电子助力系统EPS功能、方案、测试介绍

电子助力系统EPS功能、方案、测试介绍

转向系统是汽车重要的组成部分，也是人与汽车之间的重

要连接工具，它随着汽车整体的发展和新技术的出现而推陈出

新，从刚开始的机械转向、机械式液压助力转向HPS、电液助

力转向EHPS、电动助力转向EPS,以及当前最新的线控转向

SBWo

今天要聊的是电动助力转向系统EPS,1988年2月日本铃

木公司首次在其Cervo车上装备汽车电动助力转向。在此之

后，电动助力转向技术迅速发展。大发、三菱、本田、德尔福

汽车系统公司先后研制出电动助力转向系统并装配在其产品

上。当前电动助力转向在车上已经非常普遍了。下面会从电助

力转向系统的工作原理、EPS控制单元测试、EPS冗余三方面

来梳理。

一、系统组成及工作原理

电助力转向系统EPS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，

如下图所示。

EPS系统组成简多

其中转角传感器用于实时检测转向盘的转动方向以及转

向盘的位置，转矩传感器用于实时检测转向盘转矩大小并将信

号输送到EPS控制单元。转角、转矩传感器的精度决定了电动

助力转向系统的性能可靠性。

车速传感器用来测量车速的大小。车速传感器一般采用电

磁感应式传感器口安装在变速箱上。该传感器根据车速的变化

把主副两个系统的脉冲信号传送给ECUO

助力电动机的特性直接影响到EPS系统控制的难易程度和

驾驶员的手感。EPS系统对助力电动机的基本要求是：应具有

高可靠性、大功率、低噪声和振动，较低的摩擦转矩、较小的

体积和重量；能够在堵转下输出转矩；有良好的机械特性，在

工作过程中转矩波动尽量要小；转动惯量尽可能小；应能快速

反转。

目前EPS系统的助力电动机通常有永磁直流电动机、直

流无刷电动机和开关磁阻电动机等。直流有刷电动机技术成

熟、控制器简单、成本低、但存在电刷易磨损、功率密度低、

由换向器的电火花产生的电磁干扰等缺点。直流无刷电动机采

用电子换向、减少了换向时的电火花，不需要经常维护以及具

有较高的效率和功率密度而受到越来越多的关注。

减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。EPS系统的减

速机构常采用蜗轮蜗杆机构、循环球螺杆螺母、行星齿轮机构

等。为了保证EPS系统只在预先设定的车速范围内起作用，有

的EPS系统还配用离合器。当车速达到某一值时离合器分离，

电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外当电动机发生

故障时离合器将自动分离。

ECU的功能是根据转向盘转角、转矩和车速信号进行逻辑

分析与计算后，发出指令控制助力电动机的动作。此外ECU还

有安全保护和自我诊断功能。ECU通过采集电动机的电流、发

电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，

一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障诊

断分析。

整个系统的工作原题大致为：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，通过切率

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。

整体来说，还是几家主要的MCU厂商提供的方案，包括ST、

英飞凌、瑞萨。

首先看看ST的EPS方案，其由ST车规级32-bit

PowerPC架构的微处理器SPC560P50以及6路MOS驱动IC

L9908和车规级M0S组成。方案适合12V、24V、48V系统，同

时也具备相应的诊断保护功能。

12V~48V

ST系统框图

SPC560P50拥有适合于电机开发的FlexPWM以及适配CTU

的ADC模块，支持高达64MHz主频的内核更能保证应用资源的

需求。

驱动ICL9908支持三路ADC采样以及6路MOS驱动的输

出，拥有能读取全故障列表的SPI接口，更适合于标准的三相

永磁同步电机方案的开发。

该方案的软件基于ST的SPC5Studio与MCTK（电机控制套

件）开发，其中免费的IDESPC5Studio提供MCU的各种外设

支持，成熟的MCTK平台也提供了各种用于电机控制的接口，

可帮助客户减少底层开发周期，并且月于快速系统调试。

电机控制工具套件的关键特点：

符合AEC-Q100

120MHzFlexPWM模块

通过SPC5Studio插件配置SPC5FOCLib

实现FOC控制的嵌入式软件库(SPC5-MCTK-LIB)

