图1：EPS系统具有功能安全特点的EPS电控系统方案介绍英飞凌北京汽车系统工程部李超王龙飞 摘要：随着EPS电动助力转向系统越来越多地应用于汽车，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 关键词：电动助力转向EPS 功能安全相切断英飞凌Infineon
1 前言
大蒜剥皮机电动助力转向系统（Eelectric Power Steering 简称EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。它作为一种新型助力转向系统与已有几十年发展历史的传统液压转向技术相比，具有诸多优点。可以通过软件改变它的电动助力转向特性，因此提高了硬件资源的利用率；而且在低速行驶时转向轻便，在高速行驶时转向具有沉稳感；助力电机只在转向时工作，能够节省汽车能源。电动助力转向技术将最新电子技术和高性能电机控制技术应用于汽车转向系统，大大提高了汽车的经济性、动力性和机动性，适应了现代汽车发展的要求；而且电动助力转向系统具有部件少、结构简单、便于安装和维护等特点；采用电动助力转向系统的汽车，在转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车况调整控制电机的助力或阻尼，降低了对发动机的功率需求，并大大提高了驾驶转向的舒适性和行驶安全性。 2 EPS系统简介
图2：
C - EPS 电动助力转向系统由机械转向系统、方向盘扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电机和减速机构等组成，如图1所示。电动助力转向系统的工作原理是：ECU 根据扭矩传感器、转角传感器的信号以及通讯总线发来的车速等其他信息决定电机的转动方向和最佳助力扭矩，向电机发出控制信号，通过功率驱动电路控制电机的转动，电机的输出经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。通过精确的控制算法，可改变电机的扭矩，使传动机构获得所需的助力值。
电机是电动助力转向系统的动力源，其功能是根据ECU 的指令输出适当的辅助扭矩。电机对EPS 系统的性能有很大的影响，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、转动惯量小、功率密度高，而且要求可靠性高和寿命长。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、调速性能好等诸多特点，因此这两种三相电机被广泛运用于各种EPS 系统。
根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式(Column Mounted)、小齿轮助力式(Pinion mounted)和齿条助力式(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
转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这样
的系统结构简单紧凑、易于安装，但由于助力
电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的
多媒体教室录播影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般
只用在小型及紧凑型车辆上。
小齿轮助力式EPS 系统中将助力电机和
减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实
现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱
内，因此可以使用较大的电机以获得较
高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。详见图3。
如图4所示，齿条助力式EPS 系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系统结构复杂，成本较高，所以适用于豪华车和商务车上。
脚踏式封口机图3：P - EPS
无论哪种EPS 系统，所实现的功能大致相同：
二维液相谱
1） 助力控制：
在汽车停车及低速行驶时提供较大助力扭矩，使转向过程快捷轻便，而在汽车高速行驶时提供较小的助力扭矩以保持转向过程的可靠与沉稳。
2）阻尼控制：
利用电机扭矩来减弱汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，目的是提高汽车高速直线行驶稳定性。
3）回正控制：
驾驶员松开方向盘后，随着作用在方向盘上的力的减小，方向盘将在回正力矩的作用下回正。需要防止两种情况：回正力矩过大，引起方向盘位置超调；回正力矩过小，方向盘不能回到中间位置。
4）系统通信功能：
通过CAN/LIN 总线与其他汽车控制系统进行通讯，实现更加复杂的功能。
5）系统故障诊断功能：
能实时监控整个系统，具有故障报警和提示功能，在故障不能自动排除时切断EPS 使车辆进入传统的
机械转向模式。
3 EPS 系统的功能安全趋势
ISO26262标准主要定位在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件，旨在提高汽车电子、电气产品功能安全的国际标准。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月国家标准化委员会发布《关于下达2012年第一批国家标准制修订计划的通知》中，正式将ISO26262标准列入国标制定计划。未来ISO26262对汽车产业尤其汽车电子的影响程度将不亚于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 汽车安全完整性等级 ASIL ），其中D 级为最高等级，需要满足最苛刻的安全需求。作为汽车最关键的系统，EPS 系统的很多功能都要符合ASIL D 的安全等级，因此对于EPS 的硬件和软件开发流程的要求也最严格的。
图4：
R - EPS
图5是欧洲部分整车厂和一级部件供应商比较认可的EPS 子系统3个主要的功能安全目标，分别是：避
压力检测装置
免自转向；避免转向受阻；避免超出预期20%的过助力或欠助力。这三个功能都需要满足ASIL D ，一旦发生任意一种都要自动进入安全状态，即EPS 逆变单元和电机脱开。 图6是相切断单元用MOSFET 器件实现的EPS 安全状态的具体例子。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 是什么状态都不会造成电机绕组被动短路，进而也不会抱死电机。
图5：欧洲部分整车厂和一级部件供应商共识的功能安全目标
图6：EPS 安全状态（safe state ）
4 基于英飞凌产品的汽车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汽车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。图7所示的浅蓝区域为ECU 的控制电路（也叫逻辑电路），浅黄区域为功率电路。简要工作关系如下所述。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转方向盘的力矩，在得知驾驶员的转向意图后控制电路会在极短的时间内采集到相关信息，包括转角传感器的方向盘转角信号、通过CAN 总线或Flexrey 总线传来的车速等相关行驶数据，然后根据控制电路单片机中预设的转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。
个人信息管理系统
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作用。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都提出了很高的要求。即使控制电路有故障发生的情况下也要能检测到并输出关断信号到功率电路的相切断单元，以保证功能安全目标的实现。
如图7所示方案中，主MCU 采用了Infineon 的新一代AURIX TM 系列32位多核微处理器TC26x 或TC23x 。电源芯片TLF35584是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。三个主芯片都是遵循Infineon 内部PROSIL TM 的功能安全设计流程。经过PROSIL TM 流程把控的产品方便用户更
快更容易设计出满足IEC 61508和 ISO 26262标准安全等级的部件。因为PROSIL TM 流程从芯片图7：基于英飞凌产品的汽车EPS 电控系统方框图
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