（信号与信息处理专业论文）基于永磁同步电机的电动助力转向控制器设计.pdf

摘要 为了顺应汽车行业节能环保的发展方向，电动助力转向系统已经开始逐步 取代液压助力转向系统，因此电动助力转向是当前汽车电子领域研究的一个热 点问题。 与发达国家相比，我国电动助力转向技术起步较晚。目前国内的电动助力 转向产品主要采用直流电机实现助力。由于在输出功率较大时有刷直流电机的 碳刷存在使用寿命短的问题，使得基于直流电机的e p s 产品主要应用于微型和 小型车辆。而在高端电动助力转向系统中多采用永磁同步电机或交流异步电机。 与交流异步电机相比，永磁同步电机更容易实现转矩的精确控制，因此本文主 要研究基于永磁同步电机的e p s 系统。 本文设计了一种基于矢量控制的永磁同步电机电动助力转向控制器实现方 案，该方案并采用旋转变压器检测电机的转子位置，并利用p a r k 变换和1 3 1 a r k 变换把永磁同步电机等效为直流电机模型，根据扭矩传感器的输入信号通过控 制直流电机模型的d - q 轴电流分量完成转向助力过程。 电动助力转向控制器的硬件设计主要包括六个模块，分别为电源模块、d s p 外围接口模块、扭矩检测模块、转子位置检测模块、电机驱动模块和电流检测 模块。软件部分主要包括电流采集程序、扭矩信号采集程序、角度解码程序、 助力控制程序以及电机驱动程序。 最后论文对完成的电动助力转向控制器进行了调试，调试结果表明各个模 块能够正常工作。 关键词：电动助力转向系统；永磁同步电机；旋转变压器；角度解码 a b s t r a c t i no r d e rt o m p i yw i t ht h e d i r e c t i o no fd e v d o p m 矾o ft h e a u t o m o t i v e i n d u s t r y , e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，d e c t d cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a s b e g u nt og r a d u a l l yr 酬a o eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g i s ah o ti s s u e i nt h e c u r r e n tf i e l do fa u t ( x r 例v e e l e c t r o n i c s t h ed o m e s t i c 日苓t e c h n o l o g ys t a r tq u i t el a t eo o m p a r e dw i t hd e v e l o p e d c o u n t r i e s , a tp r e s e n to n l yh a v ee p sp r o d u c tw h i c hu s ed i r e c tc u r r e n tm o t o r w h il e t h ed cm o t o r sm e e tt h er e q u ir e m e n t so fh i g h - p e r f o r m a r c ee 尸ss y s t e m ，t h e r e 拍 吱i l is o m ei n s u r m o u n t a b l ed i f f i c u l t i e st oo v e r c o m e , s u c ha st h eb r u s h si i f eo f b r u s h e dd cm o t o r & s da ca s y n c h r o n o u sm o t o r sa n dp e r m a n m t m a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rh a v eb e e nu s e do n 日苍o fh i g h - d a s sv e h i d et y p e c o m p a r e d w j t ha ca s y n c h r o n o u sm o t o r s - 讲吖膳n 鲥m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri se a s i e rt o a c h i e v ea c c u r a t et o r q u ec o n t r 0 1 t h e r e f o r et h i st h e s i sr e s e e r c he p ss y s t e mb a s e do n p | 新n ；删m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r t h i sa r t i d ed e s i g n e do n ek i n do ft h ee p sc o n t r o l l e rb a s e do n 刚刚w i t ht h e v e c t o rc o n t r o l ，w h i c hu s et h er e s o l v e rt od e t e c tt h er o t o