聊聊电动助力转向EPS

这是请德鹏兄弟帮我找了一些资料，然后梳理一下电动助力转向EPS的内容，其实说到底以前EPS只是一个部...



这是请德鹏兄弟帮我找了一些资料，然后梳理一下电动助力转向EPS的内容，其实说到底以前EPS只是一个部件，现在是连接整个自动驾驶横向运动控制的枢纽，如下图所示，其变得至关重要。



图1 源自Hitachi，EPS的定位在之前是有很大的改变的

第一部分 EPS的基本分类和介绍

汽车转向系统是对行驶路线的管理，它涉及驾驶者意向与车辆响应的持续交互过程，是车辆驾驶质量的核心之一。一般而言转向系统的要求：

1）对消费者操作体验而言

• 须精准快速
• 可自由控制
• 容易操作且响应直接
• 为驾驶者提供良好的路感反馈
• 利于方向盘回位到直线行驶位置

2）对车企内部而言

• 系统紧凑&重量较轻，
• 振动条件下工作
• 满足噪声NVH标准，
• 维修少（Warrenty成本低，保养成本低）
• 在高速&低速的情况下提供安全&舒适性
• 紧急情况下可以迅速反应，
[list]
• 当意外碰撞事故，还要保障驾驶员的安全免收伤害
• 转向柱遇大强度撞击收缩

图2 转向系统基本分类

电动助力转向系统主要可以分为（提供转向助力的不同位置，也可以说是扭矩作用未知）

• 管柱助力式电动助力转向(Column-EPS)：助力电机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接在转向轴施加助力
• 小齿轮助力式电动助力转向(Pinion-EPS)：电机通过减速机构与转向器小齿轮相连，在齿轮出施加助力【使用双小齿轮系统可应用于更大车型】
• 齿条助力式电动助力转向(Rack-EPS)：电机通过减速机构直接驱动齿条提供助力

   下图合并了参考文献1和参考文献2的示意图，总体来说，其实可以把相关的厂家的Spec合并下大概能看出个具体的参数范围



图3 不同EPS的使用范围和功率符合情况概览
第二部分 EPS的供应链和渗透率情况

下图左半是盖世汽车网所整理的，右半是参考文献3上所写的，我们基本还是看EPS ECU、传感器还有电机三块的供应商为主。

• 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

渗透率的来源从参考文献1和2，这块以前是兵家必争之地，以后更加是了



当然做不好的有以下的下场



第三部分 ECU的考虑

备注：此部分是德鹏手书，我略作修订

1）EPS 控制系统

在控制转向系统上使用永磁同步电机比有刷电机具有显著优点，目前据说国内只有两三家实现了永磁同步电机控制器的量产，助力转向是手输入方向盘的扭矩加上电机产生的扭矩等于系统输出的转向扭矩。



控制器输入输出信号

• 输入：车速、转向扭矩、转向角度、电机转子位置信号、点火信号
• 输出：电机扭矩

故障诊断

• EPS属于底盘电子，其安全性要求很高，在功能等级定义中为ASIL D.
• 功能安全这个概念是后来才引入到EPS的，EPS最早在上个世纪八十年代就出现了，其中内部完善的故障诊断很早就有了
• 故障诊断可以简单划分为对负载、输入和内部诊断。建立在软件、硬件、系统的基础上

2）硬件设计



此电路结构对比与其他控制器电路有许多不同的地方，许多电路的存在是为了故障诊断，保护功能等。

• 两个MCU这种结构已经慢慢给一个MCU内部有两个核的代替了。
• 也有一些是两个电机驱动模块、两个电机输出的

[*] 图中电机到主控MCU的箭头写着Motor a/b/c可能不是很对，应该是电机转子位置传感器，多用旋变分解器也有电机控制器一体化时的MR传感器。

[/*][*]也有先在输入桥电路前把电压升上去了再作为驱动给电机的，这样对电机和转向机械系统有特别的要求。

[/*][*]扭矩角度传感器则是提供方向扭矩和角度的，角度信息在自动驾驶、自动泊车等之前基本上都是使用在主动回正的。没有使用角度信息干预回正，机械系统会自己回正，不过摩檫系数要小。

[/*][/list]3）软件设计

• 这里的电机可以是有刷电机也可以是永磁同步电机，有刷电机相对永磁同步电机好控制。
• 但控制电机上应该不是瓶颈，国内电机控制论文已经可以看到很多了，比较成熟的了。
• 在上层控制中这里跟转向系统跟整车就非常相关了。
• 标定的时候就需要设定这块参数，包括微分、阻尼、增益、助力曲线等。会对操舵时手感有影响。
• 软件上还有其他部分，比如对应电机失效时的故障诊断、CAN通信等。

4）助力曲线

• 纵轴是电机输出电流大小，横轴是方向盘在扭矩传感器上产生的扭矩。
• 在不同车速下输出不同比例的电流，车速越大在相同的扭矩下输出的电流值就越小。
• 助力曲线图应该有三种形式的，曲线形式是手感最好但是需要对应的软件也是最多的，之后把曲线变成一段段直线的形式，最后是只有一条直线当然手感也是最差的。

以下这个图是从大众的文件摘出来的，根据电流和NM都可以比对



小结：

1）之前只有和周岩交流EPS ECU硬件设计的时候关心过这个部件，现在一点点在系统的了解底盘电子，望各位大侠拍砖

2）做好很费劲，做到自动驾驶更费劲了

参考文件：

1）电动助力转向（EPS）技术和发展简介 张堃博

2）汽车电动助力转向系统的研究与方案 刘山 英飞凌科技(中国)有限公司

3）Magnetic position sensors aim at electric power steering applications

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