EPS控制器電磁兼容性分析與整改

肖潔,趙斌,游永鋒,林聯(lián)偉

(中航工業(yè)株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲 412002)

EPS控制器電磁兼容性分析與整改

肖潔,趙斌,游永鋒,林聯(lián)偉

(中航工業(yè)株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲 412002)

電磁兼容性是考核汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制器可靠性的一個(gè)重要方面。通過對(duì)輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、傳導(dǎo)抗擾、輻射抗擾、大電流注入及靜電放電等6個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行分析和整改，提升了產(chǎn)品的電磁兼容特性，為控制器后續(xù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

EPS控制器；電磁兼容；分析與整改

0 引言

隨著汽車電控技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子設(shè)備數(shù)量大大增加，電路工作頻率逐漸提高，功率也漸漸增大，導(dǎo)致汽車工作的周圍環(huán)境電磁干擾日益嚴(yán)重，電路日趨敏感，從而影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行，進(jìn)一步威脅到汽車行駛的可靠性與安全性。由此每一個(gè)想把產(chǎn)品成功推向市場的企業(yè)和設(shè)計(jì)者，都必須慎重對(duì)待產(chǎn)品的電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)問題。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、路感好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車行業(yè)得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用[1]。EPS系統(tǒng)具體包括電子控制單元(即控制器(Electric Control Unit,ECU))、扭矩傳感器、車速傳感器、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向管柱總成等部件。其中控制器作為整個(gè)EPS系統(tǒng)的控制核心，其電磁兼容性能顯得尤為重要。

文中主要針對(duì)采用GMW3097和CISPR25標(biāo)準(zhǔn)的EPS控制器電磁兼容性問題進(jìn)行了一些簡單分析，由于PCB設(shè)計(jì)初期比較注重EMC問題，所以實(shí)際試驗(yàn)中的整改難度相對(duì)而言下降了很多。

1 輻射發(fā)射(RE)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE)

圖1為整改之前的測試波形，可以看出：整個(gè)低頻段超標(biāo)比較明顯，而低頻段屬于寬帶噪聲，主要為功率電源或?qū)拵г肼曉此l(fā)出[2]，EPS中最有可能產(chǎn)生寬帶噪聲的為助力電機(jī)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。通過多次試驗(yàn)進(jìn)行整改和驗(yàn)證：調(diào)節(jié)控制助力電機(jī)工作的PWM平滑度，可以從很大程度上抑制對(duì)寬頻噪聲的干擾，從而達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。具體整改體現(xiàn)在改變助力電機(jī)高端和低端緩沖器的匹配值，以及功率管G極電阻的阻值，而CE整改中將電源線遠(yuǎn)離電機(jī)線，或者對(duì)電機(jī)線進(jìn)行屏蔽處理，測試效果會(huì)更理想。整改后的波形如圖2所示。

2 傳導(dǎo)抗擾(CI)

傳導(dǎo)抗擾試驗(yàn)主要體現(xiàn)在電源線和點(diǎn)火線施加pulse 5b波形時(shí)，多次出現(xiàn)損壞助力電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片和TVS管的現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)選用的TVS管不能完全抑制pulse 5b所帶來的瞬態(tài)沖擊，容易被擊穿導(dǎo)致電源與地短路，解決辦法是重新選用一個(gè)大功率的專用型TVS管[3]。而在預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片受損方面，解決起來則稍費(fèi)周折。結(jié)合原廠供應(yīng)商提供的損壞原因分析報(bào)告可知：故障均為電源Vbb受損，即與Vbb相連的穩(wěn)壓二極管E138過壓擊穿而導(dǎo)致短路。電源接口電路見圖3。

可以看出：穩(wěn)壓管承受的電壓取決于Vbb和CA、CB之間的壓差ΔU。因此改變?chǔ)的值即可解決CI試驗(yàn)損壞預(yù)驅(qū)的問題。具體整改措施是將Vbb直接連到控制器的電源端，使ΔU保持在穩(wěn)壓管的正常穩(wěn)壓范圍內(nèi)。

3 輻射抗擾(RI)