rp o s i t i o n a n di no r d e rt o e q u i v a l e n tt h ep m s mt od cm o t o rt h ep a r kt r a n s f o r m a t i o na n dc i a r kt r a n s f o r m d i o n h a sa ls ob e e nu s e dt o a c c o r d in gt oo o n t r o lt h ed - q 钗isc u r r e n to ft h ed cm o t o r m o d e lt h r o u g ht h es t e e r i n gp r o c e s s , w h i c hi sd e t e r m i n e db yt h et o r q u es e n s o ri n p u t s i g n a l t h ed e c t r i cp o w e rs t e e r i n gc o n t r d l e rh a r d w a r ed e s i g nc o n d s t so fs i xm o d u l e s , r e s p e c t iv e ly , f o rt h ep o w e r 刚p p iym o d u le , d s pp 酬p h 利i n t e r f a c em o d u le , t h e t o r q u ed e t e c t i o nm o d u l e , t h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm o d u l e , t h em o t o rd r i v e m o d u l ea n dc u r r e n td e t e c t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d e st h ec u r r e n ta n d t o r q u es ig n a la c q u is i t io np r o g r a m ，t h ea n g led e c o d in gp r o g r a m ，p o w e rs t e e r in g c o n t r o lp r o g r a ma sw e lla st h em o t o rd r i v e rp r o g r a m r r 韬l l yt h e 日苓s y s t e md e b u g g i n gr e s u l t ss l c v e dt h a te v e r ym o d u l ew o r k s p r o p e r l y k e yw o r c l e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，p m s m ，r e s o l v e r , r e s o l v e r - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r 学位论文主要创新点渤 一、为了满足高端汽车对电动助力转向系统的要求，本文提出 了一种基于永磁同步电机矢量控制的电动助力转向控制器设计方 案。 二、本文针对旋转变压器软件解调方法抗干扰能力差等问题， 提出了一种新的基于过采样技术的旋转变压器软件解调方法。 第一章绪论 1 1e p s ，系统简介 第一章绪论 汽车转向系统的性能直接影响汽车驾驶的操控性、舒适性和安全性，是评 价汽车性能高低的重要指标之一。传统的机械转向系统依靠驾驶员的双手提供 较大的转向力矩，使得转向不方便、不灵活。动力转向系统是在机械转向系统 的基础上，增加助力单元构成的，它改善了驾驶员的驾驶环境，提高了汽车驾 驶的舒适性和操控性，动力转向系统的出现在汽车工业发展史上具有划时代的 意义。 动力转向系统可以分按照提供动力方式的不同可分为以下三类：气压式、 液压式和机电式n 1 。液压式助力转向系统又可进一步分为机械液压助力转向系 统和电控液压助力转向系统；机电式又成为电动助力转向系统。 液压助力转向系统成本较低，经过半个多世纪的已经发展成为目前应用最 广泛的动力转向系统，但其本身存在着诸多缺陷。机械液压助力转向系统是靠 液压泵的压力提供助力，以减少驾驶员作用到方向盘上的手力。无论驾驶员是 否需要助力，为了保持系统液压力，这套系统都要工作，其动力源直接来自发 动机，能耗较高，在一定程度上浪费了资源。另外此系统最显著的缺点是低速 行驶时助力较小，方向盘比较沉，发动机也比较费力气；高速行驶时助力较大， 容易“发飘”，影响驾驶安全，同时对系统的损耗也比较大，使得机械液压助力 转向系统的寿命比较短。而电控液压助力转向系统只是对液压助力装置添加了 电子装置，并没有从根本上解决液压助力装置存在的不足。 电动助力转向系统直接采用电机提供助力，由车载蓄电池供电，省去了液 压转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的 皮带轮，是动力转向发展的必然趋势。e p s 系统与液压助力转向系统相比有以 下优势曙1 ： ( 1 ) 降低燃油消耗。