电子电气架构 --- 什么是EPS？

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

所谓鸡汤，要么蛊惑你认命，要么怂恿你拼命，但都是回避问题的根源，以现象替代逻辑，以情绪代替思考，把消极接受现实的懦弱，伪装成乐观面对不幸的豁达，往不幸上面喷“香水”来掩盖问题。
无人问津也好,技不如人也罢,你都要试着安静下来,去做自己该做的事.而不是让内心的烦躁、焦虑、毁掉你本就不多的热情和定力。

时间不知不觉中，快要来到元旦。2024快要结束，2025又开始新的忙碌。成年人的我也不知道去哪里渡自己的灵魂，独自敲击一些文字算是对这段时间做一个记录。

一、前言

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。我们将在本文中就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。

二、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。

EPS（Electric Power Steering）是一种先进的转向系统，它通过内置的电动马达来减轻和辅助驾驶员在转动方向盘时所需的力量。这一技术的引入不仅提升了驾驶的便捷性和舒适性，还带来了潜在的燃效提升和车辆重量的减轻。

-> 助力转向：EPS的核心功能是提供转向助力。在驾驶员转动方向盘时，EPS系统会检测这一动作，并通过电动马达施加相应的力量来辅助转向。这种助力在低速行驶或停车时尤为显著，使得转向更加轻松。

-> 提高燃效：相比传统的液压助力转向系统，EPS系统不需要发动机持续提供动力来驱动液压泵。因此，在行驶过程中，EPS能够减少发动机的负荷，从而有助于提高燃油经济性。

-> 降低车辆重量：EPS系统去除了传统液压转向系统中的许多重型部件，如液压泵、液压管路和储液罐等。这些减轻的重量不仅有助于提升车辆的燃油效率，还可以改善车辆的加速性能和制动性能。

三、助力转向系统的技术变化趋势

1、电动化

随着环保意识的增强和电动汽车的普及，电动化成为助力转向系统的重要趋势。利用电池电力驱动的EPS（电动助力转向系统）不仅能提高燃油效率，还能简化机械结构，减少维护成本。在自动驾驶场景下，电动化更是不可或缺，因为自动驾驶汽车需要精确且灵活地控制转向系统，而电力驱动能够提供这种精细的控制能力。

2、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。

By-Wire技术将方向盘轴和车轮轴在机械上分离，通过电信号进行连接和控制。这种技术使得转向控制更加灵活和精确，同时降低了机械部件的复杂性和重量。随着自动驾驶技术的发展，驾驶员在驾驶过程中的角色将逐渐转变为辅助者，甚至在某些情况下完全由汽车本身进行操作。因此，By-Wire技术将成为未来助力转向系统的重要发展方向。在By-Wire系统中，由于机械连接的取消，马达数量可能会增加，以提供足够的转向力矩和精度。

3、冗余化

为了提高安全性和可靠性，助力转向系统中的关键部件，如马达驱动的逆变器电路等，将采用冗余设计。这意味着每个关键部件都有备份，以确保在主部件出现故障时，备份部件能够立即接管工作，从而避免系统失效。冗余化设计虽然会增加系统的复杂性和成本，但对于确保自动驾驶汽车的安全性和可靠性至关重要。

随着自动驾驶水平的提高，EPS的安装率有望显著增加。目前，大多数汽车的自动驾驶水平仍在Lv2以下，但随着技术的不断进步和法规的逐步完善，预计By-Wire技术将逐渐普及。然而，By-Wire系统的引入将增加马达数量和控制电路的复杂性，进而可能导致耗电量的增加。为了解决这些问题，对构成EPS的电子零部件提出了更高的要求，包括“低损耗”、“高耐热”、“高精度（温度控制）”和“小型化”。这些要求将推动EPS技术的不断创新和发展，以满足未来自动驾驶汽车对转向系统的严苛需求。

四、关于EPS的电路构成

总体构成如下：

-> 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

如上典型电路介绍如下：

1、噪声滤波器

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。

噪声去除/平滑 ―― 导电性聚合物混合铝电解电容器

-> 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

-> 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

-> 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

-> 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。

开关元件栅极驱动噪声抑制、薄膜电容器的放电 ―― 贴片电阻器（小型高功率贴片电阻器）

-> 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）

-> 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。

噪声去除/开关/平滑 　――　导电性聚合物混合铝电解电容器

-> 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

-> 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

噪声去除/平滑　――　车载用功率电感器

-> 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

-> 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

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。

ESD噪声去除 ―― 片式压敏电阻器

-> 藉由具有广泛容量特性的产品阵容，在保持电路通信品质的同时，为抑制静电（ESD）噪声做出贡献

-> 片式压敏电阻器藉由其8~250pF的容量特性，支持从低速到高速的通信速度

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”。

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