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具有功能安全特点的汽车EPS电控方案介绍

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电动助力转向

电动助力转向

随着  EPS  电动助力转向系统  电动助力转向系统  越来多地  应用于汽车,  对  EPS  功能安全要求也越高,本文介绍了基于  功能安全要求也越高,本文介绍了基于  英飞凌产品具有功能安全特点的  EPS  电控系统解决方案和相关的英飞凌产品  电

具有功½安全特点的
EPS
电控系统方案介绍
英飞凌北京½½系统工程部 李超 王龙飞
摘要:
随着
EPS
电动助力½向系统越来越多地应用于½½,对
EPS
功½安全要求也越高,本文介绍了基于
英飞凌产品具有功½安全特点的
EPS
电控系统解决方案和相关的英飞凌产品
关键词:
电动助力½向
EPS
功½安全 相切断 英飞凌
Infineon
1
前言
电动助力½向系统
(Eelectric
Power Steering
简称
EPS)
是一种直接依靠电机提供辅助扭
矩的动力½向系统。
它½为一种新型助力½向系统与已有几十年发展历史的传统液压½向技
术相比,具有诸多优点。可以通过½件改变它的电动助力½向特性,因此提高了硬件资源的
利用率;而且在½速行驶时½向½便,在高速行驶时½向具有沉稳感;助力电机只在½向时
工½,
½够节省½½½源。
电动助力½向技术将最新电子技术和高性½电机控制技术应用于
½½½向系统,大大提高了½½的经济性、动力性和机动性,适应了现代½½发展的要求;
而且电动助力½向系统具有部件少、结构简单、便于安装和维护等特点;采用电动助力½向
系统的½½,
在½向时由蓄电池向电机提供较大的驱动电流,
而在直线行驶时蓄电池仅向电
机提供很小的控制电流,
并且控制系统可根据路况和½况调整控制电机的助力或阻尼,
降½
了对发动机的功率需求,并大大提高了驾驶½向的舒适性和行驶安全性。
2
EPS
系统简介
1:EPS
系统
电动助力½向系统由机械½向系统、方向盘扭矩传感器、½速传感器、电子控制单元
(ECU)、电机和减速机构等组成,如图 1
所示。电动助力½向系统的工½原理是:ECU 根据
扭矩传感器、
½角传感器的信号以及通讯总线发来的½速等其他信息决定电机的½动方向和
最½助力扭矩,向电机发出控制信号,通过功率驱动电路控制电机的½动,电机的输出经过
减速机构减速增扭后,驱动½½½条机构,产生相应的½向助力。通过精确的控制算法,可
改变电机的扭矩,½传动机构获得所需的助力值。
电机是电动助力½向系统的动力源,其功½是根据
ECU
的指令输出适½的辅助扭矩。
电机对
EPS
系统的性½有很大的½响,
所以
EPS
系统对电机有很高的要求,
不仅要求扭矩大、
扭矩波动小、½动惯量小、功率密度高,而且要求可靠性高和寿½长。由于永磁同步电机
PMSM
和直流无刷电机
BLDC
既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,
又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗、调速性½½等诸多特点,因此这两种三相电
机被广泛运用于各种
EPS
系统。
根据电机安装½½和机械结构的不同,电动助力½向系统系统可以分为:管柱助力式
(Column Mounted)、小½½助力式(Pinion mounted)和½条助力式(Rack mounted)。
如图
2
所示,管柱助力式
EPS
系统中将
助力电机安装在管柱上,
通过减速增扭机构与
½向½相连,直接驱动½向½助力½向。这样
的系统结构简单紧凑、易于安装,½由于助力
电机安装在驾驶舱内,
受到空间布½和噪声的
½响,电机的½积较小,输出扭矩不大,一般
只用在小型及紧凑型½辆上。
小½½助力式
EPS
系统中将助力电机和
减速增扭机构与小½½相连,
直接驱动½½实
现助力½向。
由于助力电机不是安装在乘客舱
2:C - EPS
内,因此可以½用较大的电机以获得较
高的助力扭矩,而不必担心电机½动惯量太大产生的噪声。详见图
3。
3:P - EPS
如图
4
所示,
½条助力式
EPS
系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动½条提供助力,
因此½提供更大的助力,½整套系统结构复杂,成本较高,所以适用于豪华½和商务½上。
4:R - EPS
无论哪种
EPS
系统,所实现的功½大致相同:
1)
助力控制:
在½½停½及½速行驶时提供较大助力扭矩,
½½向过程快捷½便,
而在½½高速行驶时提
供较小的助力扭矩以保持½向过程的可靠与沉稳。
2)阻尼控制:
利用电机扭矩来减弱½½高速行驶时出现的方向盘抖动现象,
