（车辆工程专业论文）电动液压助力转向系统控制器的开发与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文中首先介绍了汽车助力转向系统的发展历史以及发展前景， 在第二章中，作者详细介绍了装备于p o l o 轿车的、由t r w 公司提 供的e h p s 直流无刷电机的工作原理及电机驱动方法。在第三章中， 本文给出用于控制该电机的控制器各个模块的设计方案，并详细介绍 了用于电机转速控制的外部转向盘角速度传感器的基本工作原理，据 此，本章通过p r o t e l 、m u l t i s i m 等电路仿真软件对e h p s 控制器 进行了硬件设计。此外本章还讨论了有关电路板制作过程中需要注意 到的一些p c b 设计原则。论文第四章中首先介绍了e h p s 控制器的 软件开发平台，其次介绍了e h p s 系统软件结构和部分软件子程序流 程和实例。作者采用的控制算法主要是增量式p i 算法，对电机采用 了转速反馈p i 调节。论文第五章给出控制器设计完成后于台架实验 得到的初步实验结果。最后一章论文对整体设计过程作出总结，并提 出了存在的问题及需要改进的方面。 关键词t 电动液压助力转向系统，直流无刷电机，p i 控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st ov e h i c l es t e e r i n gs y s t e m ，i t sh a r dt oo b t a i nt h e “s w i f t n e s s a n d “f i n e s s e ”a tt h es a m et i m e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，av a r i a b l e t r a n s m i s s i o nr a t i o s t e e r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db yr e s e a r c h e r s ， w h i c ht os o m ed e g r e e h e l p sr e l i e v et h ec o n f l i c t t h ed e v e l o p m e n to f h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( h p s ) g r e a t l y s o l v e st h e p r o b l e m m e n t i o n e da b o v e ，y e ti th a sm a n yd i s a d v a n t a g e sa sw e l l ae l e c t r i ch 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 h p s ) i sb a s i c a l l y d e v e l o p e df r o mh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h e yb o t hg e n e r a l l y w o r kw i t hs i m i l a rp r i n c i p l e d i f f e r e n t l y , e h p sf r e e st h e p u m pf r o m v e h i c l ee n g i n e ，i n s t e a d ，i tu s e sas e p a r a t em o t o rt od r i v et h ep u m ps oa st o p r o v i d et h en e c e s s a r ys t e e r i n gp o w e r f u r t h e r m o r e ，i tb r i n g si nac o r e p a n 一e c u e h p sc o u l dn o to n l yr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n ，b u t p r o v i d ev a r i a b l es t e e r i n gp o w e ra sw e l l w i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t o fe h p s ，m o r ea n dm o r ee h p sa r ee q u i p p e do nv e h i c l e s ，a n dm a y c o m p l e t e l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a lh p si nf u t u r ey e a r s o nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rf i r s tm a i n l yi n t r o d u c et h eh i s t o r yo fp o w e r s t e e r i n gs y s t e m si nt h ef i r s tc h a p t e r i nt h es e c o n dc h a p t e r t h ea u t h o r i n t r o d u c et h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o rt h a t i s e q u i p p e do nt h ee h p ss y s t e m f o l l o w i n gt h es e c o n dc h a p t e r , t h e a u t h o rg i v e sm e t h o do fd e s i g n i n gae c u p a r tb yp a r ta n di n t r o d u c e sa s p e c i a ls e n s o rw h i c hi su s e dt oc a l c u l a t et h ep a l s t a n c eo ft h es t e e r i n g 江苏大学硕士学位论文 w h e e l b e s i d e s ，t h ea u t h o rd i s c u s s e ss o m eb a s i cp r i n c i p l e so fd e s i g n i n ga p c bb o a r d i nt h ef o u r t hc h a p t e rt h ea u t h o rg i v e st h et a c t i c so fm o t o r c o n t r o lw i t hs o m ep a r t so ft h ei n t a c tp r o c e d u r e i nt h el a s t p a r to ft h i s p a p e r t h ea u t h o rp r o v i d e ss o m et e s tr e s u l t su s i n gt h ee c ut h ea u t h o r d e s i g n s i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r ，t h ea u t h o rj u m p st oac o n c l u s i o no f w h a tt h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ha n dt h ep r e v i e wo ff u t u r ed e s i g n s k e yw o r d s ：e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，b r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm o t o r , p r o p o r t i o ni n t e g r a lc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密吼 学位论文作者签名： 妒7 年多月7 日 王维冬 彦队 荔务 秆日 ： 叭 名签 月 师 歹 教 ： 副 年 擀叩 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 壬锥皂 日期：沙7 年月7 日 江苏太学项士学位论五 11汽车转向系统的发展 第一章绪论 汽车在停止或低速 3 - 驶时，由r 轮胎t ，地面的摩擦力以及转向机构的内摩擦 力，使得驾驶员在转向时需提供较大的操纵力。早期应用较普及的转向系统是机 械转向系统，其中包括齿轮衡条式转向器、蜗杆般指销式和循环球式转向器，分 别如图1 1 、图1 2 和图13 【1 l 所不。 斟1 _ 1 齿轮齿条转向嚣 f i g1 1r a c k a n dp i n i o ns t e e r i n g g e a r 周1 2 蜗杆双指销式转向嚣 f i 9 12w o n ms t e c d n g g e a r 江苏走学砸士学位论正 ：箩矿 图1 3 循环球式转向器 f 嘻13 r e c i r c u l a t i n g b a l l - t y p e s t e e r i n g g e a r 随着转q 技术的发腱，助力转向系统逐步代替了传统的机械转向系统井在 中小型轿车上得到广泛应用。助力转向系统的出现，使得驾驶员在转向操作的同 时得到来自外部的辅助力，为转向操作提供便捷。 助力转向系统大致经j 力了如下几个阶段： 液压助力转向系统 如 | 1 舢2 1 所示，液压助力转向系统( 1 i p s ) 在机械转系统的壁础上增加了 套液压船什，大体i j i 液压泵、油管、压力流量控制阀体、v 型传动皮带、储油 罐等部什构成，其丰要是通过发动机带动液压泵输出液j e 提供转向助力。