e p s 系统通过“按需供能”，是真正的“按需供能型 ( o n - - d e m a r l d ) 车载嵌入式系统，仅在需要转向操作时e p s 系统通过控制电机 提供助力、消耗能量，能使汽车燃油消耗降低2 5 喝5 ； ( 2 ) 提供可变的转向力。e p s 系统通过嵌入式电子控制单元计算出不同车 速下所需要的助力，针对不同车速调节不同的转向助力，提高驾驶员的转向舒 适性、安全性； 天津工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 增强转向跟随性。，e p s 系统中，电动机与助力机构直接相连，其能 量直接用于车轮的转向，不存在液压助力转向系统的迟滞效应，增强了车轮对 转向盘的跟随性能； ( 4 ) 改善转向回正特性。通过e p s 控制器计算电机在不同车速及不同车 况下的转矩特性，这种转矩的特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了 与车辆动态性能相匹配的转向回正特性； ( 6 ) 采用“绿色能源”，顺应了新能源汽车发展的趋势，符合现代汽车绿色 环保的要求。电动助力转向系统应用。最干净”的电力作为能源，完全取缔了液 压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄露问题，顺应。绿色化”的时代 趋势，避免环境污染； ( 7 ) 系统结构紧凑，零部件数量较少，占用空间小，使得系统布置容易； ( 8 ) 生产线装配性好，易于调试。电动助力转向系统比液压系统所需要零 件数目大大减少，减小了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率， 而且由于采用蓄电池对电机供电，不需要发动机提供动力源，不需要装车调试。 电动助力转向系统依据电机的安放位置可以分为转向轴式电动助力转向系 统( c - e p s ) 电机通过驱动转向轴提供助力、齿轮轴式电动助力转向系统 ( p - e p s ) 电机通过驱动齿轮提供助力、齿条式电动助力转向系统( r - f _ p s ) 电机通过驱动齿条提供助力，三种形式的助力系统实物图如图1 1 所示b 1 。 本文研究对象为d e p s ，文中提到的e p s 一般指g e p s 系统。 r - e p sg e p s b e 尸s 图1 - 1 不同助力形式e p s 系统实物图 尽管不同车型的e p s 系统构成不一样，但e p s 系统的基本构成是相同的： 一般由转向柱、转向器、扭矩传感器、车速传感器、控制器、电机和助力机构 等组成，其各实物抽象为物理模型如图1 2 所示h 1 。其工作原理是：当驾驶员转 第一章绪论 动转向盘时，装在转向柱上的扭矩传感器检测出转向柱上的转向力矩，并把产 生的电信号传给控制器，控制器根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动 机的旋转方向和助力电流大小，从而完成实时控制助力转向。因此很容易在不 同车速时提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行 驶时稳定可靠。 1 2e p s 系统发展现状 1 2 1 国外发展现状 齿轮齿条传动机柯 图1 2e p s 系统物理模型 嚣 电动助力转向系统最早应用在日本的微型车上，为了解决在微型车发动机 舱空间不足以安装液压助力转向系统的问题，铃木公司于1 9 年2 月在c e r v o 上安装第一套日弓系统，这套b 】s 系统主要通过直流电机与转向轴直接相连， 给驾驶员提供助力，由此电动助力转向系统诞生了晦1 。随后，日本的大发汽车 公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、美国的d e p h i 汽车系统公司、t r w 公 司，德国的z f 公司，都相继研制出各自的e 尸s 。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型 车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中 型轿车已经安装e p s 【6 j 。e p s 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力 型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。早期的e p s 仅仅在低速和停车 时提供助力，高速时停止工作；新一代的e p s 不仅在低速和停车时提供助力， 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。 3 天津工业大学硕士学位论文 1 1 2 2 国内发展现状 国内e p s 系统发展比较缓慢，最初我国e p s 市场份额基本由国外知名转向 企业所垄断。在2 0 1 0 0 年我国将日毽列为汽车零部件“高效技术产品”之后， 国内企业或与高校合作或自主研发，经过十多年的发展，目前市场上已有一些 e p s 产品，出现了如株洲易力达、浙江福林国润和天津德科等一些能够自主研 发和生产e p s 产品的企业。如天津德科已采用直流电机针对市场上近3 0 款不 同4 , 丰i i e 量汽车开发出具有自主知识产权的日苓产品。 