中圖分類號：U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0140-03

MotorControl Technology and Reliability Analysis in Electric Steering System of Automobil

Zhang Junyu

（Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou 45ooo8，China）

【Abstract】As the electrificationand intelligence of vehicles accelerate，electric power steering（EPS）systems， as thecoreactuatorforvehicle handling safetyand driving experience，have becomea key technological area in new energy intellgentvehicles.Traditional mechanical hydraulicsteeringsystemssufferfromhighenergyconsumptionand delayed dynamicresponse.Current EPS systems face challenges such asnonlinear fluctuations inasstcharacteristics undercomplexoperatingconditions，multi-physics fieldcoupling interference，andupgraded functionalsafetyrequirements. The corecontradictionisreflected in thebalance between motorcontrolaccuracyand systemlong-termreliability.This papersystematicallyinvestigateskeytechnical issesrelatedtomotorcontrolandreliabilityassuranceinautomotive electric stering systems，aiming to provide theoretical support and practical models for the optimization andupgradeof intelligent electric vehicle safety architectures.

【Key Words】 electric steering；motor control；vehicle steering system

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，EPS）作為替代傳統(tǒng)液壓裝置的核心電控執(zhí)行機構(gòu)，憑借其精準(zhǔn)助力特性與能量回收能力，已成為提升車輛操控安全性與能效經(jīng)濟性的關(guān)鍵載體。同時，智能駕駛等級向 L3+ 演進(jìn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出更嚴(yán)苛要求：一方面需實現(xiàn)轉(zhuǎn)向力矩的毫米級動態(tài)調(diào)節(jié)以保證車道保持與緊急避障功能；另一方面必須在高振動、寬溫域等復(fù)雜工況下維持十年以上的服役壽命。當(dāng)前EPS技術(shù)發(fā)展面臨多重技術(shù)壁壘?？刂茖用嫔?，轉(zhuǎn)向電機需在機械阻抗快速變化時仍保持轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定性，而路面激勵的隨機性與駕駛行為的不確定性導(dǎo)致傳統(tǒng)PID控制難以保證全域工況下的助力平順性?？煽啃跃S度上，EPS執(zhí)行器長期承受交變機械應(yīng)力與電力電子器件的熱應(yīng)力耦合作用，易誘發(fā)傳感器漂移、繞組絕緣老化等潛在失效模式，而現(xiàn)有驗證方法多依賴標(biāo)準(zhǔn)測試工況，對實際復(fù)雜運行

環(huán)境的模擬仍有不足[2]。

1EPS系統(tǒng)架構(gòu)及電機動力學(xué)模型

1.1系統(tǒng)組成與原理

EPS系統(tǒng)本質(zhì)為傳感器-控制器-執(zhí)行器的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，其構(gòu)成與功能見表1。

控制系統(tǒng)以扭矩傳感器信號為輸入基準(zhǔn)，結(jié)合車速、轉(zhuǎn)向角等參數(shù)構(gòu)建助力特性MAP圖，通過電流閉環(huán)調(diào)控實現(xiàn)可變助力比輸出。ECU同時監(jiān)測電機繞組溫度、電源電壓等狀態(tài)參數(shù)，觸發(fā)過載降額或失效安全模式以保證功能完整性。

1.2 動力學(xué)建模

永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q軸）下的動態(tài)方程為：

式中： u_d 、 u_q —d、q軸電壓分量； i_d 、 i_q? 1電量分流； ω_e —電角速度； ψ_f —永磁體磁鏈。電磁轉(zhuǎn)矩方程可表述為：

式中： P ——極對數(shù)。通過磁場定向控制（FOC）實現(xiàn) i_d⁼0 策略，可使轉(zhuǎn)矩輸出與 i_q 呈線性關(guān)系，簡化動態(tài)響應(yīng)特性。

2 電機控制技術(shù)

2.1 控制策略優(yōu)化

2.1.1 模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制基于滾動優(yōu)化與反饋校正機制，在EPS電機控制中可有效解決多變量耦合、非線性約束等復(fù)雜問題。其核心架構(gòu)包括預(yù)測模型、目標(biāo)函數(shù)與約束優(yōu)化三部分：通過建立電機的離散狀態(tài)空間模型預(yù)測未來若干步長的系統(tǒng)行為，再以轉(zhuǎn)矩波動抑制、電流飽和規(guī)避為優(yōu)化目標(biāo)，求解有限時域內(nèi)的最優(yōu)控制序列，最終實現(xiàn)控制量的實時更新。針對EPS系統(tǒng)中助力特性與路面擾動的動態(tài)適配需求，模型預(yù)測控制（Model PredictiveControl，MPC）可通過調(diào)整權(quán)值矩陣平衡轉(zhuǎn)向輕便性與路感反饋的矛盾3。如在蛇行避障工況下，高權(quán)重轉(zhuǎn)矩跟蹤可增強響應(yīng)速度；而在泊車場景中，降低電流變化率約束可提升低速助力平順性。MPC的突出優(yōu)勢在于顯式處理系統(tǒng)約束的能力，例如通過電流環(huán)限幅保護逆變器開關(guān)器件，或引入轉(zhuǎn)向角速率約束避免機械結(jié)構(gòu)超調(diào)失效。然而，實時求解二次規(guī)劃問題對ECU算力提出較高要求，需采用顯式MPC（eMPC）或簡化模型降低計算復(fù)雜度。

