TOP1 LIN步進電機驅(qū)動器解決方案

　　步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機和步進電機驅(qū)動器構(gòu)成的。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能不但取決于步進電機自身的性能，更取決于步進電機驅(qū)動器的優(yōu)劣。同時，對步進電機驅(qū)動器的研究與步進電機的研究幾乎是同步的，因而步進電機驅(qū)動器在汽車動力系統(tǒng)中有著重要的地位。

　　步進電機驅(qū)動器細(xì)分的主要作用是提高步進電機的精確率。國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，本質(zhì)不同。

　　1.“平滑”并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的。

　　2.電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。

　　驅(qū)動器細(xì)分后的主要優(yōu)勢

　　完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應(yīng)式電機）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓 ?。x擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細(xì)分時提高約30-40%。提高了電機的分辨率。由于減小 了步距角、提高了步距的均勻度，“提高電機的分辨率”是不言而喻的。

　　LIN步進電機驅(qū)動器解決方案

　　步進電機驅(qū)動器的細(xì)分越高，步進電機的精度就越高？

　　這是一種錯誤的觀念。比如步進電機驅(qū)動器細(xì)分較高的可以達到60000個脈沖一轉(zhuǎn)，而步進電機實際是無法分辨這個精度的，當(dāng)驅(qū)動器設(shè)置為60000個脈沖/轉(zhuǎn)的時候，步進電機驅(qū)動器接受好幾個脈沖，步進電機才走一步，這樣并不能提高步進電機的精度。

　　步進電機的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。細(xì)分后電機運行時的實際步距角是基本步距角的幾分之一。

　　英飛凌：汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　現(xiàn)代汽車技術(shù)追求高效節(jié)能，高舒適性和高安全性三大目標(biāo)。作為汽車最重要的子系統(tǒng)之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展也一直努力追求達到這些目標(biāo)。與傳統(tǒng)液壓 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能節(jié)省油耗約3%~5%，具有結(jié)構(gòu)精巧、節(jié)能環(huán)保、安全舒適等優(yōu)點，是汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方 向。

　　英飛凌作為世界第二大車用半導(dǎo)體供應(yīng)商，一直致力于開發(fā)新的產(chǎn)品以適應(yīng)于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展。本文首先介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 市場分析以及EPS的分類及其基本功能，然后在此基礎(chǔ)上介紹英飛凌對于基于兩種不同電機的EPS系統(tǒng)的解決方案及其產(chǎn)品，最后本文分析了EPS的兩個新方 向以及英飛凌將采用的解決方案和新的產(chǎn)品技術(shù)。

　　1.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分析

　　在汽車的發(fā) 展歷程中，轉(zhuǎn)向體經(jīng)歷了四個階段：從簡單的純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Mechanical Steering，MS）發(fā)展到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS），然后又出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrically Powered Hydraulic Steering，EHPS），而目前正開始廣泛應(yīng)用的是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）。

　　與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有以下幾個方面的優(yōu)勢：

　　1）能耗少：EPS沒有轉(zhuǎn)向油泵，且只在轉(zhuǎn)向時電動機才提供助力，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)約燃油3%~5%，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。

　　2）路感好：EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉(zhuǎn)向系的擾動。且由于EPS 系統(tǒng)內(nèi)部采用剛性連接，系統(tǒng)的滯后特性可以通過軟件加以控制，因此有較好的路感。

　　3）安裝方便：EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等零件，并且其電機和減速機構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或裝在轉(zhuǎn)向器內(nèi)，從而使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊且安裝方便。

　　4）回正性能好：EPS結(jié)構(gòu)簡單精確、內(nèi)部阻力小、回正性能好，而且可以通過軟件進行補償，從而可以得到最佳的轉(zhuǎn)向回正特性，且可改善汽車的操縱穩(wěn)定性。

　　5）應(yīng)用范圍廣：EPS可適應(yīng)各種汽車，目前主要用于轎車和輕型載貨汽車。而對于新能源車，尤其是純電動汽車，EPS系統(tǒng)為其最佳選擇。

　　6）整車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：EPS由于有CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò)接口，可以與汽車其它電子控制系統(tǒng)結(jié)合，例如主動懸架、制動防抱死（ABS）及駕駛員輔助系統(tǒng)等，共享其電子裝置的功能，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，比如汽車智能化的終極目標(biāo)：無人駕駛。

　　下表一是世界著名的咨詢公司Strategy Analytics對全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的預(yù)測，可以看到EPS將占據(jù)50%以上的市場份額。

　　表一：2007-2018全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場預(yù)測 （百萬套）

　　若分區(qū)域來看，過去主要在歐美和日本采用EPS.但是從2015開始，中國將超過歐美和日本，成為全球最大的EPS市場。見下表二。

　　表二：2007-2017 全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分區(qū)域預(yù)測 （百萬套）

　　若分車型來看，所有的廣義乘用車都能應(yīng)用EPS，從2007年至2017年的平均年增長率為15%.不過由于大型轎車和輕卡對于EPS的需求增長迅猛，表三顯示從C級以下的小型轎車的份額從2007年的86%下降為2018年的66%.

