油電混合車（HEV） 與純電動車（EV） 是減低個人交通工具能源消耗與 CO2 排放的關鍵。為了減少對環境造成的衝擊，降低碳排放量，採用電動動力方向系統（EPS）已經成為達成此目標的重要步驟之一，現今許多車款亦因此配備了機電動力方向系統。但電動動力輔助方向系統究竟牽涉了哪些功能呢？

EPS 是一套機電動力方向系統，它在傳統的液壓轉向輔助上，使用了電子控制的電動馬達。EPS 系統除了佔用較少的引擎室空間、容易組裝，降低油耗等優點，方向系統亦不再需要使用含毒性的液壓油。小型車的電動馬達通常透過齒輪箱連接至方向機柱，而中型房車則是利用法蘭，以交叉或縱長的方式固定在齒輪齒條上，透過齒輪箱操作。駕駛在轉動方向盤時，電動馬達即將動力輔助施加在轉向上。

EPS 系統的動作原理

電動動力方向系統包括一組控制單元、若干感測器與一具無刷馬達，控制單元負責控制系統，並供應電動馬達所需的資訊，同時從感測器接受例如轉向角度、駕駛速度極扭矩等量測資訊。偵測馬達位置與馬達電流的感測器，確保馬達以最佳的操作點運轉。控制器是主處理器，負責控制伺服馬達及其他零組件，第二個較小型的微控制器、或是 ASIC 則充當監督單元。

EPS 系統主要零組件架構

致動器是一具三相同步或非同步的無刷馬達，馬達的旋轉磁場係以電子式產生，訊號頻率大約 20 KHz 的脈寬調製訊號會影響轉速及扭矩。

《圖一 電磁式動力方向系統及其主要零組件示意圖》

磁傳感器

旋轉編碼器或磁傳感器 、亦即所謂的「巨磁電阻」（Giant Magnetic Resistor；GMR） ，提供辨識轉子位置的資料。通常兩個相位電流是以分流器或霍爾感測器量測，上述感測器的類比輸出，必須放大以便處理。施力於轉向機柱、以及馬達所需的輔助量是以扭矩感測器量測，訊號處理則是在控制單元中執行。車輪感測器提供車速資訊，而轉向角感測器則傳送方向盤目前位置的資訊，其他控制單元處理這些訊號。資料係透過 CAN 傳輸，幾種評估的邏輯，可以根據系統所選用的感測器類型，整合至感測器中；不僅可以增進精準度，還能降低故障的敏感性。

控制單元

控制單元包括幾個穩壓器、CAN 收發器、訊號處理電路、橋式驅動器、電源開關與微控制器。處理器架構要能詳細針對系統監測的事項提供快速處理需求控制演算法的能力，並且廣泛支援內建的硬體。

穩壓器供應感測器、微控制器及 ASIC 所需的不同電壓。CAN 收發器充當 CAN 與微控制器之間的架橋。依據感測器的類型，資料的訊號處理可為類比式亦或數位式。由於微控制器並不能直接控制電源開關（B6 架橋），因此需要橋式驅動器，此橋式驅動器可產生快速切換電晶體所需的柵極電壓及相關的電流。智慧型驅動器，還包括診斷界面，可以偵測各式各樣的問題，包括半橋式短路、低相位電壓、或零組件高溫。微控制器控制監測馬達及整個系統，同時還需要執行診斷與網路通訊。額外的控制器用來偵測故障以及啟動緊急操作模式。

關鍵的演算法

由於在馬達動力及固定扭矩方面的高度要求，EPS 系統需要複雜的演算法，例如「磁場定向控制」（Field Oriented Control，FOC）。此類型的控制直接作用在馬達轉子的磁場上，並且因為牽涉到多重座標轉換（克拉克／派克轉換）的計算，以及兩個相位電流以 50μs 的間隔調節，故需要大量的處理能力。若要控制馬達，則需使用空間向量法提供 PWM 訊號。憑藉著 MAC 單元的高效能，所需的 CPU 負載低於 10 %。

微控制器與 EPS 系統搭配功能要點

安全與可靠度

敏感的資料經由確認循環冗餘碼檢查（CRC）以增強可靠度，其中牽涉到寫入兩次並進行比對。整個記憶體系統係以硬體錯誤改正單元加以保護，如欲納入不同的軟體模組，就需要採用記憶體保護單元。

