汽車電動轉向系統中的電機控制技術與可靠性分析

中圖分類號：U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0140-03

MotorControl Technology and Reliability Analysis in Electric Steering System of Automobil

Zhang Junyu

（Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou 45ooo8，China）

【Abstract】As the electrificationand intelligence of vehicles accelerate，electric power steering（EPS）systems， as thecoreactuatorforvehicle handling safetyand driving experience，have becomea key technological area in new energy intellgentvehicles.Traditional mechanical hydraulicsteeringsystemssufferfromhighenergyconsumptionand delayed dynamicresponse.Current EPS systems face challenges such asnonlinear fluctuations inasstcharacteristics undercomplexoperatingconditions，multi-physics fieldcoupling interference，andupgraded functionalsafetyrequirements. The corecontradictionisreflected in thebalance between motorcontrolaccuracyand systemlong-termreliability.This papersystematicallyinvestigateskeytechnical issesrelatedtomotorcontrolandreliabilityassuranceinautomotive electric stering systems，aiming to provide theoretical support and practical models for the optimization andupgradeof intelligent electric vehicle safety architectures.

【Key Words】 electric steering；motor control；vehicle steering system

電動助力轉向系統（ElectricPowerSteering，EPS）作為替代傳統液壓裝置的核心電控執行機構，憑借其精準助力特性與能量回收能力，已成為提升車輛操控安全性與能效經濟性的關鍵載體。同時，智能駕駛等級向 L3+ 演進對轉向系統提出更嚴苛要求：一方面需實現轉向力矩的毫米級動態調節以保證車道保持與緊急避障功能；另一方面必須在高振動、寬溫域等復雜工況下維持十年以上的服役壽命。當前EPS技術發展面臨多重技術壁壘?？刂茖用嫔?，轉向電機需在機械阻抗快速變化時仍保持轉矩輸出穩定性，而路面激勵的隨機性與駕駛行為的不確定性導致傳統PID控制難以保證全域工況下的助力平順性。可靠性維度上，EPS執行器長期承受交變機械應力與電力電子器件的熱應力耦合作用，易誘發傳感器漂移、繞組絕緣老化等潛在失效模式，而現有驗證方法多依賴標準測試工況，對實際復雜運行

環境的模擬仍有不足[2]。

1EPS系統架構及電機動力學模型

1.1系統組成與原理

EPS系統本質為傳感器-控制器-執行器的閉環伺服控制系統，其構成與功能見表1。

控制系統以扭矩傳感器信號為輸入基準，結合車速、轉向角等參數構建助力特性MAP圖，通過電流閉環調控實現可變助力比輸出。ECU同時監測電機繞組溫度、電源電壓等狀態參數，觸發過載降額或失效安全模式以保證功能完整性。

1.2 動力學建模

永磁同步電機在旋轉坐標系（d-q軸）下的動態方程為：

式中： u_d 、 u_q —d、q軸電壓分量； i_d 、 i_q? 1電量分流； ω_e —電角速度； ψ_f —永磁體磁鏈。電磁轉矩方程可表述為：

式中： P ——極對數。通過磁場定向控制（FOC）實現 i_d⁼0 策略，可使轉矩輸出與 i_q 呈線性關系，簡化動態響應特性。

2 電機控制技術

2.1 控制策略優化

2.1.1 模型預測控制

模型預測控制基于滾動優化與反饋校正機制，在EPS電機控制中可有效解決多變量耦合、非線性約束等復雜問題。其核心架構包括預測模型、目標函數與約束優化三部分：通過建立電機的離散狀態空間模型預測未來若干步長的系統行為，再以轉矩波動抑制、電流飽和規避為優化目標，求解有限時域內的最優控制序列，最終實現控制量的實時更新。針對EPS系統中助力特性與路面擾動的動態適配需求，模型預測控制（Model PredictiveControl，MPC）可通過調整權值矩陣平衡轉向輕便性與路感反饋的矛盾3。如在蛇行避障工況下，高權重轉矩跟蹤可增強響應速度；而在泊車場景中，降低電流變化率約束可提升低速助力平順性。MPC的突出優勢在于顯式處理系統約束的能力，例如通過電流環限幅保護逆變器開關器件，或引入轉向角速率約束避免機械結構超調失效。然而，實時求解二次規劃問題對ECU算力提出較高要求，需采用顯式MPC（eMPC）或簡化模型降低計算復雜度。

