方案 | 基于ST意法半导体SPC560P34的EPS转向助力系统方案

 

汽车方向盘转向系统，从上世纪50年代到本世纪初，经历了翻天覆地的革新和变化。

最早是纯机械转向，驾驶员打转车轮需要克服前轮带来的强大摩擦力力，使得驾驶机动车十分吃力。上世纪50年代，液压助力（HPS）转向系统应用在汽车上，标志着转向助力的开始。在HPS助力下，驾乘体验有了质的飞跃，但是HPS弱点在于成本高、维修难且增加油耗。后来又经几代人的努力，转向系统从液压助力（HPS）到电子液压助力（EHPS），再到如今的纯电动转向助力（electrical  power steering，简称EPS），80年代，日本铃木首先在其车型上使用EPS转向助力，标志着电动时代的来临。如今，几乎所有乘用车都采用EPS转向助力。

 

它有以下几个优点：

动力来源于电机，转换效率高

随车速调节助力大小、操控舒适、稳定

实现方向盘主动回正，且可通过CAN总线与车身其它部件组成车联系统，是智能驾驶、泊车的先驱

节约油耗3%~5%

正常情况下无需更换零部件，终生不维修

一款基于ST PowerPC SPC560P34L1以及predriver L9907, 低压MOSFET STP120N4F6等的EPS电机驱动板设计方案：

 

硬件原理

EPS电机驱动板硬件主要分以下几块：

① 主控MCU：本方案采用ST PowerPC SPC560P34L1，是核心算力器件。负责对外部扭力传感器信号、车速、发动机转速信号采集，同时计算驱动策略和PID控制算法。

 

②驱动部分：ST L9907具备三相predriver，H桥（DC电机驱动）或3H桥（BLDC或PMSM电机驱动）构架，同时具备SPI配置、校准和信息反馈，内置运放，可直接抓取来自电机的电流。配合低压MOSFET STP120N4F6，组成一套完整的电机驱动/反馈电路
 

 

③ 电源系统：ST PM芯片L9777A可提供2路5V DC隔离输出，一路供给内部逻辑电源，另一路供给外部sensor，这样外部尖峰浪涌不易影响到板内元器件，以应对车载复杂的电源条件。

 

④辅助MCU：增加一颗汽车级8bit MCU STM8AF6223，做整机电源管理和策略监控，一旦遇到故障，可以采取必要的应对措施，以保护车辆和驾乘人员安全。

 

软件策略

“随速助力”永远是EPS控制的核心算法。它有两层意思，包括：

①电机需要跟随驾驶员转向意图和转向速度，提供相同方向矢量的助力。这需要实时分析扭矩传感器信号并快速计算出PID控制策略

 

②在不同车速下，电机提供助力的扭矩是不一样的，理论上车速越快，所提供的助力越小。车速超过60~80Km/h，电机甚至需要提供阻尼以应对方向盘过轻、跑偏的状况。这使得整个助力是一个变化的曲线，需要优秀的控制算法

 

③ 核心PID以及闭环控制算法：通过数学工程PID算法、以及做电流闭环、扭力闭环控制，是电机控制策略的核心关键。优秀的算法，往往可以使电机驱动更平滑、助力迅速跟上但不超调，驾驶体验非常好

 

试验台架与人机界面
 

试验台和人机界面是必不可少的调试设备，有助于开发者模拟实际转向，在仿真情况下调试PID参数和修正电控策略

 

►场景应用图

 

►产品实体图

 

►展示板照片

 

►方案方块图

 

►核心技术优势

 拥有比其它32bit MCU更多的对Timer控制策略，实现DC/BLDC/PMSM精确控制 

 独立控制（助力、主动续流、阻尼、锁定） 

 双向放大4MHz带宽增益可调 

 可实现BLDC双桥臂采样 ，速度快，可检测正负电流，倍数可调 

 运放带offset算法补偿，使采样精度更高 

 独立5V供外部扭矩传感器。内外电源独立，不受影响

 

►方案规格

SPC560P34L1： 

 汽车级PowerPC e200z0h内核，64MHz主频 

 AEC-Q100 

 8ch独立/互补通道PWM，16bit精度 

 拥有比其它32bit MCU更多的对Timer控制策略 

L9907： 

 6~54V适压，可靠性高 

 6ch PWM 

 Prediver能力：600mA

 2ch内置运放：双向放大4MHz带宽增益可调 

 SPI可配置offset补偿 L9777A：

 输入范围5.6~31V /  150mA/100mA双路驱动能力 

 独立5V跟随