快閃記憶體以實體分割成多重區塊，並且搭配較大型操作可靠度的錯誤改正及監測。每個快閃記憶體區都能個別讀取，寫入則以密碼保護。另外還有內建 SRAM 可以用來管理資料。額外的保護機制，也可以阻擋未授權存取重要的 CPU 暫存器。在執行受限的指示或覆寫 CPU 堆疊時，也會觸發保護機制，提供更高的操作可靠度。

DSP功能

DSP 的執行指示可在單一時脈循環內完成，需仰賴高性能的傳輸途徑，以提高處理能力。處理器的乘法累積單元，可以執行矩陣計算或有限脈衝回應 （FIR） 濾波器功能，亦即在單一時脈循環內可以執行 16x16位元的乘法及累計的 32位元加法或減法。處理迅速的矩陣運算（克拉克／派克轉換），以及執行功能強大的 PI 控制器，同時扮演了 EPS 系統的重要部分。

周邊功能

周邊模組主要包括彈性的計時器單元、三個 USIC 模組（支援不同的同步及非同步串列介面）、擷取／比對 （CAPCOM）模組、即時時脈及看門狗功能、獨立的高速 10位元 A/D 轉換器、及三個 CAN 模組。

變頻器系統開發步驟

變流器零組件架構

另外，三相變頻器系統也有助於提昇設計開發油電混合車與純電動車架構時的效益。建立油電混合車與純電動車架構中的重要變頻器部份，需要花費很大的工夫。

圖二為型的三相變頻器設計示意圖。變頻器系統使用一個直流電容器，分隔電池與模組。薄膜電容器是此應用最適當的選擇，最重要的參數為工作電壓、漣波電壓與電流均方值。如要降低全系統的雜散電感，模組與電容器必須能夠相匹配。

模組產生的功率損失必須加以散發，防止溫度超過製造廠規格書允許的最高溫度，因此冷卻系統的設計對達成最佳效能與保證所需的壽命期來說非常重要。

驅動器與控制板上完整的控制、監視、評估、安全與保護功能，牽涉到元件選擇、電路圖設計，良好 EMC 效能，以及包含必要與漏電間距的佈局。此外，也牽涉到軟體的開發、測試並除錯。

為了讓變頻器與完整的油電混合車與純電動車架構設計變得更簡易而快速，廠商除了提供參考設計外，也要提供有助於硬體迴路（hardware in the loop；HiL） 系統或第一次車內構裝研究的早期系統測試服務。

《圖二 典型的三相變頻器設計示意圖》

變流器零組件特色

電源模組是變頻器第一個重要區塊，可滿足車輛的特殊熱循環穩定性要求。在模組系列的開發過程中，晶片表面連接銲線以及基板與基底層間的銲點都可以大幅改善，專為 150°C 的接面操作溫度設計，藉此滿足多數液冷系統的要求。此外模組設計包含變頻器所需的所有功率半導體以及3個 NTC（負溫度係數）電阻器以測量溫度IGBT六聯式配置以及匹配的射極控制二極體，可讓傳導與切換損失降到最低。

此外三相變頻器的直流電容器 ，在電性與機械性上必須相匹配，容許精巧設計且減少雜散電感。若設計人員要求更高功率或更高操作溫度的應用，可加入一個水冷式元件，利用整合的橡膠墊片直接鎖入 IGBT 模組作適當的密封。

參考工具設計要點

參考工具可採用兩片 PCB，主要特色包含以一個 DC/DC 電源供應器確保六個驅動板的適當絕緣、絕緣的直流連結電壓量測器（保護／監控功能的輸入）、NTC 元件溫度量測、用於短路保護的主動鉗制二極體，以及 IGBT 驅動器各有增幅階段，以增進電流驅動能力。

邏輯板包含所有控制驅動器的組件，並提供各式變流器系統元件介面：馬達介面（編碼器與分解器）、電流感測介面、通訊（CAN 與 RS232）以及其他的類比與數位輸出入。主機板內建的微控制器可輕鬆搭配軟體，實現保護與監控功能、驅動器控制與三相變頻器的效能評估。

開發三相變頻器系統的參考設計工具，不只可用來執行硬體測試與測量（如短路、溫度等），也可用於開發軟體。此外也包含建立完整系統的所有必要組件，並提供外部組件介面（馬達介面、電流量測與通訊），可讓設計人員快速啟動油電混合車與純電動車的開發工作。

（作者Robert Weiß為英飛凌汽車微控制器部門資深應用工程師、Carlos Castro為英飛凌科技複合系統工程師）