电动助力转向系统66845.doc

1、电动助力转向系统目录电动助力转向系统发展历史 优势优点 工作原理 关键技术 工作过程编 辑 本 段 电 动 助 力 转 向 系 统 发 展 历 史在 汽 车 的 发 展 历 程 中 ， 转 向 系 统 经 历 了 四 个 发 展 阶 段 ： 从 最 初 的 机 械 式转 向 系 统 （ Manual Steering， 简 称 MS） 发 展 为 液 压 助 力 转 向 系 统（ Hydraulic Power Steering， 简 称 HPS） ， 然 后 又 出 现 了 电 控 液 压 助 力 转向 系 统 （ Electro Hydraulic Power Steering， 简 称

2、EHPS） 和 电 动 助 力 转向 系 统 （ Electric Power Steering， 简 称 EPS） 。 装 配 机 械 式 转 向 系 统 的 汽 车 ， 在 泊 车 和 低 速 行 驶 时 驾 驶 员 的 转 向 操 纵负 担 过 于 沉 重 ， 为 了 解 决 这 个 问 题 ， 美 国 GM 公 司 在 20 世 纪 50 年 代 率 先 在轿 车 上 采 用 了 液 压 助 力 转 向 系 统 。 但 是 ， 液 压 助 力 转 向 系 统 无 法 兼 顾 车 辆 低速 时 的 转 向 轻 便 性 和 高 速 时 的 转 向 稳 定 性 ， 因 此 在 1983 年

3、日 本 Koyo 公 司推 出 了 具 备 车 速 感 应 功 能 的 电 控 液 压 助 力 转 向 系 统 。 这 种 新 型 的 转 向 系 统 可以 随 着 车 速 的 升 高 提 供 逐 渐 减 小 的 转 向 助 力 ， 但 是 结 构 复 杂 、 造 价 较 高 ， 而且 无 法 克 服 液 压 系 统 自 身 所 具 有 的 许 多 缺 点 ， 是 一 种 介 于 液 压 助 力 转 向 和 电动 助 力 转 向 之 间 的 过 渡 产 品 。 到 了 1988 年 ， 日 本 Suzuki 公 司 首 先 在 小 型轿 车 Cervo 上 配 备 了 Koyo 公 司 研 发

4、 的 转 向 柱 助 力 式 电 动 助 力 转 向 系 统 ；1990 年 ， 日 本 Honda 公 司 也 在 运 动 型 轿 车 NSX 上 采 用 了 自 主 研 发 的 齿 条 助力 式 电 动 助 力 转 向 系 统 ， 从 此 揭 开 了 电 动 助 力 转 向 在 汽 车 上 应 用 的 历 史 。 编 辑 本 段 优 势 优 点相 比 传 统 液 压 动 力 转 向 系 统 ， 电 动 助 力 转 向 系 统 具 有 以 下 优 点 ： 1、 只 在 转 向 时 电 机 才 提 供 助 力 ， 可 以 显 著 降 低 燃 油 消 耗 传 统 的 液 压 助 力 转 向 系

5、统 有 发 动 机 带 动 转 向 油 泵 ， 不 管 转 向 或 者 不 转 向都 要 消 耗 发 动 机 部 分 动 力 。 而 电 动 助 力 转 向 系 统 只 是 在 转 向 时 才 由 电 机 提 供助 力 ， 不 转 向 时 不 消 耗 能 量 。 因 此 ， 电 动 助 力 转 向 系 统 可 以 降 低 车 辆 的 燃 油消 耗 。 与 液 压 助 力 转 向 系 统 对 比 试 验 表 明 ： 在 不 转 向 时 ， 电 动 助 力 转 向 可 以 降低 燃 油 消 耗 2.5%； 在 转 向 时 ， 可 以 降 低 5.5%。 2、 转 向 助 力 大 小 可 以 通 过

