電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電磁兼容測試方法研究

聶俊彥

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電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電磁兼容測試方法研究

聶俊彥

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201821）

文章首先介紹汽車零部件電磁兼容測試現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，隨后具體闡述電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的工作原理，并對(duì)EPS電磁兼容測試項(xiàng)目、測試方法、以及具體的測試工況選擇等方面進(jìn)行分析，最后總結(jié)出適合EPS的試驗(yàn)方法。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電磁兼容測試；汽車電子零部件

前言

汽車電子技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要組成部分：一方面，電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大的提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性及舒適性。但是另一方面，由于各類電子部件的存在，使得有限的車內(nèi)空間的電磁環(huán)境也變得越來越復(fù)雜，如模擬電路和數(shù)字電路混合的情況日益普遍、電路工作頻率的快速升高，這些都大大提高電子產(chǎn)品的電磁兼容安全風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車最為重要的高等級(jí)安全零部件之一，其電磁兼容性能對(duì)整車電磁安全至關(guān)重要，但目前國內(nèi)車企對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電磁兼容測試方法仍缺乏較為系統(tǒng)的研究。因此，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EMC測試方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，具有一定實(shí)際意義。

1 汽車零部件電磁兼容測試概述

EMC（Electro Magnetic Compatibility，EMC）指的是設(shè)備能夠在它預(yù)期的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)要求正常工作并且不干擾在同一環(huán)境中其他設(shè)備的能力[1]。汽車零部件電磁兼容技術(shù)，主要是研究汽車零部件在其電磁環(huán)境中能令人滿意地工作，又不對(duì)該環(huán)境中任何事物造成不應(yīng)有的電磁干擾的能力[2]。汽車電子零部件EMC測試按照測量的方式可以分為EMI與EMS兩大類：

（1）EMI（電磁干擾）是指汽車電子零部件產(chǎn)品在工作過程中通過對(duì)外界空間和其他產(chǎn)品造成的干擾，主要包括輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射等。

（2）EMS（電磁抗干擾）是指汽車電子零部件產(chǎn)品抵抗外界電磁干擾并保持正常工作的能力，主要包括輻射抗干擾、傳導(dǎo)抗干擾、靜電放電等。

2 EPS系統(tǒng)的工作原理

EPS系統(tǒng)主要由ECU（電子控制單元）、扭矩傳感器、RPS（電機(jī)角度傳感器）、電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。圖1是某管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：輸入扭矩傳感器采集駕駛者施加的手力扭矩大小、角度傳感器負(fù)責(zé)采集EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)角及位置、并以模擬或者數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送至ECU，整車信號(hào)如車速、輪速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等以CAN信號(hào)的形式發(fā)送至ECU。ECU中集成了相應(yīng)的控制軟件及算法，可基于傳感器采集到的扭矩、角度信號(hào)以及相關(guān)的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等整車信號(hào)，按照算法中預(yù)設(shè)的助力特性曲線控制電機(jī)相電流產(chǎn)生相應(yīng)的輸出助力扭矩，最終通過相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換至轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出齒條力[3]。

圖1 管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

EPS按照驅(qū)動(dòng)單元安裝位置不同可分為管柱式和非管柱式兩大類。管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元位于乘客艙，安裝在轉(zhuǎn)向管柱上。非管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)上，位于發(fā)動(dòng)機(jī)前艙，根據(jù)助力傳動(dòng)方式不同又包括有雙齒輪式、平行輪式等類型。

3 EPS產(chǎn)品EMC測試項(xiàng)目

在選擇EPS需要執(zhí)行的EMC測試項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)充分考慮各測試項(xiàng)目的原理、EPS安裝位置以及工作原理等因素。

（1）輻射發(fā)射測試：輻射發(fā)射測試是為了被測件及其部件所產(chǎn)生的輻射發(fā)射，包括來自殼體、所有部件、電纜及連接線上的輻射發(fā)射[4]。EPS控制電路既有工作在低頻段的 PWM控制模塊、CAN通訊模塊，又包含了工作在較高頻段的MCU芯片等模塊，模擬電路與數(shù)字電路混合應(yīng)用，潛在騷擾源數(shù)量和類型較多，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EPS產(chǎn)品進(jìn)行全頻段的輻射騷擾檢測。

