電動助力轉向系統電磁兼容測試方法研究

聶俊彥

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電動助力轉向系統電磁兼容測試方法研究

聶俊彥

（博世華域轉向系統有限公司，上海 201821）

文章首先介紹汽車零部件電磁兼容測試現狀及發展趨勢，隨后具體闡述電動助力轉向系統（EPS）的工作原理，并對EPS電磁兼容測試項目、測試方法、以及具體的測試工況選擇等方面進行分析，最后總結出適合EPS的試驗方法。

電動助力轉向系統；電磁兼容測試；汽車電子零部件

前言

汽車電子技術已經成為了現代汽車發展的重要組成部分：一方面，電子技術的廣泛應用極大的提高了汽車的經濟性、安全性及舒適性。但是另一方面，由于各類電子部件的存在，使得有限的車內空間的電磁環境也變得越來越復雜，如模擬電路和數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品的電磁兼容安全風險。電動助力轉向系統作為汽車最為重要的高等級安全零部件之一，其電磁兼容性能對整車電磁安全至關重要，但目前國內車企對電動助力轉向系統的電磁兼容測試方法仍缺乏較為系統的研究。因此，對電動助力轉向系統的EMC測試方法進行系統研究，具有一定實際意義。

1 汽車零部件電磁兼容測試概述

EMC（Electro Magnetic Compatibility，EMC）指的是設備能夠在它預期的電磁環境中按照設計要求正常工作并且不干擾在同一環境中其他設備的能力[1]。汽車零部件電磁兼容技術，主要是研究汽車零部件在其電磁環境中能令人滿意地工作，又不對該環境中任何事物造成不應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品在工作過程中通過對外界空間和其他產品造成的干擾，主要包括輻射發射、傳導發射、瞬態傳導發射等。

（2）EMS（電磁抗干擾）是指汽車電子零部件產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、傳導抗干擾、靜電放電等。

2 EPS系統的工作原理

EPS系統主要由ECU（電子控制單元）、扭矩傳感器、RPS（電機角度傳感器）、電機以及機械傳動機構組成。圖1是某管柱式電動助力轉向系統的工作原理：輸入扭矩傳感器采集駕駛者施加的手力扭矩大小、角度傳感器負責采集EPS電機的轉角及位置、并以模擬或者數字信號的形式發送至ECU，整車信號如車速、輪速、發動機轉速等以CAN信號的形式發送至ECU。ECU中集成了相應的控制軟件及算法，可基于傳感器采集到的扭矩、角度信號以及相關的車速、發動機轉速等整車信號，按照算法中預設的助力特性曲線控制電機相電流產生相應的輸出助力扭矩，最終通過相應的機械傳動機構轉換至轉向機的輸出齒條力[3]。

圖1 管柱式電動助力轉向系統工作原理

EPS按照驅動單元安裝位置不同可分為管柱式和非管柱式兩大類。管柱式電動助力轉向系統的驅動單元位于乘客艙，安裝在轉向管柱上。非管柱式電動助力轉向系統驅動單元安裝在轉向機上，位于發動機前艙，根據助力傳動方式不同又包括有雙齒輪式、平行輪式等類型。

3 EPS產品EMC測試項目

在選擇EPS需要執行的EMC測試項目時，應充分考慮各測試項目的原理、EPS安裝位置以及工作原理等因素。

（1）輻射發射測試：輻射發射測試是為了被測件及其部件所產生的輻射發射，包括來自殼體、所有部件、電纜及連接線上的輻射發射[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，模擬電路與數字電路混合應用，潛在騷擾源數量和類型較多，應按照標準對EPS產品進行全頻段的輻射騷擾檢測。

（2）傳導發射測試：對于EPS產品，應當執行電壓法和電流法兩種方法的傳導發射試驗。其中電壓法主要針對EPS的電源線端口，電流法則針對EPS信號線、也就是CAN線和點火線進行測試。EPS的傳感器線束與整車無信號交互，且普遍長度只有數十厘米，可以不進行測試。

（3）瞬態傳導發射測試：瞬態傳導發射測試主要是用于考察產品在工作時由于繼電器、開關、大功率的感性器件等電子器件的瞬間通斷產生瞬時高壓脈沖，經過供電線對整車及其他零部件產品造成沖擊[6]。在制定測試方案時，要結合EPS產品的硬件設計情況來決定是否需要執行這項測試。例如EPS產品不含繼電器、開關器件、有刷電機電刷或類似大功率器件，且具有良好的緩沖電路設計時，可以考慮不執行該項試驗。

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

圖2 磁場發射強度-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EPS的電源線及信號線進行大電流注入實驗。

（6）自由場法：針對400MHz以上的抗干擾試驗，目前大多數的汽車電磁兼容標準要求采用自由場法進行測試。

圖3 磁場抗擾度-探頭位置示例圖

（7）磁場抗擾度試驗: 應針對EPS產品中的磁敏感器件如霍爾型扭矩傳感器及角度傳感器進行測試。應對產品的每個面分別測試[5]，并根據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產品的磁場抗干擾試驗探頭位置示意圖，分別從不同的角度對輸入扭矩傳感器和電機角度傳感器進行測試。