6、 软 件 调 整 ， 能 够 兼 顾 低 速 时 的 转 向 轻 便 性 和高 速 时 的 操 纵 稳 定 性 ， 回 正 性 能 好 。 传 统 的 液 压 助 力 转 向 系 统 所 提 供 的 转 向 助 力 大 小 不 能 随 车 速 的 提 高 而 改变 。 这 样 就 使 得 车 辆 虽 然 在 低 速 时 具 有 良 好 的 转 向 轻 便 性 ， 但 是 在 高 速 行 驶时 转 向 盘 太 轻 ， 产 生 转 向 “发 飘 ”的 现 象 ， 驾 驶 员 缺 少 显 著 的 “路 感 ”，降 低 了 高 速 行 驶 时 的 车 辆 稳 定 性 和 驾 驶 员 的 安 全 感 。

7、 电 动 助 力 转 向 系 统 提 供 的 助 力 大 小 可 以 通 过 软 件 方 便 的 调 整 。 在 低 速 时 ，电 动 助 力 转 向 系 统 可 以 提 供 较 大 的 转 向 助 力 ， 提 供 车 辆 的 转 向 轻 便 性 ； 随 着车 速 的 提 高 ， 电 动 助 力 转 向 系 统 提 供 的 转 向 助 力 可 以 逐 渐 减 小 ， 转 向 时 驾 驶员 所 需 提 供 的 转 向 力 将 逐 渐 增 大 ， 这 样 驾 驶 员 就 感 受 到 明 显 的 “路 感 ”，提 高 了 车 辆 稳 定 性 。 电 动 助 力 转 向 系 统 还 可 以 施 加 一

8、 定 的 附 加 回 正 力 矩 或 阻 尼 力 矩 ， 使 得 低速 时 转 向 盘 能 够 精 确 的 回 到 中 间 位 置 ， 而 且 可 以 抑 制 高 速 回 正 过 程 中 转 向 盘的 振 荡 和 超 调 ， 兼 顾 了 车 辆 高 、 低 速 时 的 回 正 性 能 。 3、 结 构 紧 凑 ， 质 量 轻 ， 生 产 线 装 配 好 ， 易 于 维 护 保 养 电 动 助 力 转 向 系 统 取 消 了 液 压 转 向 油 泵 、 油 缸 、 液 压 管 路 、 油 罐 等 部件 ， 而 且 电 机 及 减 速 机 构 可 以 和 转 向 柱 、 转 向 器 做 成 一 个

9、 整 体 ， 使 得 整 个转 向 系 统 结 构 紧 凑 ， 质 量 轻 ， 在 生 产 线 上 的 装 配 性 好 ， 节 省 装 配 时 间 ， 易 于维 护 保 养 。 4、 通 过 程 序 的 设 置 ， 电 动 助 力 转 向 系 统 容 易 与 不 同 车 型 匹 配 ， 可 以 缩短 生 产 和 开 发 的 周 期 。 由 于 电 动 助 力 转 向 系 统 具 有 上 述 多 项 优 点 ， 因 此 近 年 来 获 得 了 越 来 越 广泛 的 应 用 。 电 动 助 力 转 向 系 统 是 在 机 械 式 转 向 系 统 的 基 础 上 ， 加 装 了 电 机 及 减 速

10、机构 、 转 矩 转 角 传 感 器 、 车 速 传 感 器 和 ECU 电 控 单 元 而 成 。 编 辑 本 段 工 作 原 理电 助 力 转 向 系 统 的 工 作 原 理 如 下 ： 首 先 ， 转 矩 传 感 器 测 出 驾 驶 员 施 加在 转 向 盘 上 的 操 纵 力 矩 ， 车 速 传 感 器 测 出 车 辆 当 前 的 行 驶 速 度 ， 然 后 将 这 两个 信 号 传 递 给 ECU； ECU 根 据 内 置 的 控 制 策 略 ， 计 算 出 理 想 的 目 标 助 力 力 矩 ，转 化 为 电 流 指 令 给 电 机 ； 然 后 ， 电 机 产 生 的 助 力 力

11、矩 经 减 速 机 构 放 大 作 用 在机 械 式 转 向 系 统 上 ， 和 驾 驶 员 的 操 纵 力 矩 一 起 克 服 转 向 阻 力 矩 ， 实 现 车 辆 的转 向 。 编 辑 本 段 关 键 技 术电 动 助 力 转 向 系 统 的 关 键 技 术 主 要 包 括 硬 件 和 软 件 两 个 方 面 。 硬 件 技 术 主 要 涉 及 传 感 器 、 电 机 和 ECU。 传 感 器 是 整 个 系 统 的 信 号 源 ，其 精 度 和 可 靠 性 十 分 重 要 。 电 机 是 整 个 系 统 的 执 行 器 ， 电 机 性 能 好 坏 决 定 了系 统 的 表 现 。 EC