（2）傳導(dǎo)發(fā)射測試：對(duì)于EPS產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)執(zhí)行電壓法和電流法兩種方法的傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)。其中電壓法主要針對(duì)EPS的電源線端口，電流法則針對(duì)EPS信號(hào)線、也就是CAN線和點(diǎn)火線進(jìn)行測試。EPS的傳感器線束與整車無信號(hào)交互，且普遍長度只有數(shù)十厘米，可以不進(jìn)行測試。

（3）瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射測試：瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射測試主要是用于考察產(chǎn)品在工作時(shí)由于繼電器、開關(guān)、大功率的感性器件等電子器件的瞬間通斷產(chǎn)生瞬時(shí)高壓脈沖，經(jīng)過供電線對(duì)整車及其他零部件產(chǎn)品造成沖擊[6]。在制定測試方案時(shí)，要結(jié)合EPS產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)情況來決定是否需要執(zhí)行這項(xiàng)測試。例如EPS產(chǎn)品不含繼電器、開關(guān)器件、有刷電機(jī)電刷或類似大功率器件，且具有良好的緩沖電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮不執(zhí)行該項(xiàng)試驗(yàn)。

（4）低頻磁場發(fā)射測試：低頻磁場主要作用在近場，且場強(qiáng)隨距離增加而快速減小。如圖2所示某產(chǎn)品的磁場發(fā)射測試結(jié)果，從距ECU表面0cm到10cm的距離內(nèi)，磁場強(qiáng)度衰減超過30dB。在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)該考慮EPS的安裝位置以及附近的整車布置情況來決定是否執(zhí)行該項(xiàng)測試。如果EPS的安裝位置一定距離范圍內(nèi)不存在低頻磁敏感器件，則可以考慮取消該項(xiàng)測試。

圖2 磁場發(fā)射強(qiáng)度-探頭距離衰減示例圖

（5）大電流注入：測試頻率為0.1-400MHz，針對(duì)EPS的電源線及信號(hào)線進(jìn)行大電流注入實(shí)驗(yàn)。

（6）自由場法：針對(duì)400MHz以上的抗干擾試驗(yàn)，目前大多數(shù)的汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求采用自由場法進(jìn)行測試。

圖3 磁場抗擾度-探頭位置示例圖

（7）磁場抗擾度試驗(yàn): 應(yīng)針對(duì)EPS產(chǎn)品中的磁敏感器件如霍爾型扭矩傳感器及角度傳感器進(jìn)行測試。應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的每個(gè)面分別測試[5]，并根據(jù)EPS中磁敏感器件的位置選擇具體施加磁場干擾的位置。圖3是某管柱式EPS產(chǎn)品的磁場抗干擾試驗(yàn)探頭位置示意圖，分別從不同的角度對(duì)輸入扭矩傳感器和電機(jī)角度傳感器進(jìn)行測試。

（8）便攜式發(fā)射機(jī)測試：該測試主要用于模擬對(duì)講機(jī)、手機(jī)等手持式發(fā)射源設(shè)備的產(chǎn)生的干擾，一般適用于安裝位置位于乘客艙內(nèi)、且駕駛者或者乘客可以在距離零部件極為貼近的距離放置手持式設(shè)備（比如手機(jī)）的零部件產(chǎn)品。比如汽車駕駛艙中控臺(tái)的操作面板、收音機(jī)等設(shè)備。非管柱式EPS產(chǎn)品的電子單元位于汽車前艙，一般不需要執(zhí)行該測試。管柱式EPS產(chǎn)品一般安裝在乘客艙中控臺(tái)下方，應(yīng)根據(jù)不同車型EPS附近的整車布置情況，評(píng)估手持式設(shè)備干擾的風(fēng)險(xiǎn)，以確定是否需要執(zhí)行該項(xiàng)測試。

