汽車EPS熱保護機理淺析

岳法　李興麗　劉春梅

摘 要：實際工作中，電動助力轉向系統（以下簡稱EPS）熱保護策略設置不合理，會導致出現諸多故障問題。本文深入研究不同供應商的EPS熱保護策略，并基于某車型在實際工作中出現EPS助力電機失效，致EPS失去助力的問題，結合實車測試對熱保護策略進行修訂，從根本上解決熱保護策略設置不合理導致的無助力問題。

關鍵詞：電動助力轉向系統 控制器 電機 熱保護策略

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，電動助力轉向系統（Electronic Power Steering，簡稱EPS）逐漸在國內外許多車型上用，具有廣闊的發展前景[1]。汽車在轉向時，轉矩傳感器會檢測到轉向盤的力矩和轉動的方向，這些信號通過數據總線發給電子控制單元，電子控制單元根據轉向盤轉動力矩、方向以及車輛速度等信號，向電機控制器發出動作指令，電機根據需要輸出相應大小的轉動力矩來產生助力。

實際開發中，由于控制策略匹配不合理，為汽車帶來了許多問題，主要集中在基本助力、阻尼補償和主動回正等控制策略。但在實際工作中，熱保護策略設置不合理，也會帶來諸多問題，導致出現抱怨。

2 EPS熱保護策略

控制器和電機在工作過程中都會發熱，發熱量與電流的大小有關，電流越大發熱量越大。熱保護策略主要是通過對電機、控制器內部溫度或發熱量的持續監測，來控制系統輸出電流。目前EPS熱保護主要分為兩類，基于溫度信號的保護和電流積分保護，兩者均是在常規轉向過程中，實時進行熱保護，兩者的區別則是否具有直接的溫度傳感器（熱敏電阻）。

2.1 基于溫度信號的熱保護

通過獲取當前熱敏電阻的溫度、電機電流、PWM值，估算出控制器內部不同區域關鍵器件的當前溫度[2]，對助力電流上限做出限制，最大程度的保證ECU/電機不被過熱損壞，同時盡量降低對正常轉向操作的影響。各家供應商的熱保護策略各有不同，下面對各供應商的控制策略進行詳細分析。

2.1.1 A供應商

A供應商的熱保護策略包括基于ECU的溫度限制電流輸出以及基于ECU溫度和電機電流兩種類型，見圖1。

其中，基于ECU溫度和電機電流控制更為精準，主要是依據電機Q軸、D軸電流積算電流（積分），通過積算電流和ECU的溫度對電流進行限制。

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K根據ECU溫度選取，根據積算電流，查找limit電流，對輸出電流進行限制。

2.1.2 B供應商

B供應商熱保護原理圖，見圖2。

確定助力電流上限的步驟：

（1）根據溫度傳感器的測量數據，得出發熱量估算所需的系數。

（2）根據發熱量估算系數，并結合溫度傳感器測量值和電機電流，估算電機的累積發熱量。

（3）根據電機的累積發熱量，查表1得出相對應的助力電流上限A。若測得溫度在85～110℃之間，則對應的電流上限值使用一次線性插值的方法確定。

（4）根據溫度傳感器的輸出，確定對應的助力電流上限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

對于控制器沒有溫度傳感器的EPS系統，控制器溫度無法直接監測，需根據電流進行積分估算，從而對系統工作電流進行控制，降低系統發熱量，見圖3。

2.2.1 C供應商

根據電機電流的大小及作用時間，估算出電機的熱量累積數值，當估算出的熱量累計數值到達一定大小時，按照設定的控制策略降低電機電流上限以保護電機（圖4）。

2.2.2 D供應商

①確定熱保護系數：

如圖5所示，依據電機和控制器的溫度特性，確定溫度保護系數Kh。圖中Im0為溫度保護模式下的電機電流平衡點，Im1為電機最大電流，Kh1為電機電流等于Im1時的溫度保護系數，Kh2為電機電流等于零時的溫度保護系數。

②保護工作過程：

T1為電機電流Im1下開始保護的時間，T3為電機電流從Im1到Im0需要的時間。

③熱保護自恢復過程：

T2為電機電流從Im0到Im1所需時間。

通過上述分析可知，不同供應商的熱保護策略均不同，但是，熱保護策略設置應合理，過于寬松的保護策略，起不到保護效果，嚴重的會導致電機燒蝕，出現無助力的現象。過嚴的熱保護，會頻繁進入保護模式，助力降級，導致用戶的抱怨。

3 某車型無助力問題研究

3.1 問題來源

某車型在路試中，出現EPS助力電機失效，導致EPS失去助力，對駕駛安全產生重大風險，該問題亟需解決。

3.2 問題確認

首先對故障車輛進行試車確認，啟動后轉動轉向盤手感明顯沉重，故障碼為C143D1D（助力電機實際電流和目標電流差異過大），測量EPS電機阻值無變化，初步判定為EPS電機故障，拆解故障電機，得出電機碳刷架燒蝕是導致EPS系統無助力的直接原因。

主要圍繞電機燒蝕原因進行排查。排查發現電機存在碳刷架耐溫性能不足、導電片有毛刺等問題，但這些問題導致的故障率遠小于試車的表現，與故障率無法對應。

為進一步改善該問題，對EPS熱保護策略進行研究。熱保護策略借用原某車型策略，助力電流過大，原地可打20多圈。在整車試驗中，原地轉向27min左右電機燒壞，試驗中熱保護策略介入，EPS仍然可以正常轉向，即熱保護策略未起到實際保護作用。

3.3 效果驗證

為更加合理的設置熱保護參數，制定兼顧性能和安全的驗收標準，通過對標和多輪實車測試優化，形成固化后的熱保護控制參數，見圖8。

使用修改前、后的兩版軟件分別對電機進行臺架試驗，電機電刷溫升數據對比圖9。試驗結果表明，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℃，不會帶來燒蝕問題。

同時，對新版軟件進行測試，按照標準完成六個循環電流采集數據，見圖10。從檢測電流可知，在第六個循環結束時，電流開始下降，實車無明顯感覺，第七個循環中期轉向力明顯上升，滿足標準要求。

在多彎道的盤山公路進行實車測試，見圖11。可知全程未出現無助力或助力降級的現象，山路工況下電機電流基本工作在20A以下，因此，現有熱保護策略可以覆蓋該典型工況。

新版軟件刷寫至試驗車輛，故障現象消失，達到預期效果。

4 結語

本文從EPS應用中常遇到的熱害問題出發，對各供應商的熱保護策略進行了梳理，以解決某款車型行駛過程轉向無助力問題為契機，完成了熱保護的重新設定，通過實驗驗證，從根本上解決了熱保護設置不合理導致的無助力問題。

參考文獻：

[1]王全明.汽車電動助力轉向系統設計與性能仿真評價研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[2]張旭東.熱保護元件在微電機中的應用[J].微電機.2003.5.