岳法　李興麗　劉春梅

摘 要：實(shí)際工作中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EPS）熱保護(hù)策略設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)諸多故障問(wèn)題。本文深入研究不同供應(yīng)商的EPS熱保護(hù)策略，并基于某車(chē)型在實(shí)際工作中出現(xiàn)EPS助力電機(jī)失效，致EPS失去助力的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)車(chē)測(cè)試對(duì)熱保護(hù)策略進(jìn)行修訂，從根本上解決熱保護(hù)策略設(shè)置不合理導(dǎo)致的無(wú)助力問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制器 電機(jī) 熱保護(hù)策略

Analysis on the Thermal Protection Mechanism of Automobile EPS

Yue Fa，Li Xingli，Liu Chunmei

Abstract：In actual work， the unreasonable setting of the thermal protection strategy of the electric power steering system （hereinafter referred to as EPS） will cause many failures. This article deeply researches the EPS thermal protection strategies of different suppliers. Based on the problem of EPS assisted motor failure in actual work of a certain vehicle model， which causes EPS to lose assistance， the thermal protection strategy is revised based on the actual vehicle test to fundamentally solve the thermal protection caused by unreasonable policy settings.

Key words：electric power steering system， controller， motor， thermal protection strategy

1 EPS概述

近年來(lái)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS）逐漸在國(guó)內(nèi)外許多車(chē)型上用，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器會(huì)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這些信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、方向以及車(chē)輛速度等信號(hào)，向電機(jī)控制器發(fā)出動(dòng)作指令，電機(jī)根據(jù)需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩來(lái)產(chǎn)生助力。

實(shí)際開(kāi)發(fā)中，由于控制策略匹配不合理，為汽車(chē)帶來(lái)了許多問(wèn)題，主要集中在基本助力、阻尼補(bǔ)償和主動(dòng)回正等控制策略。但在實(shí)際工作中，熱保護(hù)策略設(shè)置不合理，也會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)抱怨。

2 EPS熱保護(hù)策略

控制器和電機(jī)在工作過(guò)程中都會(huì)發(fā)熱，發(fā)熱量與電流的大小有關(guān)，電流越大發(fā)熱量越大。熱保護(hù)策略主要是通過(guò)對(duì)電機(jī)、控制器內(nèi)部溫度或發(fā)熱量的持續(xù)監(jiān)測(cè)，來(lái)控制系統(tǒng)輸出電流。目前EPS熱保護(hù)主要分為兩類(lèi)，基于溫度信號(hào)的保護(hù)和電流積分保護(hù)，兩者均是在常規(guī)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行熱保護(hù)，兩者的區(qū)別則是否具有直接的溫度傳感器（熱敏電阻）。

2.1 基于溫度信號(hào)的熱保護(hù)

通過(guò)獲取當(dāng)前熱敏電阻的溫度、電機(jī)電流、PWM值，估算出控制器內(nèi)部不同區(qū)域關(guān)鍵器件的當(dāng)前溫度[2]，對(duì)助力電流上限做出限制，最大程度的保證ECU/電機(jī)不被過(guò)熱損壞，同時(shí)盡量降低對(duì)正常轉(zhuǎn)向操作的影響。各家供應(yīng)商的熱保護(hù)策略各有不同，下面對(duì)各供應(yīng)商的控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 A供應(yīng)商

A供應(yīng)商的熱保護(hù)策略包括基于ECU的溫度限制電流輸出以及基于ECU溫度和電機(jī)電流兩種類(lèi)型，見(jiàn)圖1。

其中，基于ECU溫度和電機(jī)電流控制更為精準(zhǔn)，主要是依據(jù)電機(jī)Q軸、D軸電流積算電流（積分），通過(guò)積算電流和ECU的溫度對(duì)電流進(jìn)行限制。

積算電流=前一次的積算電流+K*（Q軸電流+D軸電流-11.4A）（2-1）

比例系數(shù)K根據(jù)ECU溫度選取，根據(jù)積算電流，查找limit電流，對(duì)輸出電流進(jìn)行限制。

2.1.2 B供應(yīng)商

B供應(yīng)商熱保護(hù)原理圖，見(jiàn)圖2。

確定助力電流上限的步驟：

（1）根據(jù)溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，得出發(fā)熱量估算所需的系數(shù)。

（2）根據(jù)發(fā)熱量估算系數(shù)，并結(jié)合溫度傳感器測(cè)量值和電機(jī)電流，估算電機(jī)的累積發(fā)熱量。

（3）根據(jù)電機(jī)的累積發(fā)熱量，查表1得出相對(duì)應(yīng)的助力電流上限A。若測(cè)得溫度在85～110℃之間，則對(duì)應(yīng)的電流上限值使用一次線性插值的方法確定。

（4）根據(jù)溫度傳感器的輸出，確定對(duì)應(yīng)的助力電流上限B。

（5）取助力電流上限A、B的最小值作為最終的助力電流上限值。

2.2 電流積分保護(hù)

對(duì)于控制器沒(méi)有溫度傳感器的EPS系統(tǒng)，控制器溫度無(wú)法直接監(jiān)測(cè)，需根據(jù)電流進(jìn)行積分估算，從而對(duì)系統(tǒng)工作電流進(jìn)行控制，降低系統(tǒng)發(fā)熱量，見(jiàn)圖3。