l i 前在国家的大力支持下，许多知名高校如吉林大学、清华大学、天津大 学、北京科技大学、华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学、武汉理工大学 等高校都已经在研究e p s 相关技术 1 。近些年国内日毽市场增长迅猛，如图1 2 所示。 辽稻0 0 r 辞5 0 魏o o 15 0 l o o 5 0 o 年 图1 - 3 目前国内e 陷系统的销量增长趋势 据统计2 0 1 0 年我国轿车产量为1 1 2 7 万辆，其中配置e 户s 的有2 7 8 万辆， 占轿车产量的2 5 。自主研发的e p s 装车量约为3 4 万套，占e p s 总量的1 2 ， 占轿车总量的3 0 0 ，其市场占有量仍然较小哺1 。2 0 1 1 年国家发展改革委新修订的 产业结构调整指导目录( 2 0 1 1 年本) 与上一版相比，汽车产业相关部分有 较大调整。其中，汽车产业的政策优待程度“鼓励类”中新增加了电动转向系 统，这表明未来e p s 行业将得到国家相关政策的大力扶持。预计到2 0 1 5 年， 中国汽车总产量将达到2 5 0 0 万辆，国内e p s 产品占有量较少，处于薄弱环节。 1 3 我国e p s 系统存在的问题 近些年在国家对日苓行业的大力支持和投入下，国内的e p s 技术发展迅猛， 但仍然存在如下问题：国内市场上已经有自主研发的采用直流电机的e p s 产品， 第一章绪论 主要应用于低端的小车型，可用于高端电动汽车的e p s 产品国内尚属空白。 直流电机的优点是控制简单、成本低，基于直流电机的e p s 控制技术已经 相当成熟。然而对于b 级( 通常指车轴距在2 4 5 r n - 2 6 m 之间、排量在1 6 升到 2 4 升的汽车) 及以上的汽车，由于车身自重较大，所需要的助力也相应增大， 因而需要助力电机提供的功率也相应较大。国内现有的e p s 产品都是采用直流 电机提供助力，对有刷直流电机而言，由于采用机械电刷换向，如果功率提高 过大，会带来一系列问题。例如，大电流会产生换相火花，使得换向碳刷老化， 从而影响直流电机的使用寿命妇1 。而且容易对车载电子系统造成电磁干扰，严 重时甚至使其他车载电子产品无法正常工作。 对于无刷直流电机，由于采用电子换向装置，不存在采用换向碳刷的缺点。 但是由于在驱动控制时采用三相六状态工作方式，系统控制精度较低，转矩脉 动较明显。为了降低转矩脉动的影响，其构成的e p s 系统通常需要大减速比( 通 常为6 0 ：1 ) 的减速机构来提高转向系统的分辨率n 引。大减速比的减速机构虽 然可以提高系统分辨率，但同时在系统逆向工作时容易产生自锁的缺点，为了 防止由于自锁造成的故障，e p s 系统需要增加电磁离合器，使得e p s 系统的成 本和复杂性增加。 对于b 级及以上汽车的日弓系统一般采用交流电机提供助力，目前国内尚 没有成熟的产品，该类产品的市场主要被国外各大公司垄断，国内高端汽车用 e p s 系统主要依赖进口。为了解决高端汽车用e p s 产品的国有化的问题，本课 题与天津德科汽车底盘部件有限公司合作，研究和开发高端汽车用e p s 产品， 本课题主要设计日毽控制器。 1 4 本文的研究内容 通过对基于永磁同步电机的e p s 系统的控制原理分析，设计了基于永磁同 步电机的e p s 控制器硬件和软件，通过实验验证了各个模块的功能。 本课题主要研究内容包括： 第一章：绪论。首先介绍e p s 系统的发展现状，以及本课题的背景和意义。 第二章：e p s 控制器总体方案设计。主要包括对永磁同步电机的控制方案 进行分析和选择，以及针对本系统设计了转子位置检测方案。 第三章：e p s 控制器硬件设计。主要设计了电源模块、永磁同步电机驱动 电路、电流和扭矩信号采集电路、转子位置检测电路。 第四章：e p s 控制器软件设计。主要编写了控制系统的信号采集程序、角 度解码程序、助力控制程序和电机控制程序。 5 天津工业大学硕士学位论文 第五章：e p s 控制器的调试。通过对系统硬件和软件模块经行调试，实现 了各个模块的功能。 第六章：总结与展望。 6 第二章e p s 系统总体方案设计 第二章e p s 控制器总体设计 2 - 1e 陌漂统助力电机的选择 目前应用于高端e p s 产品的助力电机主要有永磁同步电机和三相交流异步 电机。 三相交流异步电机也称作感应电机，结构简单、制作工艺最简单、成本低 廉。奔驰曾经在一款车型上装配采用三相交流异步电机的e p s 系统，国内也有 对异步电机的e p s 系统的相关研究文献n 卜1 5 1 。由于三相交流异步电机的数学模 型是高阶次、非线性、强耦合的多变量系统，对转矩的精确控制比较困难。一 般采用矢量控制方法，其控制技术的关键是对转子磁链的空间矢量幅值和位置 信息的计算，通常采用转子磁链的观察的方法计算转子磁链的幅值和位置，无 论是电流的方法还是电压的方法均难以达到较高的精度，尤其在转速较低时。 在e i ：苍3 控制器中，需要采用h 0 0 的鲁棒控制的方法来提高系统的稳定性。 永磁同步电机和无刷直流电机同属于永磁电机，其本体设计和功率驱动部 分基本相同。其在结构上的区别是转子永磁体的设计：无刷直流电动机的感应 电动势为梯形波；永磁同步电机感应电动势为正弦波。跟无刷直流电机相比， 永磁同步电机在设计上采用了一系列措施来降低转矩脉动、振动和噪声，使得 运行十分平稳，转矩脉动较小；跟三相交流异步电机同相比，永磁同步电机的 控制方法较简单，更容易实现转矩的精确控制n 引。 