为了保 持管路的油压，不论足雨需要挺供助力，浚系统在任何时刻都需要处于l 。作状态， 【列此耗能较高。另外山丁助力大小是小可改变的，这样当车辆行驶速度低时无 法为驾驶员提供较大助力，而牛辆行驶速度高时却提供了过多的助力。所以在助 力人小方面需要折t ，于汽f 低速行驶和高速行驶两方而，难以获得较好的转向f 感。 敏一 * 图1 4 液压助力转向g - 统 f i g 14 h y d r a u l i cp o w e rs t o e r i n g s y s t e m 电液助力转向系统 电液助力转向系统可以分为电控液压助力转向系统( e c h p s ) 和电动液压助 力转向系统( e h p s ) 。e c h p s 主要是在传统液压助力转向系统上增加了一套电 摔装置，以改变系统工作时助力大小。其主要应用于大型商务牟上。e h p s 主要 山储油罐、控制器、液压泵、转向电机、助力转向传感器等构成吼排除助力转 向传感器，其他儿部分是卟整体结构。e h p s 将传统液压助力转i q 系统中发动 机驱动液压泵改变成荦独的电机驱动液压泉。改措施在一定程度上减少了发动机 的燃油消耗量，此外，e h p s 所有的。作的状态都是由电子控制单兀根据车辆韵 行驶速度、转向角度等信号计算出的虽珲想状态。由此驾驶员在车辆启动或低速 彳亍驶时可以获得助力转向系统提供的较大助力，而肖车速偏高时助力减少，驾驶 员更不会有斗= 身发飘的感觉。相比于传统的t t p s ，e h p s 在一定程度p 节省r 汽 车油耗：同时，由于助力可变，冈此也改善了助力特性。但e h p s 制造成木偏高， 且仍无法避免因液压油的泄漏而造成的污染。 电动助力转向系统 电动助力转向系统( e p s ) 属于菇三代汽车助力转向系统，如图1 5 n 所示。 它_ jl 个l 廿纪8 0 年代未首先在同本微型轿车j 。使用。e p s 一般是由扭矩传感器、 电子控制单元e c u 、伺服电机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源等构 成。汽车在转向时，电于控制单元接收柬自转矩传感器的信号，对方向盘拟 转与l ：u 做出判断，并根据方向盘的传动力矩得到需爱的转动转矩。当小需要 转向时，e p s 系统停止工作，但处于随时可被稠用的等待状态。 江苏大学硕士学位论文 蔷一乏 囱余三遗二一 图1 5 电动助力转向系统 f i g 1 5e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m e p s 采用了一体式模块系统，系统重量明显轻于液压助力转向系统，且 结构紧凑，便于安装，降低了安装成本。另外，由于车辆行驶在不需要转向 操作时，系统不工作，而系统工作时不需要额外消耗发动机功率，提高了燃 油的经济性。 线性控制转向系统 线性控制转向系统( s b w ) 是汽车转向方面最为先进和前沿技术之一【5 l 。它 完全脱离了转向盘和转向轮之间的机械传递部分，通过控制单元协调二者的运动 关系，完全依靠电动机提供转向轮偏转所需要的动力。安装线控转向系统的汽车 安全行驶是建立在各部件的高可靠性基础之上的，因为一旦系统中某些部件出现 故障，汽车的转向系统很容易处于瘫痪状态，这将对行车安全构成严重威胁。因 此，线控转向系统目前仍处于实验阶段，也只是在一些概念车上出现过，但它却 预示着汽车转向技术发展的一个方向，并将在汽车转向领域中占据主导地位。 1 2e h p s 系统的控制方法 如前文所述，e h p s 系统控制器通过接收来自车速传感器以及转向盘转向角 速度传感器的信号，对电机转速做出决策。在实际车辆行驶时，发动机点火信号 启动控制器，随后电机进入怠速工作状态。当驾驶员无转向操作时，电机将始终 保持在这一状态。在某一时刻，如果驾驶员进行转向操作，则控制器根据当前车 速大小以及转向盘转向角速度的大小锁定电机目标转速，并迅速调节当i j i 电机转 速以达到该目标电机转速。 4 1 茄 = 江苏大学硕士学位论文 1 3e h p s 系统的发展 对于e h p s ，其研究已有2 0 余年，早在1 9 8 7 年日本富士重工株式会社成功 地在s u b a r u x t 型汽车上装配了该助力转向系统。另外，美国的d e l p h i 公司、 v i s t e o n 公司、d a n a 公司以及德国的z f 公司和日本的k o y o 公司也相继开发了 e 田s 系统。在国内，上海大众生产的p o l o 于2 0 0 2 年装备了由t r w 公司提供 的电控液压助力转向系统，一定程度上改善了助力特性，提高了整车在高速行驶 中的操控性。 1 9 8 9 年，日本k o y o 公司曾在法国设计了第一台没有控制器控制的电动液 压泵嘲。该套助力转向系统解决了发动机驱动液压泵的能耗问题，但由于不存在 电机转速控制，因此助力不可变。随后k o y o 集团又于1 9 9 8 年设计了一套由直 流有刷电机控制液压泵输出的助力转向系统，该产品可以认为是e h p s 助力转向 系统的第二代产品。