基於ST意法半導體SPC560P34的EPS轉向助力系統方案

汽車方向盤轉向系統，從上世紀50年代到本世紀初，經歷了翻天覆地的革新和變化。
最早是純機械轉向，駕駛員打轉車輪需要克服前輪帶來的強大摩擦力力，使得駕駛機動車十分吃力。上世紀50年代，液壓助力（HPS）轉向系統應用在汽車上，標誌著轉向助力的開始。在HPS助力下，駕乘體驗有了質的飛越，但是HPS弱點在於成本高、維修難且增加油耗。後來又經幾代人的努力，轉向系統從液壓助力（HPS）到電子液壓助力（EHPS），再到如今的純電動轉向助力（electrical  power steering，簡稱EPS），80年代，日本鈴木首先在其車型上使用EPS轉向助力，標誌著電動時代的來臨。如今，幾乎所有乘用車都採用EPS轉向助力。它有以下幾個優點：

• 動力來源於電機，轉換效率高
• 隨車速調節助力大小、操控舒適、穩定
• 實現方向盤主動回正，且可通過CAN總線與車身其它部件組成車聯繫統，是智能駕駛、泊車的先驅
• 節約油耗3%~5%
• 正常情況下無需更換零部件，終生不維修

一款基於ST PowerPC SPC560P34L1以及predriver L9907, 低壓MOSFET STP120N4F6等的EPS電機驅動板設計方案：

• 硬體原理

EPS電機驅動板硬體主要分以下幾塊：
① 主控MCU：本方案採用ST PowerPC SPC560P34L1，是核心算力器件。負責對外部扭力傳感器信號、車速、發動機轉速信號採集，同時計算驅動策略和PID控制算法。


②驅動部分：ST L9907具備三相predriver，H橋（DC電機驅動）或3H橋（BLDC或PMSM電機驅動）構架，同時具備SPI配置、校準和信息反饋，內置運放，可直接抓取來自電機的電流。配合低壓MOSFET STP120N4F6，組成一套完整的電機驅動/反饋電路


③ 電源系統：ST PM晶片L9777A可提供2路5V DC隔離輸出，一路供給內部邏輯電源，另一路供給外部sensor，這樣外部尖峰浪涌不易影響到板內元器件，以應對車載複雜的電源條件。


④輔助MCU：增加一顆汽車級8bit MCU STM8AF6223，做整機電源管理和策略監控，一旦遇到故障，可以採取必要的應對措施，以保護車輛和駕乘人員安全。

• 軟體策略

“隨速助力”永遠是EPS控制的核心算法。它有兩層意思，包括：
①電機需要跟隨駕駛員轉向意圖和轉向速度，提供相同方向矢量的助力。這需要實時分析扭矩傳感器信號並快速計算出PID控制策略


②在不同車速下，電機提供助力的扭矩是不一樣的，理論上車速越快，所提供的助力越小。車速超過60~80Km/h，電機甚至需要提供阻尼以應對方向盤過輕、跑偏的狀況。這使得整個助力是一個變化的曲線，需要優秀的控制算法


③ 核心PID以及閉環控制算法：通過數學工程PID算法、以及做電流閉環、扭力閉環控制，是電機控制策略的核心關鍵。優秀的算法，往往可以使電機驅動更平滑、助力迅速跟上但不超調，駕駛體驗非常好

• 試驗台架與人機界面

試驗台和人機界面是必不可少的調試設備，有助於開發者模擬實際轉向，在仿真情況下調試PID參數和修正電控策略