目的是提高½½高速直线行驶
稳定性。
3)回正控制:
驾驶员松开方向盘后,
随着½用在方向盘上的力的减小,
方向盘将在回正力矩的½用下回正。
需要防止两种情况:回正力矩过大,引起方向盘½½超调;回正力矩过小,方向盘不½回到
中间½½。
4)系统通信功½:
通过
CAN/LIN
总线与其他½½控制系统进行通讯,实现更加复杂的功½。
5)系统故障诊断功½:
½实时监控整个系统,具有故障报警和提示功½,在故障不½自动排除时切断
EPS
½½辆
进入传统的机械½向模式。
3
EPS
系统的功½安全趋势
ISO26262标准主要定½在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于½½
领域的部件,旨在提高½½电子、电气产品功½安全的½际标准。ISO26262标准主要参考工
业标准IEC61508,大约于2005年开始发展,于2011年11月15日正式颁布。2012年8月½家标
准化委员会发布《关于下达2012年第一批½家标准制修订计划的通知》中,正式将ISO26262
标准列入½标制定计划。未来ISO26262对½½产业尤其½½电子的½响程度将不亚于ISO/TS
16949。
ISO26262标准根据安全风险程度对系统或系统某组成部分确定划分由A到D的安全需求
等级(Automotive
Safety Integrity Level
½½安全完整性等级
ASIL),其中D级为最高等级,
需要满足最苛刻的安全需求。½为½½最关键的系统,EPS系统的很多功½½要符合ASIL
D
的安全等级,因此对于EPS的硬件和½件开发流程的要求也最严格的。
图5是欧洲部分整½厂和一级部件供应商比较认可的EPS子系统3个主要的功½安全目标,
分别是:避免自½向;避免½向受阻;避免超出预期20%的过助力或欠助力。这三个功½½
需要满足ASIL
D,一旦发生任意一种½要自动进入安全状态,即EPS逆变单元和电机脱开。
5:欧洲部分整½厂和一级部件供应商共识的功½安全目标
图6是相切断单元用MOSFET器件实现的EPS安全状态的具½例子。
一旦有违背上述3个安
全目标中任意一个的事件发生,EPS电控系统要自动将3个相切断MOSFET主沟道同时断开。
因此不管三相逆变桥的六个MOSFET是什么状态½不会造成电机绕组被动短路,进而也不会
抱死电机。
6:EPS
安全状态(safe
state)
4
基于英飞凌产品的½½
EPS
电控系统解决方案
EPS
系统从机械和电气角度可分为机械系统和电控系统。图
7
所示的为基于英飞凌产品
的½½
EPS
电控系统方框图。EPS 电控系统又可细分为
ECU
电子控制单元、电机及传感器三
部分。
7
所示的浅蓝色区域为
ECU
的控制电路
(也叫逻辑电路) 浅黄色区域为功率电路。
简要工½关系如下所述。由图
7
可知,电池
12V
电源分别供给了控制电路和功率电路,控
制电路通过外围的扭矩传感器检测到驾驶员手½方向盘的力矩,
在得知驾驶员的½向意图后
控制电路会在极短的时间内采集到相关信息,
包括½角传感器的方向盘½角信号、
通过
CAN
总线或
Flexrey
总线传来的½速等相关行驶数据,然后根据控制电路单片机中预设的½向助
力特性曲线通过控制功率电路产生出所需的三相电流给三相永磁同步电机
PMSM
或直流无
刷电机
BLDC,进而驱动机械系统,输出对应的扭矩。
7:基于英飞凌产品的½½ EPS
电控系统方框图
下面重点介绍控制电路、功率电路和外围传感器。
1)
控制电路
由前所知,控制电路在整个
EPS
电控系统中起着中枢核心½用。它既要进行底层
FOC
(Field
Oriented Control)
电机控制的计算,
还要进行应用层助力特性曲线的拟合计算并快速
响应,
同时还要执行采集各种输入信息监控整个电控系统等任务。
因而
EPS
系统对控制电路
的计算精度和速度及可靠性½提出了很高的要求。
即½控制电路有故障发生的情况下也要½
检测到并输出关断信号到功率电路的相切断单元,以保证功½安全目标的实现。
如图
7
所示方案中,主
MCU
采用了
Infineon
的新一代
AURIX
TM
系列
32
½多核微处理器
TC26x
TC23x。
电源芯片
TLF35584
Infineon
新一代配合
AURIX
TM
系列
MCU
的安全多路输
出电源芯片。TLE9180 是一颗
Infineon
新型带
SPI
通讯的三相桥驱芯片。三个主芯片½是遵
Infineon
内部
PROSIL
TM
的功½安全设计流程。经过
PROSIL
TM
流程把控的产品方便用户更
TM
快更容易设计出满足
IEC 61508
ISO 26262
准安全等级的部件。
因为
PROSIL
流程从芯片
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