（8）便攜式發射機測試：該測試主要用于模擬對講機、手機等手持式發射源設備的產生的干擾，一般適用于安裝位置位于乘客艙內、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備（比如手機）的零部件產品。比如汽車駕駛艙中控臺的操作面板、收音機等設備。非管柱式EPS產品的電子單元位于汽車前艙，一般不需要執行該測試。管柱式EPS產品一般安裝在乘客艙中控臺下方，應根據不同車型EPS附近的整車布置情況，評估手持式設備干擾的風險，以確定是否需要執行該項測試。

（9）電源線瞬態傳導抗擾度測試：EPS產品常用的電源線包括正極線和點火線，測試中不但應該同時對所有電源線進行注入試驗，還應該單獨對每根線束進行測試。

（10）信號線瞬態傳導抗擾度測試： EPS一般采用CAN信號進行通訊，因此這項測試主要針對CAN信號進行測試。考慮到點火線作為與點火信號傳輸線，有時也需要對點火線進行測試。

（11）傳感器線束瞬態傳導抗擾度測試：傳感器線束為EPS內部線束，與整車系統并無關聯，一般不對此項試驗作要求。但是在某些情況下，比如EPS的傳感器線束暴露在系統外部且缺乏屏蔽保護，或由于車輛內部零部件布局原因導致EPS傳感器線與其他零部件大電流線束有較大耦合風險。應當根據實際車輛布局評估風險，確定是否需要執行該項測試。

（12）靜電放電測試：EPS在裝配、運輸、使用及售后維修過程中，都存在不同程度的靜電風險。因此需要對EPS的靜電抗擾度性能進行嚴格檢測。選擇放電點時應盡量全面，包括ECU、電機、傳感器等零件殼體，螺栓螺釘安裝點，殼體縫隙，ECU各Pin針等在內的所有潛在靜電風險點都應進行測試，如圖4為某EPS產品靜電放電的放電點示意圖：

圖4 靜電放電測試點示意圖

4 EPS EMC測試工況

除了測試項目的選擇外，使用合理的EPS測試工況進行測試也十分重要。針對EMI和EMS兩類測試，應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產品對外產生的輻射或者傳導干擾強度。因此在進行EMI測試時，應當使EPS在盡可能大的負載情況下連續工作。可以通過外部夾具給EPS產品輸入軸施加扭矩、并鎖止EPS輸出端，使得EPS電機工作在大電流堵轉狀態。這種方式可以使EPS工作在一個較為穩定的大電流大負載工況下，從而測得EPS對外輻射值的大小。由于EPS產品在額定最大負載情況下電機發熱較大，只能穩定工作很短時間，隨后會出現電機過熱、助力下降的情況，導致測試工況無法持續。因此在具體選擇負載量時，應當綜合考慮：既要使EPS的工作電流盡可能接近額定電流，也應當避免EPS因為電機或ECU過熱導致助力下降或者產品無法穩定工作等情況。

以某管柱式EPS產品為例，其電機額定最大單相工作電流為80A，額定工作溫度范圍為 -40℃至 85℃。為了更為嚴苛的考察EPS EMI性能，應使其最大相電流盡可能接近80A。然而在實際調試中發現，在最大相電流超過60A的情況下，電機溫度會在15min內上升至超過85℃，導致EPS出現助力下降的情況。因此，最終確認的最大堵轉相電流為55A，在有外部冷卻裝置的情況下，EPS可穩定工作超過1h以上。如圖5所示，電機溫度T_PHU上升至80℃所需時間超過一小時。

圖5 電機溫度變化示意圖

4.2 EMS測試工況

EMS測試主要考察EPS產品在外部電磁干擾條件下正常工作的能力。因此在試驗過程中需要對EPS產品的輸入扭矩、輸出扭矩、角度、電機位置、電流、電壓、內部溫度等各項關鍵參數進行精確的測量。

EPS在實際使用過程中狀態多樣，輸入輸出扭矩、電流及負載大小都在隨時發生變化。為了更好的模擬EPS實際工況，并較好的實現信號的監控，一般可以采用幾種工況進行EPS的EMS試驗：

（1）空載模式：無扭矩輸入、無負載，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電機堵轉并產生一定大小的電流，用于模擬EPS存在一定負載的工況。EMS測試的負載應小于EMI測試，以某產品的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動，EPS處于未點火狀態的工況。測試該工況的目的是為了避免EPS在外部電磁干擾下出現自行喚醒或啟動之類的誤動作。

5 結論

EPS產品EMC測試的具體方法，應當在符合標準要求的基礎上，充分考慮EPS產品的類型、產品結構、安裝位置、硬件設計及具體包含的元器件，并結合整車布局情況進行全面評估。本文主要對電動助力轉向系統的電磁兼容測試方法進行了研究，分析了不同測試項目對EPS的適用性、提出了不同測試項目應使用的測試工況，最終形成了針對EPS產品的EMC測試方案。

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

[2] 徐立.我國汽車電磁兼容技術發展狀況[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.電子產品設計EMC風險評估.電子工業出版社,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.汽車電動助力轉向系統的電磁兼容性設計[C].中國汽車工程學會年會論文集,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，現任博世華域轉向系統有限公司產品研發部電磁兼容試驗室主管，主要從事電動助力轉向系統電磁兼容方面的工作。