登陆

具有功能安全特点的EPS电控系统方案介绍

来源：

2020-03-12

180

前言

EPS 系统简介

图1：EPS系统

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。

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。

图2：C-EPS

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。

图3：P-EPS

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。

图4：P-EPS

1）助力控制：

2）阻尼控制：

3）回正控制：

4）系统通信功能：

5）系统故障诊断功能：

EPS 系统的功能安全趋势

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6：EPS 安全状态（safe state）

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。

图7：基于英飞凌产品的汽车EPS 电控系统方框图

1）控制电路

如上图所示方案中，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 $PROSIL^{TM}$ 流程从芯片级层面就已经考虑了系统功能安全所需的芯片功能模块，并使得芯片内部关键的功能安全模块所实现的功能在出厂前就已经达到对应的ASIL等级。

$AURIX^{TM}$ 是 Infineon 用于汽车上对安全要求很高的部件的微处理器品牌。它是基于新一代覆盖单核到3 核的 $TriCore^{TM}$ 技术。此外， $AURIX^{TM}$ 微处理器内部还集成有额外的Lockstep核，它为ASIL-D 安全系统提供了故障监测和快速响应。

除上述基本特点外，还有一些创新的功能安全方面的特点：

- 冗余多样的 timer 模块（GTM, CCU6, GPT12）

- 功能安全管理模块

- 遵循ISO26262 标准，可以支持用户安全功能到ASIL-D 等级

正是有以上的特点，使得用户减少了系统功能达到 ASIL-D 的研发工作量；高集成度降低了用户系统的复杂度和成本；同时单电源供电降低了单片机对电源的消耗和电源部分成本。

- 配合多种转子位置传感器接口的专用模块和专用功能管脚（增量编码器 Encoder、霍尔传感器接口）

- AD 转换单元提供了 4 个转换核，可同时对 4 路单端模拟信号同时采样，满足了用户对电机多个相电流同时采样的需求

功能特点如下：

- 宽输入电压范围：3 - 40V

- 6 路独立后置稳压器输出结构

- 单片机 AD 转换单元模拟供电及参考：5V @ 150mA (±1%)

- 通讯专用供电：5V @ 200mA

- 使能和唤醒功能

- 稳定的中间电源5.8V 可用于产生单片机板所需的其它电源供电，如旋变激励所用的12V 等

TLF35584电源芯片在设计之初就被定义为 $AURIX^{TM}$ 系列 MCU的外部监控芯片，当然也可以为其它MCU外部监控。图8简单示意了AURIXTM单片机外部监控所需的功能及TLF35584功能安全单元集成的功能。

图8：TLF35584内置的监控功能

TLE9180 是 Infineon 正在开发的新一代具有功能安全特点的三相逆变桥门极驱动芯片，主要用于外部三相逆变桥的6 个N-MOSFET 的门极驱动，具有如下特点：

- 6 个N-MOSFET 的过流保护

- SPI 通讯接口，用于和MCU 通讯、配置以及诊断

- 内置1~3 个差分输入的电流采样运放

- 内置SPI 看门狗

- 内置安全屏障，确保 MCU 和 TLE9180 损坏后互不影响。即 TLE9180 因故障损坏后不会损坏 MCU，同理MCU 因故障损坏后也不会损坏TLE9180

- 独立的相电压反馈功能

- 三相逆变桥功率开关自检

2）功率电路

总的来说，功率电路首要考虑的是可靠性和效率。

可靠性对不同功能部分涉及的内容也不同。对于三相逆变全桥来说，因其工作原理非常成熟，所以这部分的可靠性主要受制于实现时的系统设计能力、PCB 布局走线、电磁兼容EMC 以及热设计等相关的设计能力。英飞凌北京汽车系统工程部在这几方面都积累了多年的经验，尤其是在用单层铝基板实现方式上有着非常成熟的方案。

下面重点介绍相切断单元。首先要说明使用相切断单元的背景及原因。传统的EPS还配有电磁离合器，装在减速机构与电机之间，其作用是保证EPS系统只在设定的行驶车速范围内起作用。当车速达到界限值时，离合器分离，电机停止工作，转向系统成为手动转向系统。另外，当电机发生故障时，离合器将自动分离。而新一代的EPS已经取消电磁离合器，因为汽车高速时，电机仍需要提供阻尼来实现高速时的沉稳感。另外，因电机轴承故障而卡住电机输出轴的概率远比EPS电控逆变电路出故障而短路相绕组的概率低，所以目前主流技术只考虑故障时用电子开关将EPS电控功率电路和电机切断即可。早期机械继电器被用于切断功率电路和电机，但因其体积大、成本高、抗震差等缺点而被逐渐淘汰。取而代之的是用MOSFET 来实现。

所以相切断MOSFET单元真正产业化应用必须要解决几个问题。一，提供3个相切断MOSFET在关断后的电机电感续流回路；二，要有适当的策略、方法和必要的电路来可靠关断故障电流。同样英飞凌北京汽车系统工程部在这方面已经有了一整套的解决方案，并申请了专利。当然此专利不会阻止英飞凌的客户去使用此项技术。因此，专利技术再加上Infineon 的3颗60V汽车级N-MOSFET能够担当功能安全关断的执行重任。

用三相PMSM或BLDC电机实现的EPS系统需要三类传感器。第一类是三相PMSM或BLDC电机控制用的转子位置传感器；第二类是EPS方向盘扭矩传感器；第三类是EPS方向盘转角传感器。这三类都是EPS系统涉及功能安全的关键元器件。功能安全对关键输入信号的基本要求就是要有冗余备份。

为实现三相PMSM或BLDC电机扭矩的精准控制和减小扭矩波动，主流技术是采用FOC磁场定向控制方法。为实现FOC控制就需要知道实时电机转子相对于定子的角度信号，即转子位置信号。主流的转子位置传感器有两种：带霍尔的增量编码器和旋转变压器。相对于Infineon的巨磁阻效应的两类传感器TLE5309D和TLE5012BD，旋转变压器和带霍尔的增量编码器价格贵很多。上图给出的方案是用户在这4种传感器中任选两个作为一个组合用于功能安全的转子位置检测。

传感器芯片。Dual-sensor封装技术是将两个完全独立的传感器芯片集成在一个塑封封装里，既实现了冗余又减小了体积。TLE5309D内部晶圆上面集成了一个GMR（巨磁阻效应）传感

信号都是两路差分模拟信号输出。AMR和GMR芯片输出的角度精度分别是0.1和0.6度。TLE5309D的特点是速度更快、精度更高。

b）EPS方向盘扭矩传感器

c） EPS方向盘转角传感器

上述通过控制电路、功率电路以及外围传感器简单介绍了基于英飞凌产品的汽车EPS电

如需了解该方案细节，可申请OIKOS-Gen2开发板套件KIT_AURIX_TC275_OIKOS2_S。