　　表三：2007-2018 全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場分車型預(yù)測 （百萬套）

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　　TOP2 英飛凌電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案

　　2.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用電動機產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作。系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：信號傳感裝置（包括扭矩傳感器、方向盤角度傳感器和車速傳感器），電子控制單元和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)（電機、離合器、減速傳動機構(gòu)等）。

　　電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉(zhuǎn)向軸上的扭短信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單 元。電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減 速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

　　根據(jù)電機安裝位置和機械結(jié)構(gòu)的不同，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系 統(tǒng)可以分為：管柱助力式（Column Mounted），小齒輪助力式（Pinion mounted），雙小齒輪助力式（2xPinion mounted）和齒條助力式（Rack mounted）。具體的如下圖一所示：

　　圖一：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

　　管柱助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機安裝在管柱上，通過減速增扭機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝，但由于助 力電機安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車輛上。小齒輪助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機和 減速增扭機構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機以獲得較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機轉(zhuǎn) 動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。雙小齒輪助力式EPS系統(tǒng)由于增加了一對齒輪齒條而能提供比小齒輪助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齒條助力式EPS系統(tǒng)中 將助力電機和減速增扭機構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，所以適用于豪華車和商務(wù)車上。

　　無論哪種EPS系統(tǒng)，其要實現(xiàn)的功能大致相同：

　　1）助力控制：在汽車停車及低速行駛時提供較大輔助力矩，使轉(zhuǎn)向過程快捷輕便的進行，而在汽車高速行駛時提供較小的輔助力矩以保持轉(zhuǎn)向過程的可靠與沉穩(wěn)。

　　2）阻尼控制：利用電機感應(yīng)電動勢來減弱汽車高速行駛時出現(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)象，目的是提高汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性。

　　3）回正控制：駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。需要防止兩種情況：（1）回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。

　　4）系統(tǒng)通信功能：通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

　　5）系統(tǒng)故障診斷功能：能實時監(jiān)控整個系統(tǒng)，具有故障報警和提示功能，在故障不能自動排除時關(guān)斷EPS使車輛進入傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向模式。

　　為了實現(xiàn)上述功能，軟硬件的選擇就非常重要。從半導(dǎo)體供應(yīng)商的角度，EPS系統(tǒng)中選擇的助力電機的類型非常關(guān)鍵。一般來講，常用的EPS助力電機分為直流有刷電機（DC）和直流無刷電機（BLDC）兩種。針對這兩種電機，英飛凌都有相應(yīng)的全套解決方案。

　　3.英飛凌電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案：直流有刷電機

　　直流有刷電機（DC）由于技術(shù)成熟、控制器簡單、成本低等特點，短時間內(nèi)仍將在EPS電機中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前主要應(yīng)用于低成本的EPS上，代表車型為日系車和國內(nèi)自主品牌的低端車。

　　針對于基于直流有刷電機的EPS系統(tǒng)，英飛凌提出一套非常成熟可靠的方案，見圖二。

　　圖二：英飛凌基于直流有刷電機的EPS方案

　　1）傳感器

　　EPS系統(tǒng)中最重要的輸入信號就是方向盤的扭矩，因此扭矩傳感器的選擇非常重要。目前國內(nèi)大部分 EPS系統(tǒng)采用的是電位計式扭矩傳感器，最主要的原因是技術(shù)成熟、價格便宜。不過由于其是接觸式測量，使用時間長后容易磨損，導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確，并且其信 號的一致性與精確度都不高。

　　因此英飛凌推薦使用2片線性霍爾傳感器TLE4998/TLE4997 作為扭距傳感器。TLE4998是一款全面采用數(shù)字邏輯結(jié)構(gòu)（20 bit的數(shù)字信號處理），具有數(shù)字溫度補償功能的汽車級（-40℃-150℃）的可編程線性霍爾傳感器，根據(jù)需要可輸出SPC（Short PWM Code）、PWM或SENT（Single Edge Nibble Transmission）信號，其中PWM信號具有12位的分辨率，而SPC和SENT信號更具有高達16位的分辨率。此外，TLE4998還帶有各種 保護（防反接，過壓，輸出短路等）和在線診斷（電壓，EEPROM錯誤等）功能，并具有極強的抗應(yīng)力和抗EMC性能。TLE4997與TLE4998最大 的區(qū)別在于其只支持模擬接口。