（9）電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試：EPS產(chǎn)品常用的電源線包括正極線和點(diǎn)火線，測試中不但應(yīng)該同時(shí)對(duì)所有電源線進(jìn)行注入試驗(yàn)，還應(yīng)該單獨(dú)對(duì)每根線束進(jìn)行測試。

（10）信號(hào)線瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試： EPS一般采用CAN信號(hào)進(jìn)行通訊，因此這項(xiàng)測試主要針對(duì)CAN信號(hào)進(jìn)行測試?？紤]到點(diǎn)火線作為與點(diǎn)火信號(hào)傳輸線，有時(shí)也需要對(duì)點(diǎn)火線進(jìn)行測試。

（11）傳感器線束瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試：傳感器線束為EPS內(nèi)部線束，與整車系統(tǒng)并無關(guān)聯(lián)，一般不對(duì)此項(xiàng)試驗(yàn)作要求。但是在某些情況下，比如EPS的傳感器線束暴露在系統(tǒng)外部且缺乏屏蔽保護(hù)，或由于車輛內(nèi)部零部件布局原因?qū)е翬PS傳感器線與其他零部件大電流線束有較大耦合風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際車輛布局評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，確定是否需要執(zhí)行該項(xiàng)測試。

（12）靜電放電測試：EPS在裝配、運(yùn)輸、使用及售后維修過程中，都存在不同程度的靜電風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)EPS的靜電抗擾度性能進(jìn)行嚴(yán)格檢測。選擇放電點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量全面，包括ECU、電機(jī)、傳感器等零件殼體，螺栓螺釘安裝點(diǎn)，殼體縫隙，ECU各Pin針等在內(nèi)的所有潛在靜電風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)都應(yīng)進(jìn)行測試，如圖4為某EPS產(chǎn)品靜電放電的放電點(diǎn)示意圖：

圖4 靜電放電測試點(diǎn)示意圖

4 EPS EMC測試工況

除了測試項(xiàng)目的選擇外，使用合理的EPS測試工況進(jìn)行測試也十分重要。針對(duì)EMI和EMS兩類測試，應(yīng)分別選擇不同的測試工況。

4.1 EMI測試工況

EMI測試主要為了考察EPS產(chǎn)品對(duì)外產(chǎn)生的輻射或者傳導(dǎo)干擾強(qiáng)度。因此在進(jìn)行EMI測試時(shí)，應(yīng)當(dāng)使EPS在盡可能大的負(fù)載情況下連續(xù)工作?？梢酝ㄟ^外部夾具給EPS產(chǎn)品輸入軸施加扭矩、并鎖止EPS輸出端，使得EPS電機(jī)工作在大電流堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。這種方式可以使EPS工作在一個(gè)較為穩(wěn)定的大電流大負(fù)載工況下，從而測得EPS對(duì)外輻射值的大小。由于EPS產(chǎn)品在額定最大負(fù)載情況下電機(jī)發(fā)熱較大，只能穩(wěn)定工作很短時(shí)間，隨后會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過熱、助力下降的情況，導(dǎo)致測試工況無法持續(xù)。因此在具體選擇負(fù)載量時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮：既要使EPS的工作電流盡可能接近額定電流，也應(yīng)當(dāng)避免EPS因?yàn)殡姍C(jī)或ECU過熱導(dǎo)致助力下降或者產(chǎn)品無法穩(wěn)定工作等情況。

以某管柱式EPS產(chǎn)品為例，其電機(jī)額定最大單相工作電流為80A，額定工作溫度范圍為 -40℃至 85℃。為了更為嚴(yán)苛的考察EPS EMI性能，應(yīng)使其最大相電流盡可能接近80A。然而在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在最大相電流超過60A的情況下，電機(jī)溫度會(huì)在15min內(nèi)上升至超過85℃，導(dǎo)致EPS出現(xiàn)助力下降的情況。因此，最終確認(rèn)的最大堵轉(zhuǎn)相電流為55A，在有外部冷卻裝置的情況下，EPS可穩(wěn)定工作超過1h以上。如圖5所示，電機(jī)溫度T_PHU上升至80℃所需時(shí)間超過一小時(shí)。