12、U 是 整 个 系 统 的 运 算 中 心 ， 因 此 ECU 的 性 能 和 可 靠 性 至 关 重要 。 软 件 技 术 主 要 包 括 控 制 策 略 和 故 障 诊 断 与 保 护 程 序 两 个 部 分 。 控 制 策 略用 来 决 定 电 机 的 目 标 电 流 ， 并 跟 踪 该 电 流 ， 使 得 电 机 输 出 相 应 的 助 力 矩 。 故障 诊 断 与 保 护 程 序 用 来 监 控 系 统 的 运 行 ， 并 在 必 要 时 发 出 警 报 和 实 施 一 定 的保 护 措 施 。 编 辑 本 段 工 作 过 程电 动 助 力 转 向 系 统 （ EPS） 作 为 传

13、统 液 压 系 统 的 替 代 产 品 已 经 进 入 汽 车制 造 领 域 。 与 先 前 的 预 测 相 反 ， EPS 不 仅 适 用 于 小 型 汽 车 ， 而 且 某 些 12V中 型 汽 车 也 适 于 安 装 电 动 系 统 。 EPS 系 统 包 含 下 列 组 件 ： 转 矩 传 感 器 ， 检 测转 向 轮 的 运 动 情 况 和 车 辆 的 运 动 情 况 ； 电 控 单 元 ， 根 据 转 矩 传 感 器 提 供 的 信号 计 算 助 力 的 大 小 ； 电 机 ， 根 据 电 控 单 元 输 出 值 生 成 转 动 力 ； 减 速 齿 轮 ，提 高 电 机 产 生 的

14、 转 动 力 ， 并 将 其 传 送 至 转 向 机 构 。 其 它 车 辆 系 统 控 制 算 法 输 入 信 息 是 由 汽 车 CAN 总 线 提 供 的 (例 如 转 向 角 和 汽车 速 度 等 等 )。 电 机 驱 动 还 需 要 其 它 信 息 ， 例 如 电 机 转 子 位 置 (电 机 传 感 器提 供 )和 相 电 流 (电 流 传 感 器 提 供 )。 电 机 由 四 个 MOSFET 控 制 。 由 于 微 控 制器 无 法 直 接 驱 动 MOSFET 的 大 型 栅 电 容 ， 因 此 需 要 采 用 驱 动 IC 形 式 的 接 口 。出 于 安 全 考 虑 ，

15、完 整 的 电 机 控 制 系 统 必 须 实 施 监 控 。 将 电 机 控 制 系 统 集 成 在PCB 上 ， 通 常 包 含 一 个 继 电 器 ， 该 继 电 器 可 作 为 主 开 关 使 用 ， 在 检 测 出 故 障的 情 况 下 ， 断 开 电 机 与 电 控 单 元 。 微 控 器 ( C)必 须 控 制 EPS 系 统 的 直 流 有 刷 电 机 。 微 控 器 根 据 转 矩 传 感器 提 供 的 转 向 轮 所 需 转 矩 信 息 ， 形 成 一 个 电 流 控 制 回 路 。 为 了 提 高 系 统 的 安全 水 平 ， 该 微 控 器 应 有 一 个 板 载 振

16、荡 器 ， 这 样 即 使 在 外 部 振 荡 器 出 现 故 障 的情 况 下 ， 亦 可 确 保 微 控 器 的 性 能 ， 同 时 还 应 具 备 片 上 看 门 狗 。 英 飞 凌 公 司的 XC886 集 成 了 所 有 重 要 的 微 控 器 组 件 ， 其 它 安 全 特 性 可 通 过 软 件 实 现 ， 如果 必 须 执 行 IEC61508 等 行 业 安 全 标 准 规 范 ， 就 不 得 不 完 成 各 种 诊 断 和 自 检任 务 ， 因 而 会 增 加 微 控 器 的 工 作 负 荷 。 目 前 不 同 客 户 采 用 的 转 矩 传 感 器 与 转子 位 置 传

