面向新兴市场的电动助力转向系统

过去的几年中，EPS作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先前的预测相反，EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车(例如大众帕萨特)也适于安装电动系统。

图1显示了直流电机EPS电控单元系统所需功能

EPS系统包含下列组件：转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小； 电机， 根据电控单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。

其它车辆系统控制算法输入信息是由汽车CAN总线提供的(例如转向角和汽车速度等等)。电机驱动还需要其它信息，例如电机转子位置(电机传感器提供)和相电流(电流传感器提供)。

电机由四个MOSFET控制。由于微控制器无法直接驱动MOSFET的大型栅电容，因此需要采用驱动IC形式的接口。

出于安全考虑，完整的电机控制系统必须实施监控。将电机控制系统集成在PCB上，通常包含一个继电器，该继电器可作为主开关使用，在检测出故障的情况下，断开电机与电控单元。

微控器(μC)必须控制EPS系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮所需转矩信息，形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平，该微控器应有一个板载振荡器，这样即使在外部振荡器出现故障的情况下，亦可确保微控器的性能，同时还应具备片上看门狗。英飞凌公司的XC886集成了所有重要的微控器组件，其它安全特性可通过软件实现，如果必须执行IEC61508等行业安全标准规范，就不得不完成各种诊断和自检任务，因而会增加微控器的工作负荷。

目前不同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理，如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成巨磁阻(IGMR)。

功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能：驱动IC控制和保护MOSFET，MOSFET本身又可负责开关电流。MOSFET和分区(例如驱动IC与MOSFET结合在一个器件或多个器件内)由电机功率决定。

微控器的PWM输出端口提供的驱动电流和电压太低，无法直接与MOSFET栅极实现连接。驱动IC的作用是提供充足的电流，为MOSFET的栅极进行充电和放电，使其在20kHz的条件下正常实现开关，同时保证为高低侧MOSFET提供高栅源电压Vgs，确保获得低导通电阻。如果高侧MOSFET处于开通状态，源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET到达标称导通电阻，栅源电压需高于8V。MOSFET完全导通所需的最理想的电压是10V或以上，因此所需的栅极电位就比电池电压高出10V。电荷泵是确保该功能最大程度降低MOSFET功耗(即使低电池电压条件下)的电路。图2说明，英飞凌驱动IC即使在8V电池电压条件下，其低高侧MOSFET的栅源电压也可达到11V。这将确保在低电池电压条件下，获得低功耗和高系统效率。

电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同PWM模式的要求，实现极低(低至1%)和极高的占空比(高至100%)。驱动IC的另一个重要功能是检测短路情况，避免损坏MOSFET。受影响的MOSFET将关闭，诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。

MOSFET通常应用在一个多半桥拓扑结构内，由驱动IC控制。根据ISO7637规定，在12V电网中，电池电压通常可高达16V。在选择MOSFET电压级别时，必须针对二极管恢复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的安全边际(Ls x dl/dt，Ls代表杂散电感，dl/dt代表开关时的电流斜率)。在低dl/dt和低杂散电感的系统中，可使用30V MOSFET，但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全边际。

最新的40V MOSFET技术采用D2PAK(TO263)封装在2mm和180A条件下，以及采用较小的DPAK(TO252)装封在低于4mm和90A的条件，可提供极低的导通电阻，使EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。

对于12V低端系统和600W~ 800W瓦范围之下的典型电机，应采用H桥配置(2重半桥)。

功率级的拓扑

传统的拓扑是将驱动IC与MOSFET分开。图3是采用1个H桥驱动IC和4个MOSFET的低端系统拓扑。

图4显示的是中高端系统和采用更高功率和4个MOSFET(或1个全桥驱动IC和6个MOSFET)的电机。

作为传统设计的替代品，BTS7960可在一个功率器件内集成驱动功能和一个半桥，适用于直流电流高达10A~15A(由制冷条件决定)的12V电网中的电机控制装置。微控器可直接与功率集成电路连接，这是因为驱动器件实现了集成。另外，它还具备短路检测、过温与电流检测等保护特性。该器件包括一个半桥驱动器、一个高侧P通道和一个低侧N通道MOSFET，以及电流检测等保护和诊断功能。采用该器件，在0%～100%的占空比范围内，在高、低侧开关全部打开的电流条件下，不会出现故障。该集成的温度传感器消除了对外部传感器的需求。该器件的最低工作电压可达5.5V，非常适用于弱电网。制造一个直流有刷电机的H桥需要两个器件，控制一个三相直流无刷电机则需要三个器件，电路如图5所示。

结论

芯片组必须通过某种方式实现精细调试，使每个芯片都能够监控整个系统，并且在系统出现错误时，能够切断转向助力。组件供应商应当参与系统早期的定义阶段，以实现包括出色的技术性能和安全标准、小型系统设计、低成本等主要目标。

参考文献

[1] IEC 61508.第一版.2000年至2005年.IEC2000.国际电工委员会