EPS: 透過馬達來輔助轉向操作的系統 (2025-05-20)
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- EPS是一種透過馬達來減輕和輔助駕駛在轉向操作時所需力量的設備。此外，透過採用EPS，可望提高燃效，降低車輛重量。我們將在本訊息中就EPS的功能和系統構成進行解說，同時對構成的電子零件進行介紹。
EPS的概要
- EPS（Electric Power Steering）是一種透過馬達來輔助駕駛操作方向盤的電動輔助轉向系統。傳統的液壓動力轉向系統使用引擎的動力來驅動液壓泵以進行輔助。而EPS則根據轉向裝置的操作訊息，透過電氣控制來進行輔助。與液壓助力轉向系統相比，EPS不使用引擎的動力，因此可望提高燃效。
圖1 EPS的工作
協助轉向系統的技術變化趨勢
- 電動化
- 利用電池的電力驅動，提高燃效，簡化機構。在自動駕駛時，完全需要由汽車來控制，因此電動化是不可或缺的。
- By-Wire（線控）
- 方向盤軸和車輪軸在機械上分離，並進行電連接。由於機械上分離，因此可以實現更精細的操作控制。隨著自動駕駛等級的提高，主要將由汽車本身進行操作，駕駛員將成為輔助角色，因此人工操作的轉向裝置的必要性下降，最終將不再需要轉向裝置，而只在車軸一側進行操作。
圖2 基於By-Wire的構成變化
- 冗餘化
- 為了提高安全性和可靠性，馬達驅動的逆變器電路等由2個電路構成並進行冗餘化。
圖3 冗餘化所引起的構成變化
關於市場和設備的趨勢
- EPS的安裝率今後可望增加。目前生產的汽車的自動駕駛水平大多在Lv2以下，但隨著自動駕駛水平的提高，預計By-Wire會相應地增加。在By-Wire系統中，取代機械連接，馬達數量增加，EPS整體上為了提高安全性和可靠性，如果同時推進馬達控制電路的雙重系統化（冗餘化），耗電量的增加則將令人擔憂。為了解決這些主題，對構成EPS的電子零件提出了「低損耗」、「高耐熱」、「高精度（溫度）」、「小型化」的要求。
關於EPS的電路構成
- 整體構成
- 噪聲濾波器：抑制來自外部或來自該電路的噪聲
- 電壓轉換電路：藉由FET等的開關來轉換電壓。此外，進行FET等的溫度測量
- 閘極驅動電路：控制開關元件的閘極
- 控制電路：控制整個電路
- DC/DC轉換器：向控制電路供給電源
- 通訊I/F：與外部的通訊電路
圖4 EPS的總體構成
- 個別電路及構成零件
- 噪音濾波器
- 在噪聲濾波器電路中，抑制來自外部或來自該電路的噪聲，並防止電路誤工作。濾波器上通常會組合使用大型線圈和電容器。
- 【要使用的零件】
- 雜訊去除/平滑――導電性聚合物混合鋁電解電容器\
- ❶ 藉由大容量、低ESR和高漣波性能，為電路的小型化/高功率化（低電壓和大電流）做出貢獻
- ❷ 藉由支援高頻容量特性，為去除電路的高頻開關化所產生的寬頻和高頻率雜訊做出貢獻
- 電壓轉換――車載用功率電感器
- ❶ 藉由金屬磁性材料的低損耗和大電流性能，為電路的小型化/高功率化（低電壓和大電流）做出貢獻
- ❷ 藉由損耗特性的高頻化（低ACR），為抑制電路的高頻開關化損耗做出貢獻
- 電壓轉換電路
- 在電壓轉換電路中，透過多個開關元件來進行電壓的轉換。透過令開關元件On/Off來執行轉換操作，但由於元件On/Off時會產生噪聲，因此通常在元件（FET）的柵極端子上使用電阻器來抑制驅動噪聲。此外，為了防止開關元件等因在高功率下工作而產生規定以上熱量時造成的故障，通常會使用NTC熱敏電阻器來進行溫度測量。
- 【要使用的零件】
- 開關元件閘極驅動雜訊抑制、薄膜電容器的放電――貼片電阻（小型高功率貼片電阻）
- ❶ 透過獨特的電阻器圖案、電極結構等實現小型高功率化，為電路的小型化做出貢獻
- 開關元件等的溫度測量―― NTC熱敏電阻（片式）
- ❶ 藉由小型、高耐熱且獨特的外電形成技術實現的高可靠性，為電路溫度補償的高精度化做出貢獻
- DC/DC轉換器
- DC/DC轉換器主要由FET、線圈、電容器構成。為了去除輸入部的雜訊和使得輸出部平滑，通常使用導電聚合物混合鋁電解電容器，而為了進行電壓轉換，通常使用車載用功率電感器。
- 【要使用的零件】
- 雜訊去除/開關/平滑―― 導電性聚合物混合鋁電解電容器
- ❶ 藉由大容量、低ESR和高漣波性能，為電路的小型化/高功率化（低電壓和大電流）做出貢獻
- ❷ 藉由支援高頻容量特性，為去除電路的高頻開關化所產生的寬頻和高頻率雜訊做出貢獻
- 雜訊去除/平滑―― 車載用功率電感器
- ❶ 藉由金屬磁性材料的低損耗和大電流性能，為電路的小型化/高功率化（低電壓和大電流）做出貢獻
- ❷ 藉由損耗特性的高頻化（低ACR），為抑制電路的高頻開關化損耗做出貢獻
圖5 在DC/DC轉換器上使用的零件
- 通信I/F
- 在通訊I/F（通訊）電路中，使用兩根線路與外部設備（CAN、Ethernet等）進行通訊。此時，如果雜訊或靜電從通訊線混入，則可能會導致收發器IC故障。因此，在收發器電路中作為靜電預防措施通常由壓敏電阻器構成。
- 【要使用的零件】
- ESD雜訊去除――片式壓敏電阻器
- ❶ 藉由具有廣泛容量特性的產品陣容，在維持電路通訊品質的同時，為抑制靜電（ESD）雜訊做出貢獻
- ❷ 片式壓敏電阻器藉由其8~250pF的容量特性，支援從低速到高速的通訊速度
圖6 在通訊I/F上使用的零件
小結
- EPS是一種透過馬達來輔助駕駛者的轉向操作的系統。預計今後將隨著自動駕駛水準的提高，僅透過電氣控制進行操作的By-Wire將會增加，結果將會導致EPS安裝率的增加。如果取代液壓動力轉向系統等機械連接的馬達數量增加，整輛車的耗電量就會增加。此外，隨著自動駕駛等級的提高，為了進一步提高安全性和可靠性，預計馬達控制電路的冗餘化也將進一步發展。為了因應這些技術進化，構成EPS的電子零件必須支援「低損耗」、「高耐熱」、「高精度（溫度）」、「小型化」。松下機電株式會社備有面向EPS的廣泛的產品陣容（表1）。
- 表1 產品陣容與特色一覽
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