该电机没有使用外部传感器，而是通过控制器内部一个电机 电流检测电路来计算电机电流的变化，从而对转向状况作出判断，并对电机转速 进行控制。通过这样一种低成本的控制器控制方式，提高了对电动泵的执行效率， 并减少能源的消耗。第二代e h p s 控制器的控制策略可以简单描述如下：首先驾 驶员无转向操作时，电机维持在预备状态( 等待模式) 。而车辆在转弯行驶时， 电机转速迅速增加，电机的工作模式改为助力模式，即通过控制电机转速实现电 机从等待模式过渡到助力模式。电机在助力模式下电流的变化量与变化率和电机 转速具有一定的函数关系。然而该控制策略在转换电机工作模式的过程中反应速 度较慢，转向手感容易变坏。第三代e h p s 助力转向系统集一台无刷直流电机、 液压泵、储油罐和控制器于一体，如图1 6 1 7 1 所示。 5 江苏走学硕士擘位论文 # 襄= 再三f 三手寻受爰弓。3 ”0 、 ：茹、书。 ：? 措“掣 嚣：熬：薹奎： 1 i 楚鼍- 吐” 渤f | 瞄l6 电动液压助力转向系统 f 培16 日。曲珏h y d r a m k p o w = r s t e c t i l l g s y s t e m 在第三代产品中，编程人员可对控制器设定一个相对于电机转速的目标电流， 而电机转速大小取决丁车速信号和转向角速度传感器信号。为了使电机转速与目标 电0 值吻合，电机的转速传感器( 霍尔传感器) 输出信号需反馈给环路挣制电路， 以便液压泵输出适当的流量，得到最优转向手感。从电机控制策略方面，设汁人员 引入了一种可称之为空转+ 随动的控制模式。该模式与前文所述的等待模式类似， 在车辆直线行驶或停车等无转向操作时，保持电机在空转状态( 即无负载状奁，电 机空转速度随车速变化) ，而一旦进入转向操作，则通过来自转向角速度传感器信 号和车速信号迅速确定甘标电机转速，提供最优的转向助力。在这种控制方式下， 无转向操作时可以较好抑制油压的增加，并小需要任何油温冷却装置。 随后在第= 代产品的基础上，研发人员又对其控制策略上做出了改进。例如 研发人员先后提出怠速+ 随动和停转+ 随动两种电机控制策略，电机的怠速运转 即电机能够保持在稳定状态下以最低转速运转，怠速状态下电机转速比前文提到 的空转转速还要低。而停转+ 随动这种控制策略要求电机能够迅速地由静止状态 达到目标转速，这样节能效果有了明显提高，但园其控制难度高，目前也正处丁 研究阶段。 0 k r l llhim_plorr 江苏大学硕士学位论文 k o y o 公司生产的各代e h p s 产品对比如表1 1 所示： 表1 1k o y o 公司生产各代e h p s 产品比较 t a b 1 1p r o d u c t i o n so fd i f f e r e n ta g e sb yk o y o 1 4e h p s 系统的特点及发展趋势 与传统的h p s 系统相比，e h p s 系统改变了液压泵的驱动媒介，即通过一台 小型直流无刷电机来驱动液压泵，并提供大小可变的转向助力，为驾驶员提供舒 适的转向手感，保证了车辆在各种行驶速度下的稳定性和安全性。大体来说， e h p s 系统有以下优点： 助力大小的可变性。由于电机转速和车速信号以及转向角速度信号密切 相关，通过编程，可以使电机转速随着车速和转向角速度的变化而变化， 为驾驶员提供舒适的转向手感。 系统结构的紧凑性。由于e h p s 系统集电机、液压泵、储油罐和控制器 于一体，采用密封式包装，结构紧凑，相对传统h p s 系统而言节省了安 装空间。 节能性。传统h p s 系统通过发动机带动液压泵提供助力，无论车辆在行 驶过程中是否需要提供助力，液压泵都需要保持在工作状态，这必然增 加了能源的额外消耗。而对于e h p s 系统，液压泵完全脱离了发动机， 而是通过一台独立的电机驱动，这样只有在需要助力的情况下系统才进 入工作状态，极大地节省了能源的消耗。 7 江苏大学硕士学位论文 目前，e h p s 系统相比于传统l i p s 系统，有效降低了汽车燃油消耗，较好地 改善了系统的助力特性，其在今后的主要研究方向为【叼：开展电动机与液压泵的 匹配研究，进一步提高系统效率：改进控制算法以适应系统的非线性，提高系统 的动态性能，进一步减少能耗；开发适宜中重型车辆使用的大功率、高响应电动 液压助力转向系统：对系统采用车速和转向速度、横向加速度、前轴重力等多种 信号的综合控制，进一步提高路感，减轻驾驶员负担，实现精确转向等。 1 5 本课题研究意义及研究内容 e h p s 系统所涉及的研究领域广泛，包括微电子控制、电机控制、传感器、 机械设计以及非线性控制等，是多门学科技术的综合应用，对推动电气传动技术 以及微电子技术、传感器技术的发展具有深远意义。另外，通过对e h p s 系统的 研究，为开发出适于轿车和微型汽车的新型电控转向系统提供技术储备。 e h p s 系统的发展已经经历了二十余年，在汽车上的应用变得越发广泛起来， 并且仍旧具有广泛的市场前景。