輻射抗擾試驗(yàn)主要考核ECU對(duì)來自周圍電磁輻射的抗干擾能力。在400 MHz～1 GHz高頻段時(shí)，監(jiān)控到PWM信號(hào)和電機(jī)電流會(huì)出現(xiàn)非常明顯的波動(dòng)，尤其是應(yīng)該保持不變的轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)異常大，具體見圖4。結(jié)合日常測試多次碰到的現(xiàn)象——示波器探頭靠近采樣電路時(shí)，控制器的正常運(yùn)行會(huì)受到明顯影響，初步分析是電流采樣電路受到了干擾，通過EMC試驗(yàn)更證實(shí)了此點(diǎn)。為了將該干擾導(dǎo)出控制器，先在采樣芯片的輸入端增加一個(gè)100 pF的對(duì)地電容C1，測試后發(fā)現(xiàn)波動(dòng)情況略有好轉(zhuǎn)，但干擾并未徹底消除。隨后在靠近采樣電阻的一端并接一電容C2，再次測試后干擾消失。為更好地找準(zhǔn)整改點(diǎn)，去掉C1，保留C2，干擾依舊，由此可見，干擾信號(hào)輸入的前級(jí)和后級(jí)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行整改[4]。

4 大電流注入(BCI)

大電流注入試驗(yàn)同樣考核ECU的抗干擾能力，其注入點(diǎn)包括150、450、750及1 500四處，試驗(yàn)中450這個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了電機(jī)電壓和PWM信號(hào)變化異常的現(xiàn)象，但電機(jī)電流卻保持不變。此次的整改方向主要放在電源部分，由于控制器的電源VBAT與外殼Housing之間未采取任何連接方式，在一定程度上抑制了PCB電源部分干擾信號(hào)的泄放[5]，這是問題的關(guān)鍵所在，因此應(yīng)在VBAT和Housing之間搭建一座橋梁，具體方法是并接1～2顆100 nF或更小容值的電容，同時(shí)考慮到電容靠近螺釘安裝處，為避免器件斷裂導(dǎo)致短路，選擇“順壞斷路模式”的電容最為理想。

5 靜電放電(ESD)

靜電放電在日常生活中隨處可見，因此電子電氣產(chǎn)品更不能忽視靜電的存在。但相比上述4項(xiàng)試驗(yàn)，靜電放電的整改要簡單一點(diǎn)，采取在各信號(hào)接口處并接去耦電容來增強(qiáng)ECU的抗擾能力，而電容容值的大小則依據(jù)具體試驗(yàn)情況和產(chǎn)品電特性而定。其中CAN通信接口可安裝專用型的ESD保護(hù)二極管，試驗(yàn)過程中CANL和CANH電纜應(yīng)進(jìn)行雙絞處理[6]，試驗(yàn)布置見圖6和圖7。

6 結(jié)論

EMC認(rèn)證是檢驗(yàn)產(chǎn)品電磁兼容性的一個(gè)有效途徑。對(duì)EPS控制器進(jìn)行多次試驗(yàn)和整改，在提高ECU抗擾能力的同時(shí)，也降低了產(chǎn)品本身對(duì)周圍其他電子電氣裝置的干擾能力，在一定程度上提升了控制器電磁特性方面的可靠性。

【1】 邵建昂.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的研究[J].機(jī)床與液壓，2008，36(7)：382-384.

【2】 朱文立，陳燕，肖猛.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策及案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

【3】 麥迪圭安·米切爾.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù)[M].劉萍，魏東興,譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【4】 PAUL Clayton R.電磁兼容導(dǎo)論[M].聞?dòng)臣t,譯.北京：人民郵電出版社，2007.

【5】 王萍.淺談PCB電磁兼容設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2010，10(8)：73-75.

【6】 經(jīng)緯，閆美云.傳輸線端接對(duì)電磁兼容的影響[J].電子測試，2007(5)：94-97.

Analysis and Debugging to Electro Magnetic Compatibility of Electric Power Steering Controller

XIAO Jie,ZHAO Bin, YOU Yongfeng,LIN Lianwei

(AVIC Zhuzhou Elite Electro Mechanical Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412002,China)

Electro magnetic compatibility is an important aspect evaluating the reliability of the electric power steering controller.By means of analysis and debugging to radiated emissions,conducted emissions,conducted immunity,radiated immunity,big current insert and electro static discharge(ESD)experiments,the EMC character of controller was improved.It provided foundation for the subsequent development to ECU.

EPS controller;Electro magnetic compatibility;Analysis and debugging

2014-09-30

肖潔(1981—)，女，碩士，工程師，主要從事EPS控制器硬件設(shè)計(jì)。E-mail:xuepiaomengfei@163.com。