2.1.2 自適應(yīng)滑?？刂?/p>

自適應(yīng)滑模控制通過設(shè)計滑模面及趨近律，可實現(xiàn)EPS電機系統(tǒng)在參數(shù)攝動與外界干擾下的強魯棒性。以電機參考轉(zhuǎn)矩跟蹤為例，定義滑模變量為轉(zhuǎn)矩誤差的線性組合，通過調(diào)節(jié)切換增益迫使系統(tǒng)狀態(tài)沿預(yù)設(shè)滑模面收斂。在傳統(tǒng)滑?？刂浦?，固定切換增益易導(dǎo)致高頻抖振，造成齒輪沖擊與電流諧波污染，而引入自適應(yīng)機制可動態(tài)調(diào)整增益幅值，既維持對負(fù)載突變、齒隙非線性的抑制能力，又顯著削弱抖振現(xiàn)象。針對永磁同步電機參數(shù)時變特性（如繞組電阻溫升、磁鏈衰減），ASMC融合參數(shù)辨識算法，構(gòu)建Lyapunov函數(shù)在線更新控制器參數(shù)，確保系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)的穩(wěn)定收斂。例如，當(dāng)電機溫升導(dǎo)致銅損增加時，自適應(yīng)觀測器實時修正定子電阻估計值，滑模面的等效控制項隨之動態(tài)補償電壓偏移量。同時，結(jié)合干擾觀測器（DisturbanceObserver，DOB）或模糊邏輯，可進(jìn)一步降低對模型精度的依賴，提升控制系統(tǒng)應(yīng)對路面隨機激勵的動態(tài)適配能力。

2.1.3 容錯控制機制

容錯控制通過故障檢測、診斷與重構(gòu)的閉環(huán)邏輯，保障EPS系統(tǒng)在傳感器失效、電機退磁等異常工況下的功能安全。其架構(gòu)可分為被動式與主動式兩類：被動容錯依賴魯棒控制器設(shè)計（如H控制、冗余執(zhí)行機構(gòu)），在預(yù)設(shè)故障模式下維持基礎(chǔ)功能；主動容錯則通過故障診斷算法（FaultDiagnosisAlgorithm，F(xiàn)DA）實時定位異常源，并觸發(fā)控制策略切換或參數(shù)自適應(yīng)補償。當(dāng)扭矩傳感器信號異常時，冗余轉(zhuǎn)角傳感器與電機電流的融合估計可重構(gòu)轉(zhuǎn)向力矩信息；在逆變器單相開路故障下，通過調(diào)整剩余兩相脈沖寬度調(diào)變（PulseWidthModulation，PWM）占空比重構(gòu)旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)降級模式下的連續(xù)助力能力。關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括故障靈敏性設(shè)計、多源信息融合與快速重構(gòu)策略。基于奇異值分解的殘差生成器可增強對微小偏差的檢測敏感度；聯(lián)邦卡爾曼濾波算法融合電機電流、轉(zhuǎn)子位置與溫度等多維度數(shù)據(jù)，有效區(qū)分機械卡滯與電路故障；基于有限狀態(tài)機的控制模式切換邏輯，可在 20ms 內(nèi)完成故障隔離與冗余備份激活。

2.2 算法實現(xiàn)

電機控制算法的工程落地需統(tǒng)籌考慮軟件架構(gòu)、硬件資源與實時性約束，其實現(xiàn)過程本質(zhì)上是理論模型向嵌入式系統(tǒng)的高度適配與優(yōu)化過程。首先以V型開發(fā)流程為基礎(chǔ)，通過模塊化設(shè)計將MPC、自適應(yīng)滑模控制（AdaptiveSlidingModeControl，ASMC）等算法轉(zhuǎn)換為符合AutoSAR規(guī)范的C代碼，核心在于對計算密集型任務(wù)的分層處理：狀態(tài)預(yù)測與滾動優(yōu)化等高階運算依托二次規(guī)劃（QuadraticProgramming，QP）求解器（如qOASES）實現(xiàn)離線矩陣預(yù)處理與在線迭代解耦，大幅縮短單步求解耗時，同時通過靜態(tài)內(nèi)存分配與單指令多數(shù)據(jù)運算（SingleInstruction