　　2）電子控制單元（ECU）

　　ECU擔(dān)負(fù)著處理傳感器信號、執(zhí)行控制策略、輸出控制信號驅(qū)動電機、系統(tǒng)監(jiān)控診斷和通訊的重任，是系統(tǒng)的核心部件。

　　作為ECU中的核心元器件，主微控制器（MCU）需要高性能和高可靠性。英飛凌推薦在EPS中采用最先進的XC2000系列產(chǎn)品作為主微控制器。 XC2000是英飛凌針對汽車電子專門設(shè)計的基于130nm技術(shù)制造的16位微控制器系列并具有執(zhí)行某些 32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構(gòu)并進行了改善，最高的時鐘頻率達到80MHz.該架構(gòu)采用了多路數(shù)據(jù)總線技術(shù) （multiple data buses），大部分指令都能在一個時鐘周期內(nèi)完成，也支持DSP技術(shù)。XC2000的強大的功能和眾多的外設(shè)使工程開發(fā)人員設(shè)計系統(tǒng)時更加游刃有余。 XC2000系列產(chǎn)品分成三個子系列，其中XC2300系列是專門針對安全應(yīng)用開發(fā)的，具有反應(yīng)迅速，高冗余度，高靈活性和穩(wěn)定可靠的特點。由于DC EPS低成本的要求，英飛凌推薦XC2300中兩款低成本的產(chǎn)品：XC2300D和XC2300S.他們的區(qū)別在于XC2300D支持CAN總線通訊，而 XC2300S只支持LIN總線通訊。

　　針對EPS系統(tǒng)中最重要的電機控制，英飛凌提供的方案是全橋預(yù)驅(qū)動芯片加上4顆Mosfet來 驅(qū)動直流有刷電機。對于全橋預(yù)驅(qū)動芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182.他們都是內(nèi)置2個高邊和2個低邊輸出級，可通 過輸出0-100%占空比的PWM波控制4顆外接MOS管。它帶有過流，過溫，短路等各類保護和分析功能。他們的區(qū)別在于：TLE6282最高工作電壓為 60V，且沒有內(nèi)置運算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V，內(nèi)置一個高精度的運算放大器，可以顯著地降低系統(tǒng)成本。

　　從整個系統(tǒng)的角度看，本方案所采用的芯片都是專門為汽車應(yīng)用而設(shè)計的，具有至少-40-125℃的應(yīng)用溫度范圍，并有很強的靜電保護和抗電磁干擾性能。此外，這些芯片大多采用無鉛材料制造，是對環(huán)境友好的綠色芯片。

　　4.英飛凌電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案：直流無刷電機

　　雖然直流有刷電機價格比較便宜，但是其電刷易磨損、功率密度較低、換向器的電火花容易產(chǎn)生電磁干擾，尤其是其控制策略的限制造成手感不好，因此直流無刷 電機（BLDC）也逐漸應(yīng)用于EPS中。目前主要應(yīng)用于中高端的EPS上，代表車型為歐美系和國內(nèi)自主品牌的中高端車型。

　　針對于基于直流無刷電機的EPS系統(tǒng)，英飛凌也有一套非常成熟可靠的方案，見圖三。

　　圖三：英飛凌基于直流無刷電機的EPS方案

　　1）傳感器

　　在高端的基于直流無刷電機的EPS系統(tǒng)中，除了扭矩傳感器外，還需要方向盤角度傳感器來收集角度信息來實現(xiàn)主動回正控制功能和車速信號、電機轉(zhuǎn)子位置信息和發(fā)動機點火信號、點火開關(guān)信號。

　　TLE5011目前已大規(guī)模量產(chǎn)，其實現(xiàn)方式是兩顆芯片采用測量相位差的方法來實現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角的測量。它是英飛凌采用GMR（Giant Magneto Resistance）技術(shù)設(shè)計的專門用于角度測量的磁性傳感器。采用該技術(shù)制造的傳感器具有精度高，磁輪間隙小，由于傳感器和磁鐵平行放置而可以制成特 別小巧的傳感器模塊的特點。TLE5011可以測量0-360°的角度范圍，全溫度范圍的測量精度為2°，采用SPI信號直接輸出16位的 sine/cosine值，其3線SSC接口擁有最高2Mbit/s的通訊速率。