17、感 器 差 别 很 大 。 他 们 采 用 不 同 的 测 量 原 理 ， 如 分 解 器 、 电 磁 共 振器 、 基 于 传 感 器 的 集 成 巨 磁 阻 (IGMR)。 功 率 级 的 作 用 是 开 关 电 机 电 流 。 该 功 率 级 具 有 两 个 功 能 ： 驱 动 IC 控 制和 保 护 MOSFET， MOSFET 本 身 又 可 负 责 开 关 电 流 。 MOSFET 和 分 区 (例 如 驱 动IC 与 MOSFET 结 合 在 一 个 器 件 或 多 个 器 件 内 )由 电 机 功 率 决 定 。 微 控 器 的 PWM 输 出 端 口 提 供 的 驱 动 电

18、流 和 电 压 太 低 ， 无 法 直 接 与MOSFET 栅 极 实 现 连 接 。 驱 动 IC 的 作 用 是 提 供 充 足 的 电 流 ， 为 MOSFET 的 栅极 进 行 充 电 和 放 电 ， 使 其 在 20kHz 的 条 件 下 正 常 实 现 开 关 ， 同 时 保 证 为 高 低侧 MOSFET 提 供 高 栅 源 电 压 Vgs， 确 保 获 得 低 导 通 电 阻 。 如 果 高 侧 MOSFET处 于 开 通 状 态 ， 源 极 电 位 就 接 近 电 池 电 平 。 要 想 使 MOSFET 到 达 标 称 导 通 电阻 ， 栅 源 电 压 需 高 于 8V。

19、MOSFET 完 全 导 通 所 需 的 最 理 想 的 电 压 是 10V 或 以上 ， 因 此 所 需 的 栅 极 电 位 就 比 电 池 电 压 高 出 10V。 电 荷 泵 是 确 保 该 功 能 最 大程 度 降 低 MOSFET 功 耗 (即 使 低 电 池 电 压 条 件 下 )的 电 路 。 图 2 说 明 ， 英 飞 凌驱 动 IC 即 使 在 8V 电 池 电 压 条 件 下 ， 其 低 高 侧 MOSFET 的 栅 源 电 压 也 可 达 到11V。 这 将 确 保 在 低 电 池 电 压 条 件 下 ， 获 得 低 功 耗 和 高 系 统 效 率 。 电 荷 泵 设 计

20、 的 其 它 关 键 特 性 是 可 以 根 据 不 同 PWM 模 式 的 要 求 ， 实 现 极低 (低 至 1%)和 极 高 的 占 空 比 (高 至 100%)。 驱 动 IC 的 另 一 个 重 要 功 能 是 检测 短 路 情 况 ， 避 免 损 坏 MOSFET。 受 影 响 的 MOSFET 将 关 闭 ， 诊 断 结 果 提 交 给微 控 器 。 电 流 水 平 可 实 现 调 节 。 MOSFET 通 常 应 用 在 一 个 多 半 桥 拓 扑 结 构 内 ， 由 驱 动 IC 控 制 。 根 据ISO7637 规 定 ， 在 12V 电 网 中 ， 电 池 电 压 通 常

21、 可 高 达 16V。 在 选 择 MOSFET电 压 级 别 时 ， 必 须 针 对 二 极 管 恢 复 过 程 中 所 出 现 的 感 应 瞬 变 现 象 提 供 足 够 的安 全 边 际 (Ls x dl/dt， Ls 代 表 杂 散 电 感 ， dl/dt 代 表 开 关 时 的 电 流 斜 率 )。在 低 dl/dt 和 低 杂 散 电 感 的 系 统 中 ， 可 使 用 30V MOSFET， 但 通 常 最 好 使 用40V 的 MOSFET， 可 提 供 更 高 的 安 全 边 际 。 最 新 的 40V MOSFET 技 术 采 用D2PAK(TO263)封 装 在 2mm

22、和 180A 条 件 下 ， 以 及 采 用 较 小 的 DPAK(TO252)装封 在 低 于 4mm 和 90A 的 条 件 ， 可 提 供 极 低 的 导 通 电 阻 ， 使 EPS 系 统 设 计 具备 极 高 的 功 率 密 度 和 效 率面向新兴市场的电动助力转向系统技术分类： 嵌入式系统 | 2007-08-30 Jean-Philippe Boeschlin，Nicholas Tan，英飞凌科技亚太公司过去的几年中，EPS 作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先前的预测相反，EPS 不仅适用于小型汽车，而且某些 12V 中型汽车(例如大众帕萨特)也适于安装电动系统

