |
| 沖擊次數(shù) | 每個(gè)方向400次 |
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滿足條件：在測(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應(yīng)變或損壞。無外部應(yīng)變或損壞。
6.自由落體/墜落測(cè)試
測(cè)試條件：墜落高度：被測(cè)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(gè)樣件測(cè)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(yīng)變或損壞，DUT 不通過功能測(cè)試；如果沒有外部應(yīng)變或損壞，在測(cè)試期間和測(cè)試之后，被測(cè)設(shè)備的所有功能在測(cè)試期間或之后按照設(shè)計(jì)來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部應(yīng)變或損壞。無外部應(yīng)變或損壞。
除了以上測(cè)試外，耐化學(xué)測(cè)試、氣體腐蝕測(cè)試、電池充放電測(cè)試、拋負(fù)載測(cè)試、24V 電壓?jiǎn)?dòng)車輛測(cè)試，就不一一贅述了。
審核編輯：黃飛
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