　　由于TLE5011輸出的是SPI信號，因此需要一顆 額外的英飛凌8位單片機XC886作為運算單元。英飛凌的XC88x系列處理器含有一個叫做CORDIC的協(xié)處理器，該協(xié)處理器專門用于計算三角函數(shù)，線 性函數(shù)和雙曲線函數(shù)，對于力矩和角度的計算有著極高的運算效率。此模塊運算的結(jié)果將通過LIN總線傳輸給ECU主控制器。

　　TLE5009是TLE5011的降成本版本，基本功能相似，區(qū)別在于輸出接口是模擬信號，并且全溫度范圍的測量精度為3°。

　　TLE5012B是TLE5011的功能增強版本，基本功能相似，區(qū)別在于輸出接口除了支持SPI 外，還支持PWM，IIF和HSM;全溫度范圍的測量精度為1°；并且內(nèi)置了CORDIC運算單元，能夠直接輸出角度信號，這樣就可以省去外部的8位單片 機，達到了降低系統(tǒng)成本的目的。

　　EPS系統(tǒng)所需的車速信號可由ABS/ESC系統(tǒng)中的輪速傳感器獲得。

　　TOP3電動汽車動力總成控制系統(tǒng)方案詳解

　　2）電子控制單元（ECU）

　　由于性能高、控制手感好，永磁同步電機（PMSM）在直流無刷EPS系統(tǒng)中占有很大的比重。對于永磁同步電機，其控制算法需要采用空間矢量控制算法，因 而對控制器的計算精度和速度都提出了較高的要求。為了保證其能準(zhǔn)確高效地完成任務(wù)，英飛凌推薦 XC2300產(chǎn)品系列中的XC2300B產(chǎn)品。其擁有一個帶五級流水線的最高80MHz的時鐘頻率的高性能CPU并擁有一個保護數(shù)據(jù)不被非法訪問的 Memory Protection Unit （MPU）。它具有不同類型的片上存儲模塊（stand-by RAM，dual-port RAM，SRAM， program/data SRAM和program flash memory）并使用硬件CRC檢測和ECC碼來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多的外設(shè)模塊可靈活地滿足各種不同的需求，擁有2個10位分辨率的 同步A/D轉(zhuǎn)換器，多路通用捕捉/比較單元，多路CAN接口等等，并可通過DAP和JTAG接口進行片上調(diào)試。此外，它還帶有看門狗和晶振看門狗來保證控 制器的正常運行。

　　除了這顆主微控制器外，EPS系統(tǒng)還需要一個備份微控制器。它最主要的作用是對主微控制器進行監(jiān)控并在主微控制器失效 的情況下切斷EPS使汽車進入機械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，避免汽車失控而引發(fā)危險。在這里，英飛凌推薦的也是XC2300 16位微控制器。其目的是為了符合ISO26262中對EPS系統(tǒng)的ASIL（汽車安全完整性等級）D的要求。

　　TLE7183/TLE7189是英飛凌主推的大電流三相電機驅(qū)動芯片，用來驅(qū)動EPS系統(tǒng)中最重要的無刷電機。TLE7183QU的三個高邊和三個低邊 輸出級可通過輸出0-100%占空比的最高30kHz的PWM波控制6到12顆外接MOS管，且內(nèi)置一路高精度運算放大器。它帶有過流，過溫，短路等各類 保護和分析功能并具有關(guān)斷和睡眠兩種模式。整個產(chǎn)品使用了48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，保證了系統(tǒng)良好的散熱性能和焊接的便利性。而 TLE7189與TLE7183的最大區(qū)別是內(nèi)置三路高精度運算放大器。其中兩路運放利用兩個采樣電阻來采集電機的兩相電流，實現(xiàn)矢量控制算法來精確地控 制電機；另一路運放利用另外一個采樣電阻來采集電機的第三相電流，實現(xiàn)冗余和校驗功能。

　　5.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新方向：ISO26262與小型化

　　1）ISO26262

　　ISO26262標(biāo)準(zhǔn)主要定位在特定的電氣器件、電子設(shè)備、可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的部件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標(biāo)準(zhǔn)。 ISO26262標(biāo)準(zhǔn)主要參考工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508，大約于2005年開始發(fā)展，于2011年 11月15日正式頒布。2012年8月國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布《關(guān)于下達2012年第一批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃的通知》中，正式將ISO26262標(biāo)準(zhǔn)列入國 標(biāo)制定計劃。未來ISO26262對汽車產(chǎn)業(yè)尤其汽車電子的影響程度將不亞于ISO/TS 16949.