综上所述，针对绪论部分提出的问题，本设计选用永磁同步电机作为e p s 系统的助力电机。 2 2 永磁同步电机的控制方案选择 对于直流电动机，电磁转矩与转子线圈的电流函数关系如公式( 2 - 1 ) 所示 l = c r 驯a 公式( 2 - 1 ) c r 为一个常数、多为励磁磁通、i 。为电枢电流。由于l 。所产生的磁通与励磁磁 通西相互垂直，故励磁磁通只与励磁电流有关，与l 。无关，即l 。和多相互独立， 调节和控制十分方便。通常通过控制多在一个固定矢量位置上，调节i 。的大小 天津工业大学硕士学位论文 就可以控制直流电机的电磁转矩。 但对于永磁同步电机，其电磁转矩公式如公式( 2 - 2 ) 所示。 t o = k m f s f r s i n 0 公式( 2 - 2 ) 其中k 。为常数，r 和f r 分别是由定子电枢产生的磁动势和由转子永磁体产生 的永磁磁动势，两者互相不垂直，相互耦合。p 为两个磁动势之间的夹角，因 此直接对电机电磁转矩的精确控制十分困难。目前永磁同步电机的控制策略主 要有矢量控制和直接转矩控制。 矢量控制是1 9 7 1 年由德国西门子公司的f b l a c c h k e 提出的，目前矢量控 制已经成为使用最广泛的一种交流电机控制方案，矢量控制的关键在于对定子 电流幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。通过坐标变换，将电机电流矢量 分解成相互垂直的励磁分量一交轴分量i d 和产生转矩的转矩分量直轴分量i q ， 从而将永磁同步电机模拟为直流电动机，实现电机的磁通和转矩的独立控制n 。 直接转矩控制( d t c ) 是由德国学者d e p e n b r o c k 于上世纪年代提出的 一种具有快速转矩响应特性的控制方案。该控制方案摈弃了矢量控制中解耦的 控制思想及电流反馈环节，采用定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制 直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节n 引。具有机构简单，转矩响应快等优 点。d t c 最早用于感应电动机，1 9 9 7 年lz h o n g 等人对d t c 算法进行改造， 将其用于永磁同步电动机控制。 在e p s 系统中，助力电机转速低和目标转矩的精确控制等特点。目前对直 接转矩控制的研究已取得了很大的进步，但在理论和实践上还不够成熟，例如： 低速性能、带负载能力等有待进一步的提高，不适合本项目的要求，因此本系 统采用矢量控制方案。 2 2 - 1 矢量控制的原理 矢量控制中常用的坐标系有以下三个：1 、永磁同步电机定子三相a b c 坐 标系，其各物理量与电机三相绕组的的实际值相同；2 、以定子a 相绕组为仅轴 的筇坐标系，轴超前q 轴9 0 。，妒坐标系又称为静止坐标系；3 、以转子磁 极轴线为d 轴的d q 坐标系，q 轴逆时针超前d 轴9 0 。，d 轴与a 相定子绕组夹 角为臼，该坐标系在空间随同转子以相同的电角速度旋转，同步电机的名字就 是由此而来，d q 坐标系是一个旋转的坐标系n 引。 各坐标系的空间关系图如图2 - 1 所示，各坐标系下的变量关系可以用公式 ( “) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 所示的等效转换来实现。 第二章e p s 系统总体方案设计 p l b 试 力d a i 1 。 一 图2 - 1 各坐标系空间关系图 c l a r k 变换：a b c 坐标系到筇坐标系的变换，如公式( 2 - 3 ) 所示； 阱信 1 一互1 一互122 o 鱼一鱼 22 公式( 2 - 3 ) p a r k 变换：筇坐标系到d q 坐标系的变换，如公式( 2 - 4 ) 所示； 睁【：珊】 公式( 2 - 4 ) p a r k 逆变换：d q 坐标系到筇坐标系的变换，如公式( 2 - 5 ) 所示； i 。1f e o s 9 蚓5 【n p 公式( 2 - 5 ) 在经过坐标变换后在d q 坐标系统下，永磁同步电机的电磁转矩方程可以用 公式( 2 - 6 ) 表示如下： 天津工业大学硕士学位论文 l 2 p m ( i 目_ 崎 公式( 2 - 6 ) = p m 妒r i 目+ ( 1 l d k ) i 鲴i 羽】 。 p m 为永磁同步电机的极对数；以为转子磁钢在定子上的耦合磁链；l d 、k 、i 一 和i 目为永磁同步电动机的直、交轴电感和电流。 从公式( 2 - 6 ) 可以看出，对于参数对称的永磁同步电动机，直轴和交轴电 感相等，其电磁转矩只取决于定子交轴电流分量。 2 2 2 控制方式的选择 当输出转矩一定时，如何对i d 和i q 分量进行具体控制是永磁同步电机控制 方式的选择问题，将与系统的效率和功率因素直接相关。永磁同步电机的控制 方案主要有以下4 种：转矩电流比最大控制、c o s ( p = 1 的控制、恒磁链控制和 i d = o 的控制心叫。c o s a p = 1 的控制方式退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造 成电机电磁转矩、功率因素和效率下降。