電動助力轉向EPS

梳理一下電動助力轉向EPS的內容.

說到底以前EPS只是一個部件，現在是連接整個自動駕駛橫向運動控制的樞紐，如下圖所示，其變得至關重要。

圖1 源自Hitachi，EPS的定位在之前是有很大的改變的

第一部分 EPS的基本分類和介紹

汽車轉向系統是對行駛路線的管理，它涉及駕駛者意向與車輛響應的持續交互過程，是車輛駕駛質量的核心之一。一般而言轉向系統的要求：

1）對消費者操作體驗而言

• 須精準快速

• 可自由控制

• 容易操作且響應直接

• 為駕駛者提供良好的路感反饋

• 利於方向盤迴位到直線行駛位置

2）對車企內部而言

• 系統緊湊&重量較輕，

• 振動條件下工作

• 滿足雜訊NVH標準，

• 維修少（Warrenty成本低，保養成本低）

• 在高速&低速的情況下提供安全&舒適性

• 緊急情況下可以迅速反應，

• 當意外碰撞事故，還要保障駕駛員的安全免收傷害

• 轉向柱遇大強度撞擊收縮

圖2 轉向系統基本分類

電動助力轉向系統主要可以分為（提供轉向助力的不同位置，也可以說是扭矩作用未知）

• 管柱助力式電動助力轉向(Column-EPS)：助力電機固定在轉向軸一側，通過減速機構與轉向軸相連，直接在轉向軸施加助力

• 小齒輪助力式電動助力轉向(Pinion-EPS)：電機通過減速機構與轉向器小齒輪相連，在齒輪出施加助力【使用雙小齒輪系統可應用於更大車型】

• 齒條助力式電動助力轉向(Rack-EPS)：電機通過減速機構直接驅動齒條提供助力

下圖合併了參考文獻1和參考文獻2的示意圖，總體來說，其實可以把相關的廠家的Spec合併下大概能看出個具體的參數範圍

圖3 不同EPS的使用範圍和功率符合情況概覽

第二部分 EPS的供應鏈和滲透率情況

下圖左半是蓋世汽車網所整理的，右半是參考文獻3上所寫的，我們基本還是看EPS ECU、感測器還有電機三塊的供應商為主。

• JTEKT=》Toyota，Lexus

• NSK

• KYB

• SHOWA=>Honda

• Hitachi Automotive Systems

• MB Tech =>Daimler

• TRW &ZF =》BMW,Ford,Chrysler,VW，Nissan

• Robert Bosch Automotive Steering=》AUDI

滲透率的來源從參考文獻1和2，這塊以前是兵家必爭之地，以後更加是了

當然做不好的有以下的下場

第三部分 ECU的考慮

備註：此部分是德鵬手書，我略作修訂

1）EPS 控制系統

在控制轉向系統上使用永磁同步電機比有刷電機具有顯著優點，目前據說國內只有兩三家實現了永磁同步電機控制器的量產，助力轉向是手輸入方向盤的扭矩加上電機產生的扭矩等於系統輸出的轉向扭矩。

控制器輸入輸出信號

• 輸入：車速、轉向扭矩、轉向角度、電機轉子位置信號、點火信號

• 輸出：電機扭矩

故障診斷

• EPS屬於底盤電子，其安全性要求很高，在功能等級定義中為ASIL D.

• 功能安全這個概念是後來才引入到EPS的，EPS最早在上個世紀八十年代就出現了，其中內部完善的故障診斷很早就有了

• 故障診斷可以簡單劃分為對負載、輸入和內部診斷。建立在軟體、硬體、系統的基礎上

2）硬體設計

此電路結構對比與其他控制器電路有許多不同的地方，許多電路的存在是為了故障診斷，保護功能等。

• 兩個MCU這種結構已經慢慢給一個MCU內部有兩個核的代替了。

• 也有一些是兩個電機驅動模塊、兩個電機輸出的

• 圖中電機到主控MCU的箭頭寫著Motor a/b/c可能不是很對，應該是電機轉子位置感測器，多用旋變分解器也有電機控制器一體化時的MR感測器。

• 也有先在輸入橋電路前把電壓升上去了再作為驅動給電機的，這樣對電機和轉向機械系統有特別的要求。

• 扭矩角度感測器則是提供方向扭矩和角度的，角度信息在自動駕駛、自動泊車等之前基本上都是使用在主動回正的。沒有使用角度信息干預回正，機械系統會自己回正，不過摩檫係數要小。

3）軟體設計

• 這裡的電機可以是有刷電機也可以是永磁同步電機，有刷電機相對永磁同步電機好控制。

• 但控制電機上應該不是瓶頸，國內電機控制論文已經可以看到很多了，比較成熟的了。

• 在上層控制中這裡跟轉向系統跟整車就非常相關了。

• 標定的時候就需要設定這塊參數，包括微分、阻尼、增益、助力曲線等。會對操舵時手感有影響。

• 軟體上還有其他部分，比如對應電機失效時的故障診斷、CAN通信等。

4）助力曲線

• 縱軸是電機輸出電流大小，橫軸是方向盤在扭矩感測器上產生的扭矩。

• 在不同車速下輸出不同比例的電流，車速越大在相同的扭矩下輸出的電流值就越小。

• 助力曲線圖應該有三種形式的，曲線形式是手感最好但是需要對應的軟體也是最多的，之後把曲線變成一段段直線的形式，最後是只有一條直線當然手感也是最差的。

以下這個圖是從大眾的文件摘出來的，根據電流和NM都可以比對

小結：

1）之前只有和周岩交流EPS ECU硬體設計的時候關心過這個部件，現在一點點在系統的了解底盤電子，望各位大俠拍磚

2）做好很費勁，做到自動駕駛更費勁了

參考文件：

1）電動助力轉向（EPS）技術和發展簡介 張堃博

2）汽車電動助力轉向系統的研究與方案 劉山 英飛凌科技(中國)有限公司

3）Magnetic position sensors aim at electric power steering applications

本文首發於公眾號：汽車電子設計（微信號：QCDZSJ）

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