开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识 产权的e i - i p s 系统具有明显的经济效益和社会效益，并可为我国汽车行业在加入 w t o 后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化的高新技术产 品。 电动液压助力转向技术在我国的研究仍比较有限，本文主要以美国t r w 现 已技术成熟并批量生产，应用于p o l o 轿车的e h p s 系统【9 l 为基础，完成硬件电 路设计和相关控制策略的制定，主要完成的任务如下： 深入研究e h p s 工作原理，阅读相关文献资料，把握e h p s 电机控制的 关键问题。 掌握本论文研究所使用的e h p s 系统中电机工作原理。 硬件电路搭建。通过p r o t e l 、m u l t i s i m 等电路仿真设计软件，设计 e h p s 的控制器原理图，绘制p c b 电路图并制版，完成电路板的调试工 作。 软件开发设计。深入学习t i 公司c 2 0 0 0 系列d s p 结构功能和c c s 丌发 平台操作方法，制定e h p s 电机转速控制策略。 控制器设计完成后，进行初步的台架相关实验。 8 江苏大学硕士擘位论疋 第二章e h p s 直流无刷电机的工作原理 早期的e h p s 系统是通过台直流宵刷电机拧制液爪泵实现助力转向的。众 所周知，丁亢流有刷电机依靠机械方法进行换辅，不- 避免地存在机械摩擦， 从而在换柑过程中带柬了噪卢、火花、磨损车u 无线电 。扰等问题。随着直流无酬 电机的问世，其构造简单、运行可靠、效率高和维护方便等特点越束越j 泛地在 控制领域巾体现出束。 如第章所述，k o y o 公司第一代e h p s “品j “泛使用rf 流无刷电机代替 锖二代中的龃流有刷电机。本争较详细地介鲻，该e i - 冲s 系统所用直流无刷电机 的结构及i 作原理，并浅谈直流尤刷l 乜机在e i - i p s 的发展方向。 21e h p s 直流无刷电机的结构 图21 给r 该e h p s 系统所用电机的结构图。通过测试，法电机供电电爪 为直流1 2 v 。从陶中可以看出，臣电机转子外冒，片且原电机换柏所用功率管足 和l u 机连在起的。刿22 和圈2 3 分别给出了电机转了和定子的结构图，罔2 4 给山电机的动力单元部分。 警 ，； 黛二 昝基 囝2 1 电机结构 f i g2 1 c | i l m o f t h e m o t o r 江苏大幸硕士学位论文 圈2 4 电机动力单元 f i 9 2 4p o w e r p a c ko f t h e m o t o r 江苏大学硕士学位论文 2 2e h p s 直流无刷电机绕组结构 所谓绕组，即线圈在定子上有规律地分布，绕组通电后与电机转子通过磁场 作用产生力矩，从而带动负载转动。直流无刷电机的绕组结构一般可以分为单层 绕组和双层绕组。 由图2 2 和图2 3 可以看到，电机定子总槽数为1 2 个，转子含7 块永磁体， 即7 对极。根据公式： 电角度= 极对数1 濡x 3 6 0 。，或者 电角度= 极对数机械角度，可以计算该直流无刷电机的电角度为2 1 0 6 ，根据电 角度的大小，绘制了星形矢量图如图2 5 所示。 1 弋矿 。n 磊 形令 图2 5 绕组星型矢量图 f i g 2 5v c c t o r g r a p ho ft h ew i n d i n g 利用该星形矢量图，可以将该电机设计成三相电机或四相电机等。观察电机 动力单元部分连接的四个功率开关管可知，该电机被设计成四相直流无刷电机。 对于四相电机，其控制相对简单，另因不存在h 桥驱动电路，故减少了功率开 关管的使用数量，降低了开发成本。本文根据四相绕组对称和合成转矩最大的原 则来分配各项绕组分别包含哪些槽导体。 2 3e h p $ 直流无刷电机的位置传感器 无刷直流电机按位置传感器的有无可分为带位置传感器和不带位置传感器 两种。不带位置传感器的无刷直流电机换相主要是通过绕组反电动势波形判断转 子位置，而带位置传感器的无刷直流电机主要通过传感器输出的信号对转子当前 江苏大学硕士学位论文 位置作出判断，从而协助电机的换相工作。 从图2 4 中可以看到，该电机含两个霍尔位置传感器。由于电机含四相序四 状态，故电角度为9 0 ，另外根据电机转子所含7 块永磁体，经过计算可得两个 。霍尔位置传感器的机械角度约为1 2 9 。有关霍尔位置传感器的基本工作原理请 参考本文第三章。 霍尔位置传感器根据电机转子的不同位置提供四种输出电平，并设置d s p 的两个i o 口工作在输入状态来读取这两路霍尔位置传感器输出电平状态，即换 相控制字，记为0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 ，换相控制字与换相的对应关系见表2 1 。 