23、。图 1 显示了直流电机 EPS 电控单元系统所需功能。EPS 系统包含下列组件：转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小； 电机， 根据电控单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。其它车辆系统控制算法输入信息是由汽车 CAN 总线提供的( 例如转向角和汽车速度等等)。电机驱动还需要其它信息，例如电机转子位置( 电机传感器提供 )和相电流(电流传感器提供)。电机由四个 MOSFET 控制。由于微控制器无法直接驱动 MOSFET 的大型栅电容，因此需要采用驱动 IC 形式的接口。出于安全考虑，完整的电机

24、控制系统必须实施监控。将电机控制系统集成在 PCB 上，通常包含一个继电器，该继电器可作为主开关使用，在检测出故障的情况下，断开电机与电控单元。微控器(C)必须控制 EPS 系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮所需 转矩信息，形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平，该微控器应有一个板载振荡器，这样即使在外部振荡器出现故障的情况下，亦可确保微控器的性能，同时还应具备片上看门狗。英飞凌公司的 XC886 集成了所有重要的微控器组件，其它安全特性可通过软件实现，如果必须执行 IEC61508 等行业安全标准规范，就不得不完成各种诊断和自检任务，因而会增加微控器的工作负荷。目前不

25、同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理，如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成巨磁阻(IGMR)。功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能：驱动 IC 控制和保护MOSFET，MOSFET 本身又可负责开关电流。 MOSFET 和分区( 例如驱动 IC 与 MOSFET结合在一个器件或多个器件内)由电机功率决定。微控器的 PWM 输出端口提供的驱动电流和电压太低，无法直接与 MOSFET 栅极实现连接。驱动 IC 的作用是提供充足的电流，为 MOSFET 的栅极进行充电和放电，使其在20kHz 的条件下正常实现开关，同时保证为高低侧 MOSFET 提供高

26、栅源电压 Vgs，确保获得低导通电阻。如果高侧 MOSFET 处于开通状态，源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET 到达标称导通电阻，栅源电压需高于 8V。MOSFET 完全导通所需的最理想的电压是 10V 或以上，因此所需的栅极电位就比电池电压高出 10V。电荷泵是确保该功能最大程度降低 MOSFET 功耗( 即使低电池电压条件下)的电路。图 2 说明，英飞凌驱动 IC 即使在 8V 电池电压条件下，其低高侧 MOSFET 的栅源电压也可达到 11V。这将确保在低电池电压条件下，获得低功耗和高系统效率。电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同 PWM 模式的要求，实现极低(低至 1%)和极

27、高的占空比(高至 100%)。驱动 IC 的另一个重要功能是检测短路情况，避免损坏MOSFET。受影响的 MOSFET 将关闭，诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。MOSFET 通常应用在一个多半桥拓扑结构内，由驱动 IC 控制。根据 ISO7637 规定，在 12V 电网中，电池电压通常可高达 16V。在选择 MOSFET 电压级别时，必须针对二极管恢复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的安全边际(Ls x dl/dt ，Ls 代表杂散电感，dl/dt 代表开关时的电流斜率)。在低 dl/dt 和低杂散电感的系统中，可使用 30V MOSFET，但通常最好使用 40V 的 MOSFET

28、，可提供更高的安全边际。最新的 40V MOSFET 技术采用 D2PAK(TO263)封装在 2mm 和 180A 条件下，以及采用较小的 DPAK(TO252)装封在低于 4mm 和 90A 的条件，可提供极低的导通电阻，使 EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。对于 12V 低端系统和 600W 800W 瓦范围之下的典型电机，应采用 H 桥配置(2 重半桥)。功率级的拓扑传统的拓扑是将驱动 IC 与 MOSFET 分开。图 3 是采用 1 个 H 桥驱动 IC 和 4 个MOSFET 的低端系统拓扑。图 4 显示的是中高端系统和采用更高功率和 4 个 MOSFET(或 1 个全桥驱动 IC 和 6 个MOSFET)的电机。