　　ISO26262標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安全 風(fēng)險程度對系統(tǒng)或系統(tǒng)某組成部分確定劃分由A到D的安全需求等級（Automotive Safety Integrity Level 汽車安全完整性等級 ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。作為汽車最關(guān)鍵的系統(tǒng)，EPS必須要滿足ASIL D，而ASIL D對系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)流程的要求非常高。因此，一個好的半導(dǎo)體解決方案會幫助整車廠和EPS系統(tǒng)供應(yīng)商在系統(tǒng)開發(fā)時事半功倍。

　　由于 ISO26262是由歐洲幾大車廠聯(lián)合發(fā)起制定的，作為歐洲最大的汽車電子芯片供應(yīng)商，英飛凌有幸參與了這幾大車廠原型機的設(shè)計，驗證，實施等環(huán)節(jié)，并且 有些項目已經(jīng)量產(chǎn)。由于這個先發(fā)優(yōu)勢，雖然ISO26262在2011年11月15日才正式頒布，英飛凌卻已經(jīng)準(zhǔn)備好了一整套成熟的，完整的，可以支持量 產(chǎn)的解決方案，包括硬件，軟件和文檔。在上圖三中的雙XC2300的方案就是其中一個成熟的解決方案，它們的安全軟件架構(gòu)如下圖四所示：

　　圖四：基于雙XC2300的ASIL D軟件架構(gòu)

　　2）小型化

　　小型化的需求主要來自于基于直流無刷電機的齒條助力式EPS系統(tǒng)。為了追求這一目標(biāo)，將EPS的電控單元集成入直流無刷電機中成了各大廠商的首選方案。其主要的方法就是直接向半導(dǎo)體廠商采購裸片（Bare Die），然后將貼有這些裸片的陶瓷板安放在電機的后蓋中。

　　由于主微控制器和預(yù)驅(qū)動芯片的裸片操作比較復(fù)雜，需要廠商具有極高的陶瓷貼片技術(shù)和裸片的引線技術(shù)。因此更多的廠商，尤其是亞洲的廠商選擇的是折中的方 案：主微控制器和預(yù)驅(qū)動芯片還是采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝格式，只采用Mosfet的裸片。這樣既能夠顯著減少體積達到小型化的目的，同時提高散熱能力，并且又降低 了系統(tǒng)的技術(shù)門檻。

　　英飛凌一直以來致力于新產(chǎn)品和新技術(shù)的開發(fā)，以能夠支持客戶實現(xiàn)小型化的目標(biāo)。對于中小型客戶，英飛凌推出了一系列小封裝、高性能、集成度高的芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。對于中大型客戶，英飛凌既能提供全套的裸片方案，同時也能提供單個Mosfet裸片模塊。

　　6.結(jié)論

　　隨著21世紀(jì)日益突出的能源問題和汽車產(chǎn)品的電子化，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會越來越普及?；诟咝詢r比和開發(fā)便捷的考慮，本文介紹的英飛凌EPS方案主要是 基于16位主微控制器。隨著系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，32位主微控制器的方案將成為未來的主流設(shè)計。英飛凌的新一代基于65nm技術(shù)的32位主微控制器 Aurix系列即將正式面世，其強大的功能、豐富的內(nèi)設(shè)和符合ISO26262的安全特性，能夠幫助客戶實現(xiàn)更加強大、更加小型化、更加安全的EPS系 統(tǒng)。

　　電動汽車動力總成控制系統(tǒng)方案詳解

　　長期以來，諸如永磁同步電機（PMSM）和感應(yīng)電機等三相交流電機，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，這些電機還是相對時新的裝 置，目前正被逐漸用作傳統(tǒng)內(nèi)燃機的補充品或替代品。PMSM采用的繞組為三相正弦分布繞組和機械位移繞組。三相正弦波和時間位移電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這 一旋轉(zhuǎn)磁場使電機轉(zhuǎn)動，通過（逆變器中的）MOSFET切換電機繞組的電流而產(chǎn)生。磁場定向控制（FOC）算法為電機電流控制生成PWM模式。轉(zhuǎn)子的位置 和電流持續(xù)不斷地被檢測。基于高性能微控制器的高效FOC系統(tǒng)，為電動汽車和混合動力汽車驅(qū)動提供安全高效的解決方案創(chuàng)造了條件（圖1）。