圖5 電機(jī)溫度變化示意圖

4.2 EMS測試工況

EMS測試主要考察EPS產(chǎn)品在外部電磁干擾條件下正常工作的能力。因此在試驗(yàn)過程中需要對(duì)EPS產(chǎn)品的輸入扭矩、輸出扭矩、角度、電機(jī)位置、電流、電壓、內(nèi)部溫度等各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確的測量。

EPS在實(shí)際使用過程中狀態(tài)多樣，輸入輸出扭矩、電流及負(fù)載大小都在隨時(shí)發(fā)生變化。為了更好的模擬EPS實(shí)際工況，并較好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的監(jiān)控，一般可以采用幾種工況進(jìn)行EPS的EMS試驗(yàn)：

（1）空載模式：無扭矩輸入、無負(fù)載，利用夾具鎖死EPS輸入軸，放開輸出軸。該測試工況主要模擬車輛駐車或執(zhí)行的工況。

（2）帶載模式：利用夾具鎖死輸出軸，在輸入軸施加一定扭矩，使EPS電機(jī)堵轉(zhuǎn)并產(chǎn)生一定大小的電流，用于模擬EPS存在一定負(fù)載的工況。EMS測試的負(fù)載應(yīng)小于EMI測試，以某產(chǎn)品的EPS抗干擾測試為例，只需要在輸入端施加2-3Nm的扭矩值。

（3）睡眠模式：該工況主要模擬車輛未發(fā)動(dòng)，EPS處于未點(diǎn)火狀態(tài)的工況。測試該工況的目的是為了避免EPS在外部電磁干擾下出現(xiàn)自行喚醒或啟動(dòng)之類的誤動(dòng)作。

5 結(jié)論

EPS產(chǎn)品EMC測試的具體方法，應(yīng)當(dāng)在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，充分考慮EPS產(chǎn)品的類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝位置、硬件設(shè)計(jì)及具體包含的元器件，并結(jié)合整車布局情況進(jìn)行全面評(píng)估。本文主要對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電磁兼容測試方法進(jìn)行了研究，分析了不同測試項(xiàng)目對(duì)EPS的適用性、提出了不同測試項(xiàng)目應(yīng)使用的測試工況，最終形成了針對(duì)EPS產(chǎn)品的EMC測試方案。

[1] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測試案例分析（第二版）.電子工業(yè)出版社,2010:1-2.

[2] 徐立.我國汽車電磁兼容技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[J].安全與電磁兼容,2013: 1-3.

[3] Fan Changsheng, Guo Yanling, Design of the Auto Electric Power Steering System Controller. International Workshop on Information and Electronics Engineering(IWIEE),2012:1-2.

[4] 鄭軍奇.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.電子工業(yè)出版社,2018:7～8.

[5] ISO 11452-8: 2015, Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 8: Immunity to magnetic fields.

[6] 丁一夫,高明秋,王昌文,等.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)[C].中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2009.

Research on electromagnetic compatibility test method of electrical powersteering system

Nie Junyan

（Bosch HUAYU Steering System Co. Ltd, Shanghai 201821）

This paper introduces the current status and future trend of automotive electromagnetic compatibility test firstly, then introduce the EPS working principle, and make detailed analysis on the EPS EMC test items, test methods and test mode. At the end of article, a summary of EPS EMC test proposal is summed up.

Electrical Power Steering System (EPS); Electro Magnetic Compatibility Test; Automotive Electric Component

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.046

U469.72

A

1671-7988(2019)10-133-04

U469.72

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1671-7988(2019)10-133-04

聶俊彥，男，本科，現(xiàn)任博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品研發(fā)部電磁兼容試驗(yàn)室主管，主要從事電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電磁兼容方面的工作。