SPC560P+L9908板

带感应/无感应器的BLDC电机

下面是英飞凌的EPS解决方案，其中主控芯片Tricore的

TC33X或TC36X,PMIC为大家熟知的TLF35584,转矩传感器为

TLE499X,三相驱动芯片为TLE9180等，整体方案如下图所示。

该方案提供独具特色的故障运行EPS芯片组，且均经过验

证。不同于独立的解决方案，经过校准的芯片组能够减少开发

工作量。降低BOM材料成本，且支持扩展，适用于不同车型和

驾驶模式。

系统特定：

・功能强大、可扩展、体积小

•经认证的互噪作性

•EPS系统支持基于nx3相的故障安全和故障运行

•一致的安全慨念，专注于电源和微控制器

•可通过软件进行调整：适用于多种驾驶模式和车型

支持升级，以满足未来需求，如自动驾驶的线控转向

瑞萨提供的方案主要基于自己的RH850/P1X以及

RAA270005PMTC来设计，总体方案如下图所示。

AS231

三、冗余方案

冗余，意味着备份，首先是硬件层面，包括冗余传感器，

主流的冗余传感器通常提供4路转矩信号和2路转角信号，ECU

是冗余EPS的核心部分，由助力电机以及驱动和控制单元组成，

助力电机通常采用六相或十二相无刷直流电机，由于单点失效

导致其中三相无法正常驱动时，剩余部分仍可正常工作。该方

案中ECU仅有一个。

另外一个方案为基于双三相无刷直流电机的全冗余电

控方案，整个方案采用了双路独立外部供电、双路外部

CAN/CANFD通信以及冗余的转矩、转角传感器信号。电机驱动

单元、电机位置传感器、电源管理单元、主控MCU也都采用了

双备份的冗余架构。双MCU之间采用CANFD通信，实现信号交

互、力矩指令传递、故障诊断信号交互等，可以起到相互监控

的作用，必要时支持主辅切换，提升了整个系统的安全性和可

靠性。

♦12V♦12V

最后除了将ECU、传感器做冗余外，还有业内人士提出了

一种带电机冗余的方案，如下图所示，除了机械部分外，其他

均有冗余，该方案从复杂程度、以及方案成本来说，都是最高

的。

I-方向盘2-转向管柱3、7-扭矩转向传感器4、10-蜗轮蜗杆减速器5

-辅助电机6-中间轴8-主电机9-主电机编码器11-辅助电机编码

器12-齿条转向器13-主控制器14-辅助控制器

四、EPS控制器测试

电子转向系统作为车内最重要的系统之一，其安全性至关

重要，除了从方案上保证安全外，还需要测试来进行验收闭环，

下面来看看EPSECU硬件测试项，主要分为电压类测试、电流

类测试、EMC测试、环境类测试、机械类测试、其它类测试等。

1.电压测试

运行电压测试

测试条件：在室温、基本性能测试使用的电源电压分别为

9±0.IV、14±0.IV和16±0.IVo

满足条件：在电源电压为12V时，测量电子设备的暗电

流，它应该小于0.3mA；在电源电压为6V并且点火时，CAN通

信应可用。

反极性测试

测试条件：测试电压：-18±0.2V；测试时间：5±0.5min；

计数：两次间隔5min；测试模式休眠模式，该被测设备应在无

工作负荷下运行，仅仅可用于无电机电流的通信。

满足条件：测试期间，不应存在损坏零件；测试后，被测

设备的所有功能在测试期间或之后按照设计来执行。不允许故

障码。

过压测试

测试条件：测试步骤如下表所示，测试模式为休眠模式。

区域测试电压测试时间温度重复性

试验118±0.2V60min65℃1

试验224±0.2VImin室温2（5min间隔）

满足条件：测试完成后，被测设备的一个或多个功能在测

试时不按设计来执行，但会在测试之后自动恢复到正常运行。

不允许未定义的功能。允许存储记忆功能。

T1100m$.1000m

135V-------------------------f-~

1CM

电源电压变化测试波形1

电源电压变化测试波形2

电源电压变化测试

测试条件：电压变化如图所示，测试循环大于10个波形

周期，测试模式为休眠模式。

满足条件：在测试波形2中，如果状态变为停止活动，

