EPS控制器電磁兼容性分析與整改

肖潔,趙斌,游永鋒,林聯偉

(中航工業株洲易力達機電有限公司，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,林聯偉

(中航工業株洲易力達機電有限公司，湖南株洲 412002)

電磁兼容性是考核汽車電動助力轉向系統(EPS)控制器可靠性的一個重要方面。通過對輻射發射、傳導發射、傳導抗擾、輻射抗擾、大電流注入及靜電放電等6個試驗進行分析和整改，提升了產品的電磁兼容特性，為控制器后續的開發奠定了基礎。

EPS控制器；電磁兼容；分析與整改

0 引言

隨著汽車電控技術的不斷發展，車載電子設備數量大大增加，電路工作頻率逐漸提高，功率也漸漸增大，導致汽車工作的周圍環境電磁干擾日益嚴重，電路日趨敏感，從而影響電子設備的正常運行，進一步威脅到汽車行駛的可靠性與安全性。由此每一個想把產品成功推向市場的企業和設計者，都必須慎重對待產品的電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)問題。

電動助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)具有高效、節能、環保、路感好等一系列優點，因而在汽車行業得到了愈來愈廣泛的應用[1]。EPS系統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、轉向管柱總成等部件。其中控制器作為整個EPS系統的控制核心，其電磁兼容性能顯得尤為重要。

文中主要針對采用GMW3097和CISPR25標準的EPS控制器電磁兼容性問題進行了一些簡單分析，由于PCB設計初期比較注重EMC問題，所以實際試驗中的整改難度相對而言下降了很多。

1 輻射發射(RE)和傳導發射(CE)

圖1為整改之前的測試波形，可以看出：整個低頻段超標比較明顯，而低頻段屬于寬帶噪聲，主要為功率電源或寬帶噪聲源所發出[2]，EPS中最有可能產生寬帶噪聲的為助力電機及相關驅動電路。通過多次試驗進行整改和驗證：調節控制助力電機工作的PWM平滑度，可以從很大程度上抑制對寬頻噪聲的干擾，從而達到試驗標準的要求。具體整改體現在改變助力電機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整改中將電源線遠離電機線，或者對電機線進行屏蔽處理，測試效果會更理想。整改后的波形如圖2所示。

2 傳導抗擾(CI)

傳導抗擾試驗主要體現在電源線和點火線施加pulse 5b波形時，多次出現損壞助力電機預驅動芯片和TVS管的現象。分析發現選用的TVS管不能完全抑制pulse 5b所帶來的瞬態沖擊，容易被擊穿導致電源與地短路，解決辦法是重新選用一個大功率的專用型TVS管[3]。而在預驅動芯片受損方面，解決起來則稍費周折。結合原廠供應商提供的損壞原因分析報告可知：故障均為電源Vbb受損，即與Vbb相連的穩壓二極管E138過壓擊穿而導致短路。電源接口電路見圖3。

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

3 輻射抗擾(RI)

輻射抗擾試驗主要考核ECU對來自周圍電磁輻射的抗干擾能力。在400 MHz～1 GHz高頻段時，監控到PWM信號和電機電流會出現非常明顯的波動，尤其是應該保持不變的轉速信號波動異常大，具體見圖4。結合日常測試多次碰到的現象——示波器探頭靠近采樣電路時，控制器的正常運行會受到明顯影響，初步分析是電流采樣電路受到了干擾，通過EMC試驗更證實了此點。為了將該干擾導出控制器，先在采樣芯片的輸入端增加一個100 pF的對地電容C1，測試后發現波動情況略有好轉，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。為更好地找準整改點，去掉C1，保留C2，干擾依舊，由此可見，干擾信號輸入的前級和后級應同時進行整改[4]。

4 大電流注入(BCI)

大電流注入試驗同樣考核ECU的抗干擾能力，其注入點包括150、450、750及1 500四處，試驗中450這個點出現了電機電壓和PWM信號變化異常的現象，但電機電流卻保持不變。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電源部分干擾信號的泄放[5]，這是問題的關鍵所在，因此應在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，同時考慮到電容靠近螺釘安裝處，為避免器件斷裂導致短路，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，因此電子電氣產品更不能忽視靜電的存在。但相比上述4項試驗，靜電放電的整改要簡單一點，采取在各信號接口處并接去耦電容來增強ECU的抗擾能力，而電容容值的大小則依據具體試驗情況和產品電特性而定。其中CAN通信接口可安裝專用型的ESD保護二極管，試驗過程中CANL和CANH電纜應進行雙絞處理[6]，試驗布置見圖6和圖7。

6 結論

EMC認證是檢驗產品電磁兼容性的一個有效途徑。對EPS控制器進行多次試驗和整改，在提高ECU抗擾能力的同時，也降低了產品本身對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.汽車電動助力轉向控制器的研究[J].機床與液壓，2008，36(7)：382-384.

【2】 朱文立，陳燕，肖猛.電磁兼容設計與整改對策及案例分析[M].北京：電子工業出版社，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[M].劉萍，魏東興,譯.北京：機械工業出版社，2008.

【4】 PAUL Clayton R.電磁兼容導論[M].聞映紅,譯.北京：人民郵電出版社，2007.

【5】 王萍.淺談PCB電磁兼容設計[J].電子質量，2010，10(8)：73-75.

【6】 經緯，閆美云.傳輸線端接對電磁兼容的影響[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控制器硬件設計。E-mail:xuepiaomengfei@163.com。