　　圖1：運行于FOC模式的32位TriCore微控制器。

　　TOP4 AUDO MAX產(chǎn)品系列的PWM生成方式

　　英飛凌的32位AUDO MAX系列微控制器內(nèi)裝一枚主內(nèi)核（TriCore CPU，淺綠色）和一枚快速協(xié)處理器（被稱為PCP，深綠色）。這種非對稱架構(gòu)能夠利用PCP高效處理外圍設(shè)備，而無需中斷在TriCore CPU上運行主算法的處理進程。PCP負(fù)責(zé)處理關(guān)鍵的實時中斷負(fù)荷，因此可減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

　　有兩種方案可以生成驅(qū)動逆變器的 PWM.GPTA可生成非常復(fù)雜的PWM模式，例如非對稱死區(qū)時間生成或定制模式。外設(shè)模塊 CCU6是一個低端方案，可用于生成中心對齊和邊緣對齊的PWM模式。相比GPTA而言，CCU6可以以較低的軟件開銷直接支持PWM信號生成，同時，無 需配置多個定時器單元。

　　CCU6和GPTA這兩個模塊都具備觸發(fā)功能，能夠讓PWM信號和A/D電流測量實現(xiàn)無延遲的等時同步（參見箭 頭“觸發(fā)事件”）。作為一個附加的安全特性，每個GPTA模塊都配有“緊急模式停止信號”，可用于設(shè)置安全開關(guān)。針對TriCore AUDO MAX微控制器系列的所有成員，提供了一個基于PRO-SIL的安全平臺，它包含硬件（安全看門狗CIC61508）和軟件（SafeTcore驅(qū)動程 序），可滿足ASIL認(rèn)證的B級至D級要求。

　　通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量電流

　　圖1所給示例對電機的兩個相電流進行了測量，并采用了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行轉(zhuǎn)換?；谥鸫伪平?a href="http://www.nxhydt.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器（SAR），該模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備很高的精度（12位分 辨率），并且轉(zhuǎn)換時間小于1微秒。由兩個已知的相電流可以計算出第三個相電流。針對更高的安全要求，建議對電機的第三個相電流進行額外的測量。針對這一應(yīng) 用，帶有第三個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的微控制器可供選擇。

　　連接旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器

　　旋轉(zhuǎn)變 壓器將PMSM轉(zhuǎn)子的角位移轉(zhuǎn)換為一個電氣值。一般情況下，可利用一個附加的正切函數(shù)電路從兩個信號（正弦/余弦）導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的角度值。旋轉(zhuǎn)變壓器電路的信 號輸出至SPI總線，也可由微控制器直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號。還有一種可選的方式是讀取編碼器信號，在運行于微控制器GPT12的編碼器接口 中對其進行調(diào)理，再反饋到控制算法。

　　AUTOSAR之外重復(fù)利用汽車電子軟件

　　近 年來，汽車電子軟件和通信已通過OSEK、AUTOSAR、FlexRay等規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)化。除標(biāo)準(zhǔn)化軟件成分以外，汽車電子系統(tǒng)還使用了可在多種應(yīng)用中被 重復(fù)利用的控制算法。如今，電機控制由分布在汽車車身、底盤和動力總成系統(tǒng)各處的電子控制單元（ECU）來完成。MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序提取了三相電機應(yīng)用中電流控制的一般特性，設(shè)計用于支持多種位置信息采集模式和逆變器控制裝置。

　　三相電機控制

　　英飛凌AUDO MAX系列非常適用于電機的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序可采用高級控制策略控制多臺三相電機，包括無刷直流電機（BLDC）塊交換（block commutation，BC）及永磁同步電機（PMSM）磁場定向控制（FOC）。單一微控制器甚至還能同時支持BLDC和PMSM電機控制。相比于其 他類型的電機而言，采用FOC控制的PMSM電機能效更高、磨損更小，并且可以實現(xiàn)精確控制和定位。特別是，這種電機支持線性轉(zhuǎn)矩控制，為將其用于混合電 動汽車動力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　圖2顯示了MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動（CDD）。這個時間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進行處理，處理時間不超過50微秒。左側(cè)是附加的用于位置和轉(zhuǎn)速控制的軟件成分（SWC），由應(yīng)用程序提供。

　　圖2：電機控制中的電流控制環(huán)。

　　位置檢測和電流檢測模式

　　為符合精確定位的要求，MC-ISAR eMotor通過采用霍爾傳感器外加增量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，實現(xiàn)了典型高分辨率檢測模式。此外，還可將無傳感器FOC用于故障安全模式。對于成本敏感的 應(yīng)用，AUDO MAX系列支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，該模式通過軟件和分立元器件實現(xiàn)，避免了配備外置旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要，這能使每個控制單元在成本上降低2美元左右。 與此同時，MC-ISAR eMotor可以支持兩相或直流母線電流測量模式（圖3）。

