汽车EPS热保护机理浅析
2021-07-08岳法李兴丽刘春梅
岳法 李兴丽 刘春梅
摘 要：实际工作中，电动助力转向系统（以下简称EPS）热保护策略设置不合理，会导致出现诸多故障问题。本文深入研究不同供应商的EPS热保护策略，并基于某车型在实际工作中出现EPS助力电机失效，致EPS失去助力的问题，结合实车测试对热保护策略进行修订，从根本上解决热保护策略设置不合理导致的无助力问题。
关键词：电动助力转向系统 控制器 电机 热保护策略
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
近年来，电动助力转向系统（Electronic Power Steering，简称EPS）逐渐在国内外许多车型上用，具有广阔的发展前景[1]。汽车在转向时，转矩传感器会检测到转向盘的力矩和转动的方向，这些信号通过数据总线发给电子控制单元，电子控制单元根据转向盘转动力矩、方向以及车辆速度等信号，向电机控制器发出动作指令，电机根据需要输出相应大小的转动力矩来产生助力。
实际开发中，由于控制策略匹配不合理，为汽车带来了许多问题，主要集中在基本助力、阻尼补偿和主动回正等控制策略。但在实际工作中，热保护策略设置不合理，也会带来诸多问题，导致出现抱怨。
2 EPS热保护策略
控制器和电机在工作过程中都会发热，发热量与电流的大小有关，电流越大发热量越大。热保护策略主要是通过对电机、控制器内部温度或发热量的持续监测，来控制系统输出电流。目前EPS热保护主要分为两类，基于温度信号的保护和电流积分保护，两者均是在常规转向过程中，实时进行热保护，两者的区别则是否具有直接的温度传感器（热敏电阻）。
2.1 基于温度信号的热保护
通过获取当前热敏电阻的温度、电机电流、PWM值，估算出控制器内部不同区域关键器件的当前温度[2]，对助力电流上限做出限制，最大程度的保证ECU/电机不被过热损坏，同时尽量降低对正常转向操作的影响。各家供应商的热保护策略各有不同，下面对各供应商的控制策略进行详细分析。
2.1.1 A供应商
A供应商的热保护策略包括基于ECU的温度限制电流输出以及基于ECU温度和电机电流两种类型，见图1。
其中，基于ECU温度和电机电流控制更为精准，主要是依据电机Q轴、D轴电流积算电流（积分），通过积算电流和ECU的温度对电流进行限制。
积算电流=前一次的积算电流+K*（Q轴电流+D轴电流-11.4A）（2-1）
比例系数K根据ECU温度选取，根据积算电流，查找limit电流，对输出电流进行限制。
2.1.2 B供应商
B供应商热保护原理图，见图2。
确定助力电流上限的步骤：
（1）根据温度傳感器的测量数据，得出发热量估算所需的系数。
（2）根据发热量估算系数，并结合温度传感器测量值和电机电流，估算电机的累积发热量。
（3）根据电机的累积发热量，查表1得出相对应的助力电流上限A。若测得温度在85～110℃之间，则对应的电流上限值使用一次线性插值的方法确定。
（4）根据温度传感器的输出，确定对应的助力电流上限B。
（5）取助力电流上限A、B的最小值作为最终的助力电流上限值。
2.2 电流积分保护
对于控制器没有温度传感器的EPS系统，控制器温度无法直接监测，需根据电流进行积分估算，从而对系统工作电流进行控制，降低系统发热量，见图3。
2.2.1 C供应商
根据电机电流的大小及作用时间，估算出电机的热量累积数值，当估算出的热量累计数值到达一定大小时，按照设定的控制策略降低电机电流上限以保护电机（图4）。
2.2.2 D供应商
①确定热保护系数：
如图5所示，依据电机和控制器的温度特性，确定温度保护系数Kh。图中Im0为温度保护模式下的电机电流平衡点，Im1为电机最大电流，Kh1为电机电流等于Im1时的温度保护系数，Kh2为电机电流等于零时的温度保护系数。
②保护工作过程：
T1为电机电流Im1下开始保护的时间，T3为电机电流从Im1到Im0需要的时间。
③热保护自恢复过程：
T2为电机电流从Im0到Im1所需时间。
通过上述分析可知，不同供应商的热保护策略均不同，但是，热保护策略设置应合理，过于宽松的保护策略，起不到保护效果，严重的会导致电机烧蚀，出现无助力的现象。过严的热保护，会频繁进入保护模式，助力降级，导致用户的抱怨。
3 某车型无助力问题研究
3.1 问题来源
某车型在路试中，出现EPS助力电机失效，导致EPS失去助力，对驾驶安全产生重大风险，该问题亟需解决。
3.2 问题确认
首先对故障车辆进行试车确认，启动后转动转向盘手感明显沉重，故障码为C143D1D（助力电机实际电流和目标电流差异过大），测量EPS电机阻值无变化，初步判定为EPS电机故障，拆解故障电机，得出电机碳刷架烧蚀是导致EPS系统无助力的直接原因。
主要围绕电机烧蚀原因进行排查。排查发现电机存在碳刷架耐温性能不足、导电片有毛刺等问题，但这些问题导致的故障率远小于试车的表现，与故障率无法对应。
为进一步改善该问题，对EPS热保护策略进行研究。热保护策略借用原某车型策略，助力电流过大，原地可打20多圈。在整车试验中，原地转向27min左右电机烧坏，试验中热保护策略介入，EPS仍然可以正常转向，即热保护策略未起到实际保护作用。
3.3 效果验证
为更加合理的设置热保护参数，制定兼顾性能和安全的验收标准，通过对标和多轮实车测试优化，形成固化后的热保护控制参数，见图8。
使用修改前、后的两版软件分别对电机进行台架试验，电机电刷温升数据对比图9。试验结果表明，使用新版软件后，温度下降非常明显，且整体温度控制在220℃以下，刷架耐温270℃，不会带来烧蚀问题。
同时，对新版软件进行测试，按照标准完成六个循环电流采集数据，见图10。从检测电流可知，在第六个循环结束时，电流开始下降，实车无明显感觉，第七个循环中期转向力明显上升，满足标准要求。
在多弯道的盘山公路进行实车测试，见图11。可知全程未出现无助力或助力降级的现象，山路工况下电机电流基本工作在20A以下，因此，現有热保护策略可以覆盖该典型工况。
新版软件刷写至试验车辆，故障现象消失，达到预期效果。
4 结语
本文从EPS应用中常遇到的热害问题出发，对各供应商的热保护策略进行了梳理，以解决某款车型行驶过程转向无助力问题为契机，完成了热保护的重新设定，通过实验验证，从根本上解决了热保护设置不合理导致的无助力问题。
参考文献：
[1]王全明.汽车电动助力转向系统设计与性能仿真评价研究[D].长沙：湖南大学，2009.
[2]张旭东.热保护元件在微电机中的应用[J].微电机.2003.5.