记录该现象，并重新启动测试；在测试期间和测试后，被测设

备的一个或多个功能在测试时不按设计来执行，但会在测试之

后自动恢复到正常运行。不允许未定义的功能。允许存储记忆

功能。

2.电流类测试

暗电流测试

测试条件：测试电压：12.0±0.IV；测试模式为OFF模式。

满足条件：最大允许暗电流为0.3mA；测试后，被测设备

的所有功能在测试期间或之后按照设计来执行。不允许故障

码。

短路测试

测试条件：测试电压：12.0±0.IV,测试方式分别为接地

短路测试，电池短路测试，测试时间为5min/次，测试模式为

休眠模式。

满足条件：被测设备的一个或多个功能在测试期间不按照

设计执行并且在测试后不会恢复到正客运行状态；输出端应确

保能经得住短路电流并且在熔断器重置后能恢复到正常状态。

上电/断电测试

测试条件：测试分为上下电和KL150N/0FF两种测试场景，

对于电池上下电测试方式如下，其中T1为10ms或50ms,对于

KL15ON/OFF,T10.5/l/2/3s,测试周期为10。

上电/断电测试波形（电池）

।■电;断电测试波形（点火）

满足条件：被测设备的一个或多个功能在测试期间不按照

设计执行并且在测试后不会恢复到正常运行状态；输出端应确

保能经得住短路电流并且在熔断器重置后能恢复到正常状态。

3.EMC测试

辐射抗扰度测试

测试条件：步长不大于表中明确规定的长度；驻留时间：

2s；测试频率特征①C.W；②正弦波振幅（AM）为1kHz,正

弦波的80%处，调制指数m=0.8；③t大于577us且周期为

4600us时的正弦波脉冲调制（PM近似于GSM）；RI测试频

率：80MHz到2000MHz,BCI测试频率：20MHz到400MHz,

其他测试条件和设置可参考IS011452-2和11452-4o

频率范围（MHz）步长(MHz)调制

20-2005CW,AM

200-40010CW,AM

4200-80020CW,AM

800-100020CW,AM,PM

1000-200020CW,AM

满足条件：测试设备满足如下测试极限:

项目域标准

RI60V/m被测设备的所有功能在测试期间或之后按照

设计来执行。不允许故障码。

80V/m被测设备的所有功能在测试期间按照设计来

执行。然而，其中一个或多个可能会超出指定

的限度。所有功能在测试后自动恢复到正常限

制内。

100V/m被测设备的所有功能在测试期间按照设计来

执行。然而，其中一个或多个可能会超出指定

的限度。所有功能在测试后自动恢复到正常限

制内。

项目域标准

BCI80mA被测设备的所有功能在测试期间或之后按照设计

未执行。不允许故障码。

100mA被测设备的所有功能在测试期间按照设计来执行。

然而，其中一个或多个可能会超出指定的限度。所

有功能在测试后自动恢复到正常限制内。

4.环境类测试

高温工作测试

测试条件：将样件放在85±3。（2条件下l±0.5h之后；测

试时间：168h；重复以下休眠模式lOmin；被测设备无操作电

压，同整车状态完整的线束模式50min；12.0±0.2v；再

放置在正常温度下2h,然后进行基本功能测试。

满足条件：在测试期间和测试之后，被测设备的一个或多

个功能在测试期间不

按照设计执行并且在测试后不会恢复到正常运行状态。

低温工作测试

测试条件：将样件放置在(-30±3)T环境下l±0.5h之

后；测试时间：168h；重复以下测试模式；休眠模式lOmin,

同整车状态完整的线束模式50min；12.0±0.2v；再放置在

正常温度下2h,然后进行基本功能测试。若离开室温后出

现问题，需拆解以观察是否有明显缺陷。

满足条件：在测试期间和测试之后，被测设备的所有切能

在测试期间或之后按照设计来执行，不允许故障码；且无外部

应变或损坏。

低温操作测试

测试条件：将样件放置在(-30±3)℃环境下l±0.5h之

后；测试时间：168h；重复以下测试模式；休眠模式lOmin,

同整车状态完整的线束模式50min；12.0±0.2v；再放置