　　圖3:MC-ISAR eMotor操作模式。

　　MC-ISAR eMotor軟件劃分

　　此軟件可劃分為兩個組成部分：不依賴于硬件和依賴于硬件的成分。不依賴于硬件的模塊用于EmoControl、位置信息采集 PA和FOC（圖4）。因此，EmoControl是通過FOC控制方向和電流的主要模塊。送入電機的電流決定了轉(zhuǎn)矩。MC-ISAR eMotor驅(qū)動向應(yīng)用程序反饋電機位置和轉(zhuǎn)速信息。位置信息采集PA模塊負(fù)責(zé)從旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器信號中提取角度信息。具備Park-Clarke變換 和空間矢量調(diào)制（SVM）的FOC，是通過檢測給定電流和位置來設(shè)置新電流的主要部分。

　　圖4：磁場定向控制（FOC）模塊框圖。

　　TOP5 英飛凌eMotor主要優(yōu)勢概述

　　硬件相關(guān)的模塊，包括重復(fù)使用的AUTOSAR MCAL驅(qū)動（ADC、SPI、DIO），或PWM信號生成（EmoPwm驅(qū)動CCU6）和編碼器接口EmoIcu（通過GPT12讀取編碼信號）的專用 模塊?？蛻艟帉懙奈恢煤娃D(zhuǎn)速控制代碼，可以按標(biāo)準(zhǔn)軟件成分（SW-C）添加，就像AUTOSAR所提供的一樣。為支持符合安全要求的應(yīng)用，從一開始設(shè)計軟件成分時就考慮安全要求非常重要。在ECU的開發(fā)階段應(yīng)明確應(yīng)用的特定需求，并且，這些需求將隨應(yīng)用的不同而 不同。此外，為支持安全應(yīng)用，還應(yīng)考慮現(xiàn)成電機驅(qū)動的某些安全因素。MC-ISAR eMotor采用符合ISO26262的軟件開發(fā)流程開發(fā)而成，并可支持安全相關(guān)系統(tǒng)中的三相電流測量。

　　英飛凌eMotor主要優(yōu)勢概述

　　英飛凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動，可并行控制多達4臺PMSM或BLDC電機，同時還能滿足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR MCAL驅(qū)動由同一配置工具整合，因此，用戶可在同一界面中為AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驅(qū)動配置微控制器資源，為無縫配置不同軟件模塊創(chuàng)造了條件。汽車ECU開發(fā)人員可專注于電機的應(yīng)用相關(guān)控制，而無需改編電機的控制算法。為降 低系統(tǒng)成本，AUDO MAX系列還支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，免除了加裝旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動被設(shè)計用于支持安全應(yīng)用。

　　混合動力汽車（HEV）轉(zhuǎn)換器與充電器解決方案

　　AC/DC充電器可以在車輛外部，也可以嵌入到車輛內(nèi)部。充電器與電池管理系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)確保為電池單元妥善充電，直到滿足高電壓（HV）要 求。HV電池對于在工作時驅(qū)動牽引電機至關(guān)重要。它還能通過轉(zhuǎn)換器為汽車的其他電子模塊提供12V電壓。根據(jù)充電模式（慢速、中速或快速充電）和技術(shù)（有 線或無線），該解決方案可能會有所不同。

　　目標(biāo)應(yīng)用：充電器、轉(zhuǎn)換器、電動車、混合動力汽車

　　解決方案：

　　方案框圖

　　一、電池組控制

　　1、MPC560xB： 面向車身電子應(yīng)用的飛思卡爾32位MCU。

　　飛思卡爾MPC560xB/C/D系列32位微控制器是面向汽車車身電子應(yīng)用的最新集成器件。這些可擴展的Power Architecture?器件還有一個龐大的支持生態(tài)合作體系，其中包括軟件驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和配置代碼，以幫助快速實現(xiàn)您的設(shè)計。

　　2、S12G： 功能豐富的16位MCU，適用于通用汽車和工業(yè)控制應(yīng)用

　　MC9S12G是經(jīng)過優(yōu)化的低成本、高性能、低引腳數(shù)的16位MCU產(chǎn)品系列，適用于汽車應(yīng)用。MC9S12G系列適合需要CAN或LIN/SAE J2602通信的通用汽車應(yīng)用。MC9S12G具有16位MCU的所有優(yōu)點和高效性能，同時保持了用戶在飛思卡爾現(xiàn)有的8位和16位MCU系列中享受的低 成本、低功耗、卓越的EMC性能和代碼效率等優(yōu)勢。

