電子助力系統(tǒng)EPS功能、方案、測試介紹

電子助力系統(tǒng)EPS功能、方案、測試介紹

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

SBWo

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(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。

一、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)組成簡多

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(yīng)式傳感器口安裝在變速箱上。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ECUO

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(yīng)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)矩波動盡量要小；轉(zhuǎn)動慣量盡可能小；應(yīng)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(guān)磁阻電動機等。直流有刷電動機技術(shù)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(guān)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(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，通過切率

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(yīng)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。

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M0S組成。方案適合12V、24V、48V系統(tǒng)，同

時也具備相應(yīng)的診斷保護功能。

12V~48V

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(yīng)用資源的

需求。

驅(qū)動ICL9908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IDESPC5Studio提供MCU的各種外設(shè)

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，并且月于快速系統(tǒng)調(diào)試。

電機控制工具套件的關(guān)鍵特點：

符合AEC-Q100

120MHzFlexPWM模塊

通過SPC5Studio插件配置SPC5FOCLib

實現(xiàn)FOC控制的嵌入式軟件庫(SPC5-MCTK-LIB)

SPC560P+L9908板

帶感應(yīng)/無感應(yīng)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)認證的互噪作性

?EPS系統(tǒng)支持基于nx3相的故障安全和故障運行

?一致的安全慨念，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

RAA270005PMTC來設(shè)計，總體方案如下圖所示。

AS231

三、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(dǎo)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。

?12V?12V

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(fù)雜程度、以及方案成本來說，都是最高

的。

I-方向盤2-轉(zhuǎn)向管柱3、7-扭矩轉(zhuǎn)向傳感器4、10-蝸輪蝸桿減速器5

-輔助電機6-中間軸8-主電機9-主電機編碼器11-輔助電機編碼

器12-齒條轉(zhuǎn)向器13-主控制器14-輔助控制器

四、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(guān)

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EPSECU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.IV、14±0.IV和16±0.IVo

滿足條件：在電源電壓為12V時，測量電子設(shè)備的暗電

流，它應(yīng)該小于0.3mA；在電源電壓為6V并且點火時，CAN通

信應(yīng)可用。

反極性測試

測試條件：測試電壓：-18±0.2V；測試時間：5±0.5min；

計數(shù)：兩次間隔5min；測試模式休眠模式，該被測設(shè)備應(yīng)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(yīng)存在損壞零件；測試后，被測

設(shè)備的所有功能在測試期間或之后按照設(shè)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。

區(qū)域測試電壓測試時間溫度重復(fù)性

試驗118±0.2V60min65℃1

試驗224±0.2VImin室溫2（5min間隔）

滿足條件：測試完成后，被測設(shè)備的一個或多個功能在測

試時不按設(shè)計來執(zhí)行，但會在測試之后自動恢復(fù)到正常運行。

不允許未定義的功能。允許存儲記憶功能。

T1100m$.1000m

135V-------------------------f-~

1CM

電源電壓變化測試波形1

電源電壓變化測試波形2

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够顒樱?/p>

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(shè)

備的一個或多個功能在測試時不按設(shè)計來執(zhí)行，但會在測試之

后自動恢復(fù)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.IV；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(shè)備

的所有功能在測試期間或之后按照設(shè)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.IV,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(shè)備的一個或多個功能在測試期間不按照

設(shè)計執(zhí)行并且在測試后不會恢復(fù)到正客運行狀態(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/斷電測試

測試條件：測試分為上下電和KL150N/0FF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

KL15ON/OFF,T10.5/l/2/3s,測試周期為10。

上電/斷電測試波形（電池）

?■電;斷電測試波形（點火）

滿足條件：被測設(shè)備的一個或多個功能在測試期間不按照

設(shè)計執(zhí)行并且在測試后不會恢復(fù)到正常運行狀態(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：

2s；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

4600us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：20MHz到400MHz,

其他測試條件和設(shè)置可參考IS011452-2和11452-4o

頻率范圍（MHz）步長(MHz)調(diào)制

20-2005CW,AM

200-40010CW,AM

4200-80020CW,AM

800-100020CW,AM,PM

1000-200020CW,AM

滿足條件：測試設(shè)備滿足如下測試極限:

項目域標準

RI60V/m被測設(shè)備的所有功能在測試期間或之后按照

設(shè)計來執(zhí)行。不允許故障碼。

80V/m被測設(shè)備的所有功能在測試期間按照設(shè)計來

執(zhí)行。然而，其中一個或多個可能會超出指定

的限度。所有功能在測試后自動恢復(fù)到正常限

制內(nèi)。

100V/m被測設(shè)備的所有功能在測試期間按照設(shè)計來

執(zhí)行。然而，其中一個或多個可能會超出指定

的限度。所有功能在測試后自動恢復(fù)到正常限

制內(nèi)。

項目域標準

BCI80mA被測設(shè)備的所有功能在測試期間或之后按照設(shè)計

未執(zhí)行。不允許故障碼。

100mA被測設(shè)備的所有功能在測試期間按照設(shè)計來執(zhí)行。

然而，其中一個或多個可能會超出指定的限度。所

有功能在測試后自動恢復(fù)到正常限制內(nèi)。

4.環(huán)境類測試

高溫工作測試

測試條件：將樣件放在85±3。（2條件下l±0.5h之后；測

試時間：168h；重復(fù)以下休眠模式lOmin；被測設(shè)備無操作電

壓，同整車狀態(tài)完整的線束模式50min；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(shè)備的一個或多

個功能在測試期間不

按照設(shè)計執(zhí)行并且在測試后不會恢復(fù)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)T環(huán)境下l±0.5h之

后；測試時間：168h；重復(fù)以下測試模式；休眠模式lOmin,

同整車狀態(tài)完整的線束模式50min；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(shè)備的所有切能

在測試期間或之后按照設(shè)計來執(zhí)行，不允許故障碼；且無外部

應(yīng)變或損壞。

低溫操作測試

測試條件：將樣件放置在(-30±3)℃環(huán)境下l±0.5h之

后；測試時間：168h；重復(fù)以下測試模式；休眠模式lOmin,

同整車狀態(tài)完整的線束模式50min；12.0±0.2v；再放置