恒磁链控制方式在功率因素较高的情 况下，一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最大输出转矩的限制。 对于本系统所采用的永磁同步电机，由于转子磁路是对称的，i d = o 的控制 同时也是最大转矩电流比控制，这种控制方式简单易行，在电机电流最小的情 况下可以实现最大转矩的输出，而且没有去磁效应不会出现因为永磁电机退磁， 而使电机性能变坏的现象，可以实现电机的电磁转矩和电枢电流成正比。 2 2 3 空间矢量脉宽调制的原理 永磁同步电机是交流电机的一种，工作时通过三相绕组的电流波形是正弦 波形的。通常采用脉宽调制的方法来得到正弦波形的电流，永磁同步电机的脉 宽调制方法有正弦波脉宽调制( s p w m ) 和空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 乜。 s v p w m 是今年来一种新的脉宽调制结束，较s p w m 电压利用率高1 5 4 ，能 降低转矩脉动，本系统设计采用s v p v v m 陇1 。s v p w m 技术从电动机的角度出 发，其控制方式以使电机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦 波电压供电是的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器的不同开关模式产生的实 际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。 第二章e p s 系统总体方案设计 v t l c 【啦 j【噬j 畦b - - 年 j = c 4 仁士v t 5 仁j【v t 求【 p l i 卜_ 图2 _ 2 电压源型逆变器的基本结构 三相电压源型逆变器的基本结构如图2 - 2 所示，由六个功率开关器件v t l 至v t 6 组成，逆变器的上桥臂和下桥臂开关状态互补。定义s 为开关函数( i = a ， b ，c ) ，j 相上桥臂导通，下桥臂关断时s = 1 ；i 相下桥臂导通，上桥臂关断时 s = o 。三相电压合成空间矢量为u = 刁3 ( u 0 7 + u 7e ；l 驯+ u c o l e - 伽) ，如表2 _ 1 所示。 表2 - 1 开关函数与电压矢量的对应关系 s bs cu a ou s ou c o 合成矢量 000 - u d 2- u d ，2 - u d 2 u o 001 - u d 2 - u d 2u d ，2u 1 010 - u d 2u d 亿- u d 2u z 011 - u d 2u d 2u d ，2u a 10 0 u d 2u d 2- u d 2u 4 101 u d 2- u d 2u d ，2u s 110 u d 2u d 2- u d 2u s 111 u d 2u d 亿u d ，2u 7 8 个电压空间矢量可用公式( 2 - 7 ) 表示。 u k = 孑3 u d e | ：件- 1 h 沪 笺三雩，6 公式c 2 7 ) 其中u d 为逆变器的直流母线电压。 三相电压逆变电路只能生成8 个离散的空间矢量，因此要用不同的电压矢 量来合成目标矢量，使之形成圆形电压空间矢量。8 个电压空间矢量的分布如 图2 - 1 1 所示。任意一个电压空间矢量都可由相邻的两个非零矢量及u o ，u 7 一 起合成。根据伏秒关系，任一空间矢量可以用公式( 2 - 8 ) 表示。 天津工业大学硕士学位论文 u 4 ( 0 1 1 ) u 3 ( 0 1 0 )2u 2 ( 1 1 0 ) u 5 ( 0 0 1 )5u 6 ( 1 0 1 ) 图2 - 3 空间状态电压矢量图 u 1 ( 1 0 0 ) 叫，= l u k + l + 1 uk + 1公式( 2 - 8 ) l t k + 1 分别为u k ，u k + l 的作用时间，t s 为p w m 调制周期。在一个完整的 p w m 调制周期内，除了t k 和t k + 1 的导通时间其余时间为0 状态。由于0 状态 存在于每一个区域内，为了实现对称性的要求，通常将总的0 状态时间分成2 个相同的0 状态时间，分别为u o 和u 7 作用时间。 将公式( 2 - 7 ) 代入公式( 2 8 ) ，按实部和虚部分别展开，可以得到以下时 间计算关系，如公式( 2 - 9 ) 所示。 l = 怕u ，t , , s i n ( k t r 3 一e ) u 。 l + ，= 托u ，t , s i n ( e - ( k - 1 ) i r 3 ) ) 卢。 公式( 2 - 9 ) t o = t 7 = 1 2 ( l t 一、卅) 可以求出相邻的两个矢量的作用时间，在q 口坐标系中可用公式( 2 - 1 0 ) 表示。 t k = l ( u ，s i n k 7 r 3 一u ，p 6 k 丌3 ) u d t k + 1 = t 。( u ，p s ( k 一1 ) 7 3 一u ，a s i n ( k - 1 ) 7 r 3 ) u d 公式( 2 - 1 0 ) t o = t 7 = 1 2 亿- r , 一t k + ，) 第二章e p s 系统总体方案设计 2 3 永磁同步电机的转子位置检测方案设计 在矢量控制的坐标变换中需要转子的位置实现对电流分量的解耦变换，因 此需要实时的检测永磁同步电机的转子位置信息。 