2.2.1 C供應(yīng)商

根據(jù)電機(jī)電流的大小及作用時(shí)間，估算出電機(jī)的熱量累積數(shù)值，當(dāng)估算出的熱量累計(jì)數(shù)值到達(dá)一定大小時(shí)，按照設(shè)定的控制策略降低電機(jī)電流上限以保護(hù)電機(jī)（圖4）。

2.2.2 D供應(yīng)商

①確定熱保護(hù)系數(shù)：

如圖5所示，依據(jù)電機(jī)和控制器的溫度特性，確定溫度保護(hù)系數(shù)Kh。圖中Im0為溫度保護(hù)模式下的電機(jī)電流平衡點(diǎn)，Im1為電機(jī)最大電流，Kh1為電機(jī)電流等于Im1時(shí)的溫度保護(hù)系數(shù)，Kh2為電機(jī)電流等于零時(shí)的溫度保護(hù)系數(shù)。

②保護(hù)工作過(guò)程：

T1為電機(jī)電流Im1下開(kāi)始保護(hù)的時(shí)間，T3為電機(jī)電流從Im1到Im0需要的時(shí)間。

③熱保護(hù)自恢復(fù)過(guò)程：

T2為電機(jī)電流從Im0到Im1所需時(shí)間。

通過(guò)上述分析可知，不同供應(yīng)商的熱保護(hù)策略均不同，但是，熱保護(hù)策略設(shè)置應(yīng)合理，過(guò)于寬松的保護(hù)策略，起不到保護(hù)效果，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒蝕，出現(xiàn)無(wú)助力的現(xiàn)象。過(guò)嚴(yán)的熱保護(hù)，會(huì)頻繁進(jìn)入保護(hù)模式，助力降級(jí)，導(dǎo)致用戶的抱怨。

3 某車(chē)型無(wú)助力問(wèn)題研究

3.1 問(wèn)題來(lái)源

某車(chē)型在路試中，出現(xiàn)EPS助力電機(jī)失效，導(dǎo)致EPS失去助力，對(duì)駕駛安全產(chǎn)生重大風(fēng)險(xiǎn)，該問(wèn)題亟需解決。

3.2 問(wèn)題確認(rèn)

首先對(duì)故障車(chē)輛進(jìn)行試車(chē)確認(rèn)，啟動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)手感明顯沉重，故障碼為C143D1D（助力電機(jī)實(shí)際電流和目標(biāo)電流差異過(guò)大），測(cè)量EPS電機(jī)阻值無(wú)變化，初步判定為EPS電機(jī)故障，拆解故障電機(jī)，得出電機(jī)碳刷架燒蝕是導(dǎo)致EPS系統(tǒng)無(wú)助力的直接原因。

主要圍繞電機(jī)燒蝕原因進(jìn)行排查。排查發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在碳刷架耐溫性能不足、導(dǎo)電片有毛刺等問(wèn)題，但這些問(wèn)題導(dǎo)致的故障率遠(yuǎn)小于試車(chē)的表現(xiàn)，與故障率無(wú)法對(duì)應(yīng)。

為進(jìn)一步改善該問(wèn)題，對(duì)EPS熱保護(hù)策略進(jìn)行研究。熱保護(hù)策略借用原某車(chē)型策略，助力電流過(guò)大，原地可打20多圈。在整車(chē)試驗(yàn)中，原地轉(zhuǎn)向27min左右電機(jī)燒壞，試驗(yàn)中熱保護(hù)策略介入，EPS仍然可以正常轉(zhuǎn)向，即熱保護(hù)策略未起到實(shí)際保護(hù)作用。

3.3 效果驗(yàn)證

為更加合理的設(shè)置熱保護(hù)參數(shù)，制定兼顧性能和安全的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)標(biāo)和多輪實(shí)車(chē)測(cè)試優(yōu)化，形成固化后的熱保護(hù)控制參數(shù)，見(jiàn)圖8。

使用修改前、后的兩版軟件分別對(duì)電機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，電機(jī)電刷溫升數(shù)據(jù)對(duì)比圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用新版軟件后，溫度下降非常明顯，且整體溫度控制在220℃以下，刷架耐溫270℃，不會(huì)帶來(lái)燒蝕問(wèn)題。

同時(shí)，對(duì)新版軟件進(jìn)行測(cè)試，按照標(biāo)準(zhǔn)完成六個(gè)循環(huán)電流采集數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖10。從檢測(cè)電流可知，在第六個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，電流開(kāi)始下降，實(shí)車(chē)無(wú)明顯感覺(jué)，第七個(gè)循環(huán)中期轉(zhuǎn)向力明顯上升，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在多彎道的盤(pán)山公路進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，見(jiàn)圖11?？芍涛闯霈F(xiàn)無(wú)助力或助力降級(jí)的現(xiàn)象，山路工況下電機(jī)電流基本工作在20A以下，因此，現(xiàn)有熱保護(hù)策略可以覆蓋該典型工況。

新版軟件刷寫(xiě)至試驗(yàn)車(chē)輛，故障現(xiàn)象消失，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從EPS應(yīng)用中常遇到的熱害問(wèn)題出發(fā)，對(duì)各供應(yīng)商的熱保護(hù)策略進(jìn)行了梳理，以解決某款車(chē)型行駛過(guò)程轉(zhuǎn)向無(wú)助力問(wèn)題為契機(jī)，完成了熱保護(hù)的重新設(shè)定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從根本上解決了熱保護(hù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的無(wú)助力問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]王全明.汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能仿真評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.

[2]張旭東.熱保護(hù)元件在微電機(jī)中的應(yīng)用[J].微電機(jī).2003.5.