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图1：EPS系统具有功能安全特点的EPS电控系统方案介绍英飞凌北京汽车系统工程部李超王龙飞摘要：随着EPS电动助力转向系统越来越多地应用于汽车，对EPS功能安全要求也越高，本文介绍了基于英飞凌产品具有功能安全特点的EPS电控系统解决方案和相关的英飞凌产品关键词：电动助力转向EPS功能安全相切断英飞凌Infineon1前言电动助力转向系统（EelectricPowerSteering简称EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。它作为一种新型助力转向系统与已有几十年发展历史的传统液压转向技术相比，具有诸多优点。可以通过软件改变它的电动助力转向特性，因此提高了硬件资源的利用率；而且在低速行驶时转向轻便，在高速行驶时转向具有沉稳感；助力电机只在转向时工作，能够节省汽车能源。电动助力转向技术将最新电子技术和高性能电机控制技术应用于汽车转向系统，大大提高了汽车的经济性、动力性和机动性，适应了现代汽车发展的要求；而且电动助力转向系统具有部件少、结构简单、便于安装和维护等特点；采用电动助力转向系统的汽车，在转向时由蓄电池向电机提供较大的驱动电流，而在直线行驶时蓄电池仅向电机提供很小的控制电流，并且控制系统可根据路况和车况调整控制电机的助力或阻尼，降低了对发动机的功率需求，并大大提高了驾驶转向的舒适性和行驶安全性。2EPS系统简介图2：C-EPS图2：C-EPS图2：C-EPS电动助力转向系统由机械转向系统、方向盘扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电机和减速机构等组成，如图1所示。电动助力转向系统的工作原理是：ECU根据扭矩传感器、转角传感器的信号以及通讯总线发来的车速等其他信息决定电机的转动方向和最佳助力扭矩，向电机发出控制信号，通过功率驱动电路控制电机的转动，电机的输出经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。通过精确的控制算法，可改变电机的扭矩，使传动机构获得所需的助力值。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。根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式(ColumnMounted)、小齿轮助力式(Pinionmounted)和齿条助力式(Rackmounted)。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。小齿轮助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向。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。如图4所示，齿条助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力，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3：P-EPS无论哪种EPS系统，所实现的功能大致相同：1）助力控制：在汽车停车及低速行驶时提供较大助力扭矩，使转向过程快捷轻便，而在汽车高速行驶时提供较小的助力扭矩以保持转向过程的可靠与沉稳。2）阻尼控制：利用电机扭矩来减弱汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，目的是提高汽车高速直线行驶稳定性。3）回正控制：驾驶员松开方向盘后，随着作用在方向盘上的力的减小，方向盘将在回正力矩的作用下回正。需要防止两种情况：回正力矩过大，引起方向盘位置超调；回正力矩过小，方向盘不能回到中间位置。4）系统通信功能：通过CAN/LIN总线与其他汽车控制系统进行通讯，实现更加复杂的功能。5）系统故障诊断功能：能实时监控整个系统，具有故障报警和提示功能，在故障不能自动排除时切断EPS使车辆进入传统的机械转向模式。3EPS系统的功能安全趋势ISO26262标准主要定位在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件，旨在提高汽车电子、电气产品功能安全的国际标准。ISO26262标准主要参考工业标准IEC61508，大约于2005年开始发展，于2011年11月15日正式颁布。2012年8月国家标准化委员会发布《关于下达2012年第一批国家标准制修订计划的通知》中，正式将ISO26262标准列入国标制定计划。未来ISO26262对汽车产业尤其汽车电子的影响程度将不亚于ISO/TS16949。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（AutomotiveSafetyIntegrityLevel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ASILD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4：R-EPS图5是欧洲部分整车厂和一级部件供应商比较认可的EPS子系统3个主要的功能安全目标，分别是：避免自转向；避免转向受阻；避免超出预期20%的过助力或欠助力。