2 3 1 转子位置检测传感器的选择 为了提供精确的电流控制信号，减小转矩脉动，一般采用高分辨率的位置 传感器，例如：霍尔传感器、绝对型光电编码器、增量型光电编码器或者旋转 变压器。 目前采用霍尔位置传感器的检测方法分为单个霍尔传感器和线性霍尔传感 器恤引。采用单个霍尔传感器的位置检测技术，大多是通过转速对转子的位置进 行预测，在电机启动和转速不稳定时很难达到较高的精度，该方案仅适用于理 想状态下的信号模型，对于e p s 系统永磁同步电机的位置检测不能完全适用。 对于采用线性霍尔传感器的位置检测目前是一个有效降低永磁同步电机成本的 方法，目前研究比较多，参考文献【2 4 】提出了一种结构简单、精度较高的位置 检测算法。但是由于线性霍尔原件的温度稳定性不好，需要开发出适用于汽车 环境下的线性霍尔原件，如果能够很好的控制线性霍尔原件的温漂的影响，此 方法也能得到较好的应用。 光电编码器以其成本低、精度高的优点，目前在永磁同步电机的控制系统 中应用比较多乜5 | 。但光电编码器对环境要求比较高，在冲击和振动下易损坏， 尤其在汽车上灰尘比较多，使得光电编码器的寿命比较低。 旋转变压器因其具有耐高温、耐湿度、抗冲击、抗干扰和精度高等优点， 被广泛应用与汽车控制系统中，十分适合本系统的设计要求乜6 | 。本系统选用多 摩川t 渊n 1 e 6 4 旋转变压器作为角度检测传感器，工作温度范围为一5 5 一1 5 5 ，抗冲击和振动加速度分别为1 9 6 m s 2 ( 2 0 g ) 和1m s 2 ( 1 0 0 g ) ，抗湿度 参数为9 0 0 0r hm i n6 0 ，跟踪转速最快可以达到5 0 0 r p s ，精度为+ 1 0 ”。 图纠旋转变压器外观示意图 1 3 黔一 港擎， 天津工业大学硕士学位论文 旋转变压器的实物图和原理图分别如图2 4 和2 - 5 所示，主要由定子绕组 和转子绕组组成，定子绕组由一组输入激励绕组和两组互相成9 0 0 的正弦和余 弦输出绕组构成。当在励磁绕组加i o k h z 的正弦信号时，其输出绕组上可以感 应到同频率的输出信号，其输入和输出电压信号如公式( 2 1 1 ) 和公式( 2 - 1 2 ) 所示。 敞 v f 。v pxi l k = t ) 瓦二x 一 乙鞘 s ，n 筠 v - - v x 翻n l 呐x 铀埘 图2 - 5 旋转变压器原理图 = u x d n c o t i = k u s i n o a t x s i n 8 【u c o s = k us i n c o tx o o s 8 公式( 2 1 1 ) 公式( 2 - 1 2 ) 其中为激励信号的角速度，0 为永磁同步电机的转子位置角，k 为旋转变压 器的原边与副边的信号幅值比例系数。其当电机转动时，旋转变压器的输入信 号和输出信号波形如图2 - 6 所示。 s 2 - s 4 ( o o s ) 4 s 3 - s l ( s i n ) 3 r 1 一r 2 ( r e f ) ，4 一一 p ，、 vvv v 一 一v vvvvvv v 1v vv v 、j 一 1 a j ，| 一 一vvvvvvvv 一 ”vvvvvvv f 、，、 i f 、 j 、，、，、f，、1 i f 、 _ 、fl ，、，、 ，、 vvv v1fvv v vuvvvvvv vv1 l i 图2 - 6 旋转变压器输入输出波形图 1 4 第二章e p s 系统总体方案设计 2 3 2 解码方案的设计 旋转变压器是一个模拟器件，输出的是一种交流调制信号，在数字控制系 统中，常常需要把旋转变压器的输出信号转换成数字角度信息。常见的旋转变 压器的角度解码方法有采用硬件解码芯片进行解码的方法和基于d s p 的软件解 码方法。 目前有专用的r ，d 转换器可以实现模，数转换与角度解算功能，例如日本多 摩川公司的a u 6 8 0 2 n 1 和美国a d 公司的a d 2 双x 系列芯片。这些专用的解码 芯片的解码性能高、使用方便，可以快速地将旋变输出的调制模拟信号解调成 数字化的绝对位置信号，直接供给数字控制器使用乜引。其基本解码原理都是相 同的，首先将旋转变压器的正弦绕组输出信号乘以淄西，余弦绕组输出信号乘 以s i n 西，从而得到下式： 二者的差值为： k us i n o j tx s i n s c o s 圣 ( 正弦绕组) k us i n o j t x o o s b s i n 西( 余弦绕组) k us i n t ( d n p o 咖一o o s b s i n 圣)公式( 2 - 1 3 ) 通过利用内部产生的合成参考信号来解调角度矾 u i 岫2 k u ( g n 伊。竺，一瞄p g n 西 公式( 2 - 1 4 ) = k ud n ( e 一西) 当角度误差( 口一圣) 的值很小时，公式( 2 - 1 5 ) 近似等于k u ( 9 一圣) 。值k u ( 秽一圣) 表示转子的角度误差与转换器的数字角度输出二者的差值。 硬件解码芯片通常采用t y p d i 跟踪闭环原理，当合成的反馈信号u 。陆的值 近似为零时，转换器产生输出角西等于旋变输入角度8 ，完成角度解码得到绝 对转子位置角。 此种角度解码方法的精度高、跟踪速度快，但是由于硬件解码芯片的价格 比较贵，限制了其应用。随着d s p 等器件的运算速度的显著提高，基于软件的 角度解码受到越来越多关注。