2.1.2 自適應滑?？刂?/p>

自適應滑模控制通過設計滑模面及趨近律，可實現EPS電機系統在參數攝動與外界干擾下的強魯棒性。以電機參考轉矩跟蹤為例，定義滑模變量為轉矩誤差的線性組合，通過調節切換增益迫使系統狀態沿預設滑模面收斂。在傳統滑?？刂浦?，固定切換增益易導致高頻抖振，造成齒輪沖擊與電流諧波污染，而引入自適應機制可動態調整增益幅值，既維持對負載突變、齒隙非線性的抑制能力，又顯著削弱抖振現象。針對永磁同步電機參數時變特性（如繞組電阻溫升、磁鏈衰減），ASMC融合參數辨識算法，構建Lyapunov函數在線更新控制器參數，確保系統在全工況范圍內的穩定收斂。例如，當電機溫升導致銅損增加時，自適應觀測器實時修正定子電阻估計值，滑模面的等效控制項隨之動態補償電壓偏移量。同時，結合干擾觀測器（DisturbanceObserver，DOB）或模糊邏輯，可進一步降低對模型精度的依賴，提升控制系統應對路面隨機激勵的動態適配能力。

2.1.3 容錯控制機制

容錯控制通過故障檢測、診斷與重構的閉環邏輯，保障EPS系統在傳感器失效、電機退磁等異常工況下的功能安全。其架構可分為被動式與主動式兩類：被動容錯依賴魯棒控制器設計（如H控制、冗余執行機構），在預設故障模式下維持基礎功能；主動容錯則通過故障診斷算法（FaultDiagnosisAlgorithm，FDA）實時定位異常源，并觸發控制策略切換或參數自適應補償。當扭矩傳感器信號異常時，冗余轉角傳感器與電機電流的融合估計可重構轉向力矩信息；在逆變器單相開路故障下，通過調整剩余兩相脈沖寬度調變（PulseWidthModulation，PWM）占空比重構旋轉磁場，實現降級模式下的連續助力能力。關鍵技術環節包括故障靈敏性設計、多源信息融合與快速重構策略。基于奇異值分解的殘差生成器可增強對微小偏差的檢測敏感度；聯邦卡爾曼濾波算法融合電機電流、轉子位置與溫度等多維度數據，有效區分機械卡滯與電路故障；基于有限狀態機的控制模式切換邏輯，可在 20ms 內完成故障隔離與冗余備份激活。

2.2 算法實現

電機控制算法的工程落地需統籌考慮軟件架構、硬件資源與實時性約束，其實現過程本質上是理論模型向嵌入式系統的高度適配與優化過程。首先以V型開發流程為基礎，通過模塊化設計將MPC、自適應滑模控制（AdaptiveSlidingModeControl，ASMC）等算法轉換為符合AutoSAR規范的C代碼，核心在于對計算密集型任務的分層處理：狀態預測與滾動優化等高階運算依托二次規劃（QuadraticProgramming，QP）求解器（如qOASES）實現離線矩陣預處理與在線迭代解耦，大幅縮短單步求解耗時，同時通過靜態內存分配與單指令多數據運算（SingleInstruction

MultipleData，SIMD）指令加速（如ARMCortex-M7的DSP擴展）規避實時計算中的內存碎片化與算力瓶頸。

實時操作系統（Real Time Operate System，RTOS）層面，針對英飛凌（Infineon）Aurix多核微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）設計的混合臨界調度策略是保障系統確定性的關鍵。高優先級任務（如20kHz 電流環的Clarke/Park變換與空間矢量調制）由專用協處理器加速運算，確保電流諧波抑制與轉矩響應精度；中優先級任務（如1kHz轉速閉環與CAN通信）執行滑?？刂破髟鲆孀赃m應調整與時間觸發總線同步，通過有限狀態機（FiniteStateMachine，FSM）實現故障樹的快速診斷與隔離；低優先級任務則分離非安全關鍵功能（如OTA升級與參數標定），避免干擾核心控制線程。