表2 1 换相控制字与换相的对应关系 t a b 2 1r e l a t i o n s h i po fp h a s e - c h a n g ec o n t r o lw o r da n dp h a s e - c h a n g e 2 4e h p s 直流无刷电机驱动原理 2 4 1 电机的p w m 调制 随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用 全控型的开关功率元件进行脉冲调锘1 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 控制的 无刷直流电机已成为主流【1 0 l 【1 1 】【1 2 1 ，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电 路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变 换等许多领域。在电机控制中，p w m 调制主要通过改变功率器件的导通与关 断时间来改变加载于电机电枢两端的平均电压大小，从而改变电枢电流大小。 图2 6 中通过使用一个三极管简要示意了p w m 调制的过程。当来自外部 的占空比为5 0 的p w m 信号经过三极管的基极时，根据三极管工作原理， 在p w m 的高电平时期导通，低电平时期关断，此时检测三极管集电极端输 出电压波形如图2 7 a 所示。 1 2 江苏大学硕士学位论文 p ，m a u t r - s o u o p w m a u t y = 7 5 t j o 图2 6 简单p w m 输出电路 f i g 2 6as i m p l ep w m c i r c u i t 图2 7 不同占空比的p w m 信号 f i g 2 7p w ms i g n a l sw i t hd i f f e r e n td u t yc y c l e s 当改变p w m 的占空比为7 5 时，二者的波形如图2 7 b 所示。 输出电压的平均值u 。可以由下式表示： u ，= 糍或 u ，= a u 。 其中：u 。一集电极瞬时电压； 口一占空比。 占空比表示的是在一个p w m 周期内，开关管导通的时间与p w m 周期的比 1 3 江苏大学硕士学位论文 值，通过调节p w m 的占空比，可以间接改变电阻的平均电压，即改变了电阻流 过的平均电流。电机就是通过该原理控制电枢的平均电压，从而达到控制电机转 速的目的。 改变占空比有三种方法【1 3 1 ： 保持t 1 不变，改变t 2 ，从而改变周期t 保持t ：不变，改变t ，从而改变周期t 保持t 不变，改变t 1 和t 2 本文采用第三种方法，通过改变p w m 信号高电平时间来调整占空比大小， 进而改变电机的转速。 2 4 2d s p 的p w m 波形产生 为了产生一个p w m 信号，d s p 的定时器定时周期应该和p w m 的周期相等。 另外需要对d s p 的野，a e 、，b 模块中的比较单元的比较寄存器设定数值，该数值 不间断地与定时器的计数器值相比较，按照预定的比较方式，p w m 即产生跳变。 通过此种方式，d s p 的p w m 管脚就会产生一个宽度与比较寄存器数值成比例的 脉冲信号。在定时器重复定时的过程中就产生了p w m 信号。图2 8 和2 9 分别 给出了比较单元产生的对称p w m 波形和非对称波形m 。 灞鲁厂 厂 厂 徽矧7l jl j l 一 ( 避壹墼! l 露艘 l| l l 一一 。一拢较残配点3 一簇勰繇凝点 图2 8 比较单元产生的对称波形 f 馘7 8 跚皿m e 舡i 礴lw a v e f o r mg 融蹦唰b yc o m p a r t 喀u n i t 1 4 江苏大学硕士学位论文 r i 诗 l 崤硝蠲瑚 嚅羽门垒厂 ：厂( 繇程鲠， il=：=j乙j 燮盗羔一厂 f 磊习 n 巍盔熬j lll 谢效ll 已 o 。诧软嚣琵熊3 一瑗凝嚣鬣煎 图2 9 比较单元产生的非对称波形 f i g 2 9a s y m m e t r i cw a v e f o r mg e n e r a t e db yc o m p a r i n gu n i t 使用d s p 比较单元产生p w m 波形的过程如下1 1 5 】： 设置比较方式控制寄存器a c t r x 如有必要，使能死区功能，配置死区控制寄存器d b t c o n x 对比较寄存器c m p r x 赋值 设置定时器寄存器t 1 c o n ( 1 3 c o n ) 并启动定时器 通过更新c m f r x 的数值改变p w m 占空比的大小 对于本控制器，设定定时器的周期计数值为2 0 0 0 ，采用连续增计数方式。 由于d s p 工作在4 0 m i - i z ，即c p u 时钟周期为2 5 n s ，可得到定时器周期为5 0 a s ， 即p w m 的周期为5 0 邶。另外，采用了高有效的比较方式，即当前定时器的计 数器值大于事先写入比较寄存器的数值时，p w m 输出电平为高。例如写入 c m p r x 寄存器的值为1 0 0 0 ，则可得到占空比为5 0 的脉冲信号。 2 4 3e h p s 直流无刷电机驱动原理 图2 1 0 给出了该直流无刷电机的驱动原理图f 垌。 