基于软件的角度解码方法主要是利用d s p 、f p g a 等数据计算能力比较强的芯片，通过对旋转变压器的信号进行采样，然后按照 一定的解调算法求出转子的位置角睁3 。 e p s 控制器所需要用的是永磁同步电机的转子位置角度的正弦值和余弦 天津工业大学硕士学位论文 值，常见的角度解码系统都是求出绝对角度信息，然后通过查表求出转子的位 置角的正弦和余弦值髓1 。本系统直接从旋转变压器的输出信号中提取位置角 的正余弦值，不需要通过查表来求取正余弦值，节省了系统的内存空间。本系 统设计的基于软件角度解码方案的总体框图如图2 7 所示，正弦波发生电路产 生一个正弦信号，经过功率放大之后，作为旋转变压器的激励信号，输入到旋 转变压器的励磁绕组。旋转变压器的输出信号经过调理之后输入到d s p 内，由 d s p 按照角度解码算法进行解调。为了实现在旋转变压器的激励信号的峰值点 采样，由同步信号调理电路产生一个与激励信号同步的方波信号。 调理放大电路 图2 - 7 转子位置检测方案总体框图 2 4e p s 控制器的总体方案设计 e p s 控制器是整个系统的核心部件，主要功能是根据转向盘的扭矩、车速、 发动机状态信号等输入量进行分析和决策，产生助力电机的控制信号b 。本设 计控制器框图如图2 2 4 所示，图中虚线框内的功能部分主要由软件程序来实现。 系统工作时，控制器根据输入的扭矩信号t 和设定好的助力曲线计算出永磁同 步电机的d q 坐标系下的q 轴电流分量i q 。根据i q 和l d = 0 的设定值进行p a r k 逆变换得到叩坐标系下的电流分量，并按照空间矢量脉宽调制的原理计算出永 磁同步电机的三相p w m 波的占空比。为了得到稳定的转矩，永磁同步电机控 制系统的电流环不可缺少，通过检测电机的三相电流分量，经过c i a r k 和p a r k 变换之后将其转换为d q 坐标系下的电流值l d 和i q 。将此值i d 和i q 与i d 和i q 比较，通过同调节，实现永磁同步电机的转矩稳定输出。 6 第二章e p s 系统总体方案设计 图2 - 8 基于永磁同步电机的e p s 控制器框图 1 7 天津工业大学硕士学位论文 1 8 第三章e p s 控制器硬件设计 3 1 总体设计 第三章e p s 控制器硬件设计 e p s 控制器按照各部分电路功能不同，可以分为下几个模块：电源模块、 d s p 外围接口电路、扭矩检测模块、转子位置检测模块、电机驱动模块和电流 检测模块。 硬件总体设计 曩霎i l 茎耍| i 蒌蓁l l 蓁蓁i i 耋曩l i 囊鎏 图孓1 控制系统硬件总体设计 电源模块主要功能是对e p s 控制器的各个部件供电，使各个电子器件能正 常工作，在设计中对电源模块滤波电路的设计十分重要。如果滤波效果不好， 产生较大的电源噪声，将对系统造成严重的干扰，甚至使其余模块芯片不能正 常工作。 d s p 外围接口电路主要有d s p 的时钟电路、肌g 调试接口电路以及l e d 控制电路等。 扭矩检测模块的主要功能是对扭矩信号采集，扭矩信号是e p s 系统的主要 输入信号之一，扭矩决定着e p s 系统的工作状态，以及具体助力的大小和方向。 快速准确的检测方向盘的输入扭矩是e p s 控制器有效工作的重要保证，扭矩信 号采集模块主要是对扭矩传感器的输入信号进行信号调理滤波，去除高频噪声。 转子位置检测模块的主要功能是产生旋转变压器的激励信号和对旋转变压 器的信号进行调理放大。 电机驱动模块的功能主要是对d s p 产生的i = w m 信号进行驱动放大，对电 机进行驱动。由于e p s 控制芯片的工作电压和功率较低，不能直接驱动电机， 1 9 天津工业大学硕士学位论文 需要经过功率放大电路放大功率。 电流检测模块是主要是采集永磁同步电机三相绕组的电流，是一个反馈模 块。为了实现系统目标转矩的输出，对于电机控制系统需要采用闭环控制的方 法调节系统的转矩输出，电流信号的噪声将造成e p s 系统的转矩脉动，所以电 流检测模块是e p s 系统获得优良性能的关键。 3 2 电源模块 表孓1 控制器各模块工作电压范围 元器件名称额定电压工作电压范围 微控制器 + 3 3 v3 0 v - 3 6 v 扭矩传感器 + 3 3 v3 2 3 4 v - 3 3 v 电流传感器 + 5 v4 9 v 5 1 v 转子位置检测 + 1 2 v+ 1 d v 一+ 1 8 v 模块一1 2 v 一1 0 v 一一1 8 、， 电机驱动模块 + 1 2 v1 0 v 删 控制器的主要元器件工作电压范围如表孓1 所示，系统工作时需要提供的 电源有+ 1 2 o v 电源、+ 5 a v 电源、+ 3 3 v 电源和一1 2 0 v 电源。e p s 系统一般通 过车载蓄电池供电，为了延长电池的寿命和系统的可靠性，通常采用直流稳压 电源芯片进行稳压后，得到相应的电源。 图孓2 e 尸s 系统的供电结构图 本系统的供电结构如图3 - 2 所示，+ 5 v 和+ 3 3 v 电源分别采用低压差线性 稳压集成电路l m 2 9 4 0 和低开启电压稳压源l d l l l 7 ，其具有纹波小，线性特性 好的特点，低开启电压可以提高电池的使用寿命。 蓄电池提供的电压为+ 1 2 v ，经过滤波后就可以满足系统+ 1 2 v 的供电要求， 为了防止蓄电池反接对系统造成损害，通常添加一个二极管，如图孓3 所示。 第三章e p s 控制器硬件设计 3 2 1 + 5 v 电源的设计 本系统中+ 5 、，电源主