这三个功能都需要满足ASILD，一旦发生任意一种都要自动进入安全状态，即EPS逆变单元和电机脱开。图6是相切断单元用MOSFET器件实现的EPS安全状态的具体例子。一旦有违背上述3个安全目标中任意一个的事件发生，EPS电控系统要自动将3个相切断MOSFET主沟道同时断开。因此不管三相逆变桥的六个MOSFET是什么状态都不会造成电机绕组被动短路，进而也不会抱死电机。图5：欧洲部分整车厂和一级部件供应商共识的功能安全目标图6：EPS安全状态（safestate）4基于英飞凌产品的汽车EPS电控系统解决方案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。下面重点介绍控制电路、功率电路和外围传感器。1）控制电路由前所知，控制电路在整个EPS电控系统中起着中枢核心作用。它既要进行底层FOC（FieldOrientedControl）电机控制的计算，还要进行应用层助力特性曲线的拟合计算并快速响应，同时还要执行采集各种输入信息监控整个电控系统等任务。因而EPS系统对控制电路的计算精度和速度及可靠性都提出了很高的要求。即使控制电路有故障发生的情况下也要能检测到并输出关断信号到功率电路的相切断单元，以保证功能安全目标的实现。如图7所示方案中，主MCU采用了Infineon的新一代AURIXTM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AURIXTM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PROSILTM的功能安全设计流程。经过PROSILTM流程把控的产品方便用户更快更容易设计出满足IEC61508和ISO26262标准安全等级的部件。因为PROSILTM流程从芯片图7：基于英飞凌产品的汽车EPS电控系统方框图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。a）主MCU:AURIXTM系列TC26x或TC23xAURIXTM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TriCoreTM技术。此外，AURIXTM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。下面是TC26x微处理器部分基本特点：200MHz双TriCoreTM核；TriCoreTMDSP的性能；带纠错编码ECC(ErrorCorrectionCode)保护的最大能到2.5MB闪存；48个DMA(DirectMemoryAccess)通道；功能强大的GTM模块（GenericTimerModule）；SENT和PSI5传感器接口；100Mbit以太网接口；Flexrey、CAN、CANFD、LIN、SPI接口；待机控制；单电源5V或3.3V供电；除上述基本特点外，还有一些创新的功能安全方面的特点：-不同的Lockstep核-冗余多样的timer模块（GTM,CCU6,GPT12）-授权许可系统-功能安全管理模块-I/O口、时钟、电压监测-遵循ISO26262标准，可以支持用户安全功能到ASIL-D等级-支持AUTOSARV3.2和V4.x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。另外，针对三相电机控制AURIXTM系列TC26x还有以下特点：-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）-集成了4对差分输入通道的DSADC，可用其中两对通道直接对经过简单滤波的两路差分旋转变压器输出信号同时采样，进而实现没有昂贵旋变解码芯片的软解码功能-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b）电源芯片：TLF35584多路输出安全电源TLF35584是Infineon新一代配微处理器的多路输出安全电源芯片。主要用于功能安全相关的汽车部件，如电动助力转向、刹车、悬挂、网关、引擎控制、变速箱、xEV及ADAS(AdvancedDriverAssistanceSystems)等。功能特点如下：-遵循ISO26262标准，支持用户安全功能实现相关ASIL等级-宽输入电压范围：3-40V-BUCK/BOOST预稳压电路结构-6路独立后置稳压器输出结构-微处理器供电：3.3V或5V@600mA-单片机AD转换单元模拟供电及参考：5V@150mA(±1%)-两路跟踪模拟电压的外部传感器供电：5V@150mA-通讯专用供电：5V@200mA-待机供电：3.3V或5V@10mA-使能和唤醒功能-SPI总线接口，可实现和MCU监测信息的通讯-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-功能安全相关特点：多个独立的电压基准用于电源产生及监测、过欠压及故障监测、功能看门狗和窗口看门狗、功能安全状态控制输出（两路safetypath）、内嵌自检TLF35584电源芯片在设计之初就被定义为AURIXTM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。c）三相全桥驱动芯片：TLE9180TLE9180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