1 5 江苏大学硕士学位论文 m 0 瓣 塑一 图2 1 0 电机驱动原理图 f i g 2 1 0d r i v i n gc i r c u i to ft h em o t o r 当电机转子位置传感器信号输入至d s p 后，d s p 根据该换相控制字决定a 、 b 、c 、d 四相中的某一相为当前导通相，并通过输出p w m 斩波信号控制某一 功率管。当某一相绕组导通后，电流经1 2 v 电源正端流过绕组，最后流过检测 电阻至功率地，如图2 1 0 中实线所示。 检测电阻电流输入端经放大滤波后引入到d s p 的a d 转换引脚，为电机的 电流闭环调速提供依据。 2 5e h p s 直流无刷电机的续流原理 对于永磁同步电机的某一相绕组而言，如果电机绕组为双绕组，那么a 相与 a 相为主绕组与辅助绕组的关系，电流续流路径如图2 1 1 虚线所示，此时a 相 绕组与a 相绕组双股并绕，紧密地耦合在一起【1 刀。当a 相主绕组通电结束后， 由于磁场蓄能，a 相辅助绕组导通，因a 相主绕组电流衰减，绕组产生反电动 势，并在a 相绕组同名端感应相同大小的反电动势。当该反电动势大于电机电 压时，a 相绕组的功率管的保护二极管导通，电机在单独一相绕组中完成一次续 流工作。对于该e h p s 系统所用直流无刷电机，其续流原理与上述类似，不同的 是电机续流是在两相绕组之间完成的，其续流过程如下：电机a 相绕组与b 相 绕组紧密耦合，当a 相绕组通电结束后，c 相绕组导通，因a 相电流衰减，绕 组产生反电动势，并在b 相绕组同名端感应相同大小的反电动势。当该反电动 1 6 江苏大学硕士学位论文 势大于电机电压时，控制b 相绕组的功率管的保护二极管导通，电流回馈至电 源，完成一次续流工作。续流时电流路径如图2 1 0 中虚线所示。同理，当c 相 绕组通电结束后，b 相绕组导通，c 相绕组通过d 相完成续流工作。此续流原理 同样适用于b 、d 两相绕组。 二； 。 l l l g o $ f e i 一【 i o n - d l 图2 1 1 永磁同步电机的续流原理 f i g 2 1 1a f t e rf l o wm e t h o do fp e r m a n e n tm a g n e td c c u r r e n ts y n c h r o n o u sm o t o r 2 6 直流无刷电机在e h p s 中的改进 目前对e h p s 电机的研究着眼于提高电机的输出。以往e h p s 电机工作时的 极限电流可达到8 5 a 左右，而近些年来国外相关研发人员已经设计出最大工作 电流为9 5 a 的e h p s 电机。另外，如何有效地减少电机内部损耗及外部损耗， 提高电机的工作效率也是目前对e h p s 电机的研究方向。 电机损耗主要包括机械损耗、铁磁损耗以及控制器电机驱动电路造成的损 耗。由于控制器的电阻和功率管产生了功耗( i 2 r ) ，所以必须通过减少电机驱 动电路的电阻值以改善电机效率。通过减少功率管的阻值和改善控制器母线电 路，控制器的电阻值可减少到6 4 册q 左右【堋，这样假设电机电流最大达到8 0 a ， 则损失的功率约5 0 w 。 由于e h p s 电机在工作时转子转速很高，因此电机的铁磁损耗不容忽视。一 些文献中提到，使用一种掺杂一定比例硅的磁钢片作为转子材料，可有效减少磁 滞损失。另外对绕组线圈的缠绕方式提出了改进方法，即增加绕组线圈的缠绕密 度，以减少铜损。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 7 本章小结 以直流无刷电机代替以往的有刷电机应用于电动液压助力转向系统领域，明 显地解决了噪声、干扰等问题，提高了系统的可靠性和稳定性，使得无刷直流电 机在该领域内的应用越来越广泛。本章主要介绍了本文使用的e h p s 直流无刷电 机的结构特点、电机驱动电路、换相原理以及电机续流原理，并简要介绍了今后 用于e h p s 的电机的改进方向。 1 8 江苏大学硕士学位论丈 第三章e h p s 控制器硬件电路设计 控制器的优劣决定了一个受控系统的性能的好坏，一个设计完整的控制器才 能实现所需的各种控制功能。控制器的硬件设计需要考虑到诸多因素，例如设计 者在对控制器进行设计之前，需要全面了解该控制器所要达到的预期的相关控制 功能。考虑到成本问题，还要从该控制器所用的各类相同元器件中进行筛选，以 便较好地降低设计成本。另外，由于电磁兼容问题越来越成为电子设备系统中的 一个严重问题【1 9 1 ，如何更好，更有效地避免电磁干扰，提高控制器工作的稳定性， 也是设计者无法逃避的一个现实的问题。 本章从e h p s 控制器硬件设计的角度出发，逐一阐述该控制器各个功能模块 的电路原理，元器件选择，以及最终p c b 绘制中所考虑到的一些因素。 3 1e h p s 控制器硬件构成框图 e h p s 系统控制器主要包括以下几个部分：电源模块、转向盘角速度信号处 理电路、车速信号处理电路、功率管驱动电路、电流检测电路、转子位置信号处 理电路以及仿真模块。硬件结构图如图3 1 所示。 控制器工作流程简述如下：控制器与电机上电进入工作状态，同时d s p 开 始接收转向盘角速度信号和车速信号，并确定电机目标转速，d s p 根据p i 控制 算法对电机转速做出相应p i 调节，并迅速控制电机达到目标转速。 