MultipleData，SIMD）指令加速（如ARMCortex-M7的DSP擴展）規(guī)避實時計算中的內(nèi)存碎片化與算力瓶頸。

實時操作系統(tǒng)（Real Time Operate System，RTOS）層面，針對英飛凌（Infineon）Aurix多核微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）設(shè)計的混合臨界調(diào)度策略是保障系統(tǒng)確定性的關(guān)鍵。高優(yōu)先級任務(wù)（如20kHz 電流環(huán)的Clarke/Park變換與空間矢量調(diào)制）由專用協(xié)處理器加速運算，確保電流諧波抑制與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精度；中優(yōu)先級任務(wù)（如1kHz轉(zhuǎn)速閉環(huán)與CAN通信）執(zhí)行滑?？刂破髟鲆孀赃m應(yīng)調(diào)整與時間觸發(fā)總線同步，通過有限狀態(tài)機（FiniteStateMachine，F(xiàn)SM）實現(xiàn)故障樹的快速診斷與隔離；低優(yōu)先級任務(wù)則分離非安全關(guān)鍵功能（如OTA升級與參數(shù)標(biāo)定），避免干擾核心控制線程。

硬件加速與異構(gòu)計算架構(gòu)的引入進(jìn)一步釋放了算法的潛力。對于ASMC的高頻切換特性，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）通過邏輯查表（Look-UpTable，LUT）實現(xiàn)符號函數(shù)的硬件級計算，將軟件分支判斷轉(zhuǎn)化為無延時的組合電路，顯著削弱抖振對電機的機械沖擊；數(shù)字信號處理技術(shù)（DigitalSignalProcessing，DSP）協(xié)處理器則結(jié)合定點運算庫IQmath重構(gòu)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，在損失可控精度（ lt;0.1% ）的前提下提升計算效率，同時依托硬件PWM模塊直接生成空間向量調(diào)變（SpaceVectorModulation，SVM）波形以規(guī)避軟件中斷延遲。

3系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可靠性評估方法

系統(tǒng)可靠性評估圍繞功能安全、硬件冗余及環(huán)境適應(yīng)性展開，依托多維度分析法與仿真驗證技術(shù)構(gòu)建評估體系。硬件層面采用元器件應(yīng)力分析法判定關(guān)鍵器件的壽命衰減模型，結(jié)合加速老化試驗推導(dǎo)其失效閾值，確保在極端工況下無單點故障導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰。軟件可靠性則通過靜態(tài)代碼分析工具實現(xiàn)路徑覆蓋率與死循環(huán)檢測，強制約束狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)的完備性；同時引入動態(tài)模糊測試模擬信號突變、通信丟包等異常輸入，量化驗證控制算法的容忍邊界。

可靠性驗證還需深度融合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如通過故障模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，F(xiàn)MEA）梳理電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的潛在失效鏈，見表2。

3.2 測試方案

系統(tǒng)的可靠性測試需覆蓋從單體部件到整機的全流程驗證，其核心是通過層級化測試場景逼近實際工況的復(fù)雜性。試驗室階段采用硬件在環(huán)HIL測試平臺，將電機模型與逆變器硬件集成至實時仿真環(huán)境，注入故障信號（如電機堵轉(zhuǎn)、CAN總線干擾）以觀測控制策略的重構(gòu)能力；同時利用環(huán)境應(yīng)力篩選（Environmental Stress Screening，ESS）模擬高溫0 +85^°C ）、低溫 （-40^°C ）及濕熱循環(huán)，記錄PCB板上焊點裂紋、元器件參數(shù)漂移等潛在缺陷。在臺架測試中，通過六自由度振動臺復(fù)現(xiàn)車輛行駛中的機械沖擊與諧波振動，并結(jié)合電磁兼容EMC測試評估系統(tǒng)在強輻射干擾下的穩(wěn)定性。

3.3 仿真結(jié)果

仿真驗證綜合性能試驗結(jié)果見表3。

系統(tǒng)在功能安全、環(huán)境適應(yīng)性及長期穩(wěn)定性方面表現(xiàn)卓越：HIL測試中 99.2% 的故障覆蓋率證明軟件容錯邏輯符合ASIL-D等級要求，且CAN通信丟包恢復(fù)能力可滿足 50ms 內(nèi)重建信號鏈路的需求，有效避免轉(zhuǎn)向信號中斷風(fēng)險。臺架測試驗證了硬件設(shè)計的魯棒性——振動測試后未出現(xiàn)元器件脫落或PCB變形，而高低溫循環(huán)下控制器的電流跟蹤誤差始終低于 1.5% ，表明熱管理與封裝工藝有效抑制了環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的參數(shù)漂移。

4結(jié)論

本研究通過多維度可靠性評估與全流程測試驗證，證明了所設(shè)計系統(tǒng)的綜合性能及其在極端工況下的穩(wěn)健性?；趹?yīng)力分析、動態(tài)模糊測試及FMEA方法構(gòu)建的可靠性模型，精準(zhǔn)識別了軟硬件敏感節(jié)點并優(yōu)化了冗余策略，確保故障覆蓋率超過 99.2% ，容錯切換成功率提升至 100% ?？傊?，融合參數(shù)敏感性優(yōu)化與層級化安全機制的協(xié)同設(shè)計，能夠顯著提升機電系統(tǒng)的功能安全與長期穩(wěn)定性，為高可靠性機電一體化產(chǎn)品的工程化落地提供了理論與實踐的堅實支撐。

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（編輯楊凱麟）