硬件加速與異構計算架構的引入進一步釋放了算法的潛力。對于ASMC的高頻切換特性，現場可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）通過邏輯查表（Look-UpTable，LUT）實現符號函數的硬件級計算，將軟件分支判斷轉化為無延時的組合電路，顯著削弱抖振對電機的機械沖擊；數字信號處理技術（DigitalSignalProcessing，DSP）協處理器則結合定點運算庫IQmath重構電流環PI調節器，在損失可控精度（ lt;0.1% ）的前提下提升計算效率，同時依托硬件PWM模塊直接生成空間向量調變（SpaceVectorModulation，SVM）波形以規避軟件中斷延遲。

3系統可靠性分析

3.1 可靠性評估方法

系統可靠性評估圍繞功能安全、硬件冗余及環境適應性展開，依托多維度分析法與仿真驗證技術構建評估體系。硬件層面采用元器件應力分析法判定關鍵器件的壽命衰減模型，結合加速老化試驗推導其失效閾值，確保在極端工況下無單點故障導致的系統崩潰。軟件可靠性則通過靜態代碼分析工具實現路徑覆蓋率與死循環檢測，強制約束狀態機跳轉的完備性；同時引入動態模糊測試模擬信號突變、通信丟包等異常輸入，量化驗證控制算法的容忍邊界。

可靠性驗證還需深度融合功能安全標準，例如通過故障模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，FMEA）梳理電子助力轉向系統EPS的潛在失效鏈，見表2。

3.2 測試方案

系統的可靠性測試需覆蓋從單體部件到整機的全流程驗證，其核心是通過層級化測試場景逼近實際工況的復雜性。試驗室階段采用硬件在環HIL測試平臺，將電機模型與逆變器硬件集成至實時仿真環境，注入故障信號（如電機堵轉、CAN總線干擾）以觀測控制策略的重構能力；同時利用環境應力篩選（Environmental Stress Screening，ESS）模擬高溫0 +85^°C ）、低溫 （-40^°C ）及濕熱循環，記錄PCB板上焊點裂紋、元器件參數漂移等潛在缺陷。在臺架測試中，通過六自由度振動臺復現車輛行駛中的機械沖擊與諧波振動，并結合電磁兼容EMC測試評估系統在強輻射干擾下的穩定性。

3.3 仿真結果

仿真驗證綜合性能試驗結果見表3。

系統在功能安全、環境適應性及長期穩定性方面表現卓越：HIL測試中 99.2% 的故障覆蓋率證明軟件容錯邏輯符合ASIL-D等級要求，且CAN通信丟包恢復能力可滿足 50ms 內重建信號鏈路的需求，有效避免轉向信號中斷風險。臺架測試驗證了硬件設計的魯棒性——振動測試后未出現元器件脫落或PCB變形，而高低溫循環下控制器的電流跟蹤誤差始終低于 1.5% ，表明熱管理與封裝工藝有效抑制了環境應力導致的參數漂移。

4結論

本研究通過多維度可靠性評估與全流程測試驗證，證明了所設計系統的綜合性能及其在極端工況下的穩健性。基于應力分析、動態模糊測試及FMEA方法構建的可靠性模型，精準識別了軟硬件敏感節點并優化了冗余策略，確保故障覆蓋率超過 99.2% ，容錯切換成功率提升至 100% ?？傊?，融合參數敏感性優化與層級化安全機制的協同設計，能夠顯著提升機電系統的功能安全與長期穩定性，為高可靠性機電一體化產品的工程化落地提供了理論與實踐的堅實支撐。

參考文獻

[1]原野，陳龍，潘偉，等.分布式電驅動承載平臺的動力學建模與模型預測控制[J].汽車技術，2025（3）：46-55.

[2]周云龍，李峰，張建國.電動汽車EPS系統模糊PID控制器設計及分析[J/OL].機械設計與制造.[2024-12-23].https：//www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JSYZ2024122000E.htm.

[3]董，季學武，陶書鑫，等.商用車電控轉向系統的發展現狀與趨勢[J].汽車工程，2024，46（5）：816-829.

[4]賀林，徐子昂，黃春榮，等.線控轉向系統轉角預測滑?？刂扑惴ㄑ芯縖J].汽車工程，2023，45（12）：2200-2208.

（編輯楊凱麟）