松下课堂 什么是EPS？通过马达来辅助转向操作的系统

背景
 

EPS是一种通过马达来减轻和辅助驾驶员在转向操作时所需力量的设备。此外，通过采用EPS，可望提高燃效，降低车辆重量。我们将在本消息中就EPS的功能和系统构成进行解说，同时对构成的电子零部件进行介绍。

PART 01

什么是EPS？

EPS（Electric Power Steering）是一种通过马达来辅助驾驶员操作方向盘的电动助力转向系统。传统的液压助力转向系统使用发动机的动力来驱动液压泵以进行辅助。而EPS则根据转向装置的操作信息，通过电气控制来进行辅助。与液压助力转向系统相比，EPS不使用发动机的动力，因此可望提高燃效。

图1 EPS的工作

PART 02

   助力转向系统的技术变化趋势

・电动化

利用电池的电力驱动，提高燃效，简化机构。在自动驾驶时，完全需要由汽车来进行控制，因此电动化是必不可少的。

・By-Wire（线控）

方向盘轴和车轮轴在机械上分离，并进行电连接。由于机械上分离，因此可以实现更精细的操作控制。随着自动驾驶水平的提高，主要将由汽车本身进行操作，驾驶员将成为辅助角色，因此人工操作的转向装置的必要性下降，最终将不再需要转向装置，而只在车轴一侧进行操作。

图2 基于By-Wire的构成变化

・冗余化

为了提高安全性和可靠性，马达驱动的逆变器电路等由2个电路构成并进行冗余化。

图3 冗余化引起的构成变化

PART 03

关于市场和设备的趋势

EPS的安装率今后有望增加。目前生产的汽车的自动驾驶水平大多在Lv2以下，但随着自动驾驶水平的提高，预计By-Wire会相应地增加。在By-Wire系统中，取代机械连接，马达数量增加，EPS整体上为了提高安全性和可靠性，如果同时推进马达控制电路的双重系统化（冗余化），耗电量的增加则将令人担忧。为了解决这些课题，对构成EPS的电子零部件提出了“低损耗”、“高耐热”、“高精度（温度）”、“小型化”的要求。

PART 04

关于EPS的电路构成

总体构成

噪声滤波器：抑制来自外部或者来自该电路的噪声

电压转换电路：通过藉由FET等的开关来转换电压。此外，进行FET等的温度测量

栅极驱动电路：控制开关元件的栅极

控制电路：控制整个电路

DC/DC转换器：向控制电路供给电源

通信I/F：与外部的通信电路

图4 EPS的总体构成

PART 05

个别电路

    及构成零件    

1

噪声滤波器（输入/输出）

在噪声滤波器电路中，抑制来自外部或来自该电路的噪声，并防止电路误工作。滤波器上通常组合使用大型线圈和电容器。

使用部件

噪声去除/平滑

导电性聚合物

混合铝电解电容器

❶ 藉由大容量、低ESR和高纹波性能，为电路的小型化/大功率化（低电压和大电流）做出贡献。
 

❷ 藉由支持高频容量特性，为去除电路的高频开关化所产生的宽带和高频率噪声做出贡献。
 

电压转换

车载用功率电感器

❶ 藉由金属磁性材料的低损耗和大电流性能，为电路的小型化/大功率化（低电压和大电流）做出贡献。

❷ 藉由损耗特性的高频化（低ACR），为抑制电路的高频开关化损耗做出贡献。

2

电压转换电路
 

在电压转换电路中，通过多个开关元件来进行电压的转换。通过令开关元件On/Off来执行转换操作，但由于元件On/Off时会产生噪声，因此通常在元件（FET）的栅极端子上使用电阻器来抑制驱动噪声。此外，为了防止开关元件等因在高功率下工作而产生规定以上热量时造成的故障，通常会使用NTC热敏电阻器来进行温度测量。

使用部件

开关元件栅极驱动噪声抑制

贴片电阻器 

(小型高功率贴片电阻器)

❶ 藉由独特的电阻器图案、电极结构等实现小型高功率化，为电路的小型化做出贡献。

开关元件等的温度测量

NTC热敏电阻器（片式）

❶ 藉由小型、高耐热且独特的外电形成技术实现的高可靠性，为电路温度补偿的高精度化做出贡献。

3

DC/DC转换器

DC/DC转换器主要由FET、线圈、电容器构成。为了去除输入部的噪声和使得输出部平滑，通常使用导电性聚合物混合铝电解电容器，为了进行电压转换，通常使用车载用功率电感器。
 

使用部件

噪声去除、开关和平滑

导电性聚合物混合铝电解电容器

❶ 

藉由大电容、低ESR和高纹波性能，为电路的小型化和高功率化（低电压和大电流）做出贡献。

❷ 

藉由支持高频容量特性，为去除电路的高频开关化所产生的宽带和高频率噪声做出贡献。

电压转换

车载用功率电感器

❶ 藉由金属磁性材料的低损耗和大电流性能，为电路的小型化和大功率化（低电压和大电流）做出贡献。

❷ 藉由损耗特性的高频化（低ACR），为在电路的高频开关化中抑制损耗做出贡献。

图5 在DC/DC转换器上使用的零部件

4

通信I/F

在通信I/F（通信）电路中，使用两根线与外部设备（CAN、Ethernet等）进行通信。此时，如果噪声或静电从通信线混入，则可能会导致收发器IC故障。因此，收发器电路中作为静电预防措施通常由压敏电阻器构成。

使用部件

ESD噪声去除 

片式压敏电阻器

❶ 

藉由具有广泛电容特性的产品阵容，在保持电路通信品质的同时，为抑制静电（ESD）噪声做出贡献。

❷ 片式压敏电阻器藉由其8～250pF的电容特性，支持从低速到高速的通信速率。

图6 在通信I/F上使用的零部件

小结

EPS是一种通过马达来辅助驾驶员的转向操作的系统。预计今后将随着自动驾驶水平的提高，仅通过电气控制进行操作的By-Wire将会增加，结果将会导致EPS安装率的增加。如果取代液压助力转向系统等机械连接的马达数量增加，整辆汽车的耗电量就会增加。此外，随着自动驾驶水平的提高，为了进一步提高安全性和可靠性，预计马达控制电路的冗余化也将进一步发展。为了应对这些技术进化，构成EPS的电子零部件必须支持“低损耗”、“高耐热”、“高精度（温度）”、“小型化”。松下机电株式会社备有面向EPS的广泛的产品阵容（表1）。

表1 商品阵容和特点一览

审核编辑 黄宇