　　二、12V電池監(jiān)控

　　1、MM912_637： 用于12V鉛酸電池并具備LIN接口的電池傳感器

　　飛思卡爾MM912_637電池傳感器是全面集成的電池監(jiān)控器件。 這些器件可以同時測量電池電流和電壓，以精確測定SOC（充電狀態(tài)）、SOH（健康狀況），以及其他參數(shù)。集成式溫度傳感器采用緊密貼近電池的設(shè)計，可以 測量電池的溫度。多個專用于特定應(yīng)用的硬件模塊，降低了MCU開銷和相關(guān)的功耗。低功耗模式可以設(shè)置，并具有自動電池狀態(tài)監(jiān)測和先進的喚醒功能，進一步降 低了電耗。集成式LIN 2.1接口，可實現(xiàn)電池監(jiān)測功能的通信和控制。

　　相關(guān)產(chǎn)品

　　TOP6 汽車動力總成驅(qū)動器參考設(shè)計

　　近日，德州儀器發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款具有可編程電流限值的高側(cè)智能電源開關(guān)。隨著汽車系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)的多種負(fù)載在運行中會需要不同的系統(tǒng)配置。 通過使用 TI最新推出的TPS1H100-Q1，設(shè)計人員能夠以高度靈活性的驅(qū)動來滿足對可靠性要求極高的負(fù)載，例如：汽車動力總成、車身電子系統(tǒng)安全和駕駛員信 息系統(tǒng)內(nèi)的多種負(fù)載。與其它同類競爭產(chǎn)品相比，TPS1H100-Q1可將電流感測的精度提高20%，從而能夠?qū)崿F(xiàn)其所處負(fù)載條件下所需要的智能和實時診 斷的需求。系統(tǒng)設(shè)計人員可以充分利用器件的簡單性和靈活性，在改進系統(tǒng)的同時降低電路的復(fù)雜程度。

　　汽車車身控制模塊 （BCM） 驅(qū)動器

　　原理圖/方框圖

　　TPS1H100-Q1的關(guān)鍵特性和優(yōu)點：

　　高電流感測精度：5mA的電流感測精度使設(shè)計人員能夠充分利用精密負(fù)載檢查功能來調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)配置，診斷系統(tǒng)故障，鎖定問題區(qū)域，或者判斷電路狀況。

　　可編程電流限值：TPS1H100-Q1是業(yè)內(nèi)首款通過可調(diào)電流限制功能來實現(xiàn)靈活控制的器件。

　　高雪崩能量分散功能：高壓雪崩結(jié)構(gòu)無需抑制器和續(xù)流二極管即可解決電感負(fù)載齊納瞬變電壓再循環(huán)所導(dǎo)致的電壓浪涌問題。

　　測試數(shù)據(jù)

　　符合汽車電子委員會 （AEC） Q100-012 A級標(biāo)準(zhǔn)：在汽車和工業(yè)的使用環(huán)境中實現(xiàn)零故障，保障產(chǎn)品在使用壽命內(nèi)的可靠性。TI的負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品庫可用于節(jié)電、配電和電源排序等多種應(yīng)用。這些高集成 度器件精簡了周邊原件數(shù)目（BOM），縮減了解決方案尺寸，同時還增加了其它的保護功能。

　　汽車BCM參考設(shè)計解決了負(fù)載驅(qū)動、狀況診斷 和故障檢測等常見設(shè)計難題。TI Designs中的這個參考設(shè)計可以幫助設(shè)計師迅速完成門鎖，車窗升降器，座椅加熱器，加熱、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC），車燈以及發(fā)光二極管 （LED）等的設(shè)計。TIDA-00296 是一項重點介紹 TI 高側(cè)和低側(cè)繼電器、電機以及負(fù)載驅(qū)動器產(chǎn)品系列的參考設(shè)計。我們選擇了針對該設(shè)計的負(fù)載（門鎖、車窗升降電機、座椅加熱器、HVAC、車燈和 LED）來展示 BCM 可驅(qū)動的負(fù)載范圍以及 TI 解決方案如何滿足這些領(lǐng)域。

　　設(shè)計PCB板

　　用于驅(qū)動多個負(fù)載的靈活可靠的驅(qū)動器產(chǎn)品，智能驅(qū)動器通過 I2C 和 SPI 提供診斷和保護功能；針對該設(shè)計的功率級提供反極性保護；前 FET 驅(qū)動器用于驅(qū)動分立式 FET，因而該設(shè)計可靈活地處理負(fù)載驅(qū)動需求；突出了 BCM 可直接驅(qū)動具有更高電流需求 （~4500mA） 的負(fù)載的能力。