图3 1e h p s 控制器硬件结构图 f i g 3 1h a r d w a r es t r u c t u r eo fe h p se c u 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 2e h p s 控制器的微处理器 d s p 芯片是一种数字信号处理芯片，大都采用了哈佛结构，即将内部数据和 程序分离，并广泛采用流水线操作，可以快速实现各种数字信号处理。另外， d s p 具有专用的乘法器，使乘法运算可以在一个指令周期内完成，提高了乘法运 算速度，从而整体上提高了d s p 的运算性能例。 本控制器采用美国t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 系列型号为l f 2 4 0 7 的微 处理器，t m s 3 2 0 系列微处理器广泛应用于控制领域中，尤其是在对电机控制方 面，t m s 3 2 0 系列提供了更多更有效的控制途径。 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 中比较成熟的一款，集高速的运 算能力与强大的控制能力于一身。另外其灵活多变的指令集，较低的生产成本成 为很多数字控制应用的理想选择。该d s p 采用1 4 4 引脚贴片式封装，如图3 2 所示，其大致功能及所含资源如下： 采用静态c m o s 技术，3 3 v 电源供电，减少了控制器功率损耗 在4 0 m i p s 下d s p 的单指令周期为2 5 n s ，提高了控制器的实时控制能力 片内含3 2 k 字1 6 位的f l a s h 程序存储器和1 5 k 字1 6 位的数据程序 r a m 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个模块均包括如下资源：两个1 6 位通用定时器，六个比较p w m 输出以及三个捕获输入 总计1 6 通道的1 0 位a d 转换，最低转换时间5 0 0 n s ，这些a d 转换通 道可编程设定为两组各8 个通道输入或一组1 6 个通道输入 看门狗定时器模块( w d t ) 串行通信接口模块( s c i ) 串行外部设备接口模块( s p i ) 4 0 个通用i o 口 5 个外部中断( 电机驱动保护。复位和两个可屏蔽中断) 江苏大学硕士学位论文 根据e h p s 系统电机控制的需要，该控制器工作主频选择为4 0 m h z ( 由 1 0 m h z 晶振经4 倍频得到) ，采用e v a 模块两路i o 输入信号引脚i o p a 3 和 i o p a 4 ，作为电机位置传感器的输入信号引脚来控制电机换相，而四个功率开关 管分别由e v a 的p w m l ，p 、矾奶和e v b 的p w m 7 ，p w m 9 四个p w m 输出信 号引脚来控制其开断。另外，采用了a d c i n 0 2 和a d c i n 0 3 两个引脚作为检测 电阻的反馈输入以及i o p a 5 引脚作为方向盘转向角速度信号的输入。为了便于 在线仿真调试，该控制器还外加了仿真调试接口( j t a g ) ，以及一块外存储芯片 和一块d a 转换芯片。 3 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的晶振电路 晶体振荡器，简称晶振，用于产生原始的时钟频率，在d s p 中，这个频 率可以经过锁相环电路倍频或分频后就可得到多种频率不同的时钟信号。 d s p 的时钟硬件设计有两种工作方法1 2 1 1 。一种是不使用片内振荡电路，只通 过外部有源晶体振荡器产生时钟信号，接入方法如图3 3 a 所示。在有源晶振4 2 1 江苏大学硕士学位论文 脚加入3 3 v 电压，2 脚接地，就可以在3 脚得到所需时钟。另一种方法需要利 用锁相环时钟模块( p p l ) 中提供的内部振荡电路，在d s p 芯片的引脚 x t a l l c l k i n 与x t a l 2 之间连接一晶体，启动内部振荡器，接入方法如图3 3 b 所示。 外部有源晶体振荡嚣 悬空 产生的时钟信号 a b 图3 3t m s 3 2 0 l f 2 , 4 0 7 的两种晶振电路 f i g 3 3t w oc r y s t a lo s c i l l a t i n gc i r c u i to ft m s 3 2 0 l f 2 a 0 7 前文提到的锁相环时钟模块连接在片内外设总线上，为d s p 提供所需的各种 时钟信号。然而需要为其设计一个滤波器电路，以便有效抑制信号的抖动和电磁 干扰，电路如图3 4 所示。 广_ _ tx 1 a l l l c l k i n c b l 上- = -l 三 l 摹 x r a l 2 f i n p l l p l l f 毒r 1 l 1 、c 1 p l l f 2 时钟输出 图3 4 锁相环时钟滤波电路 f i g 3 4f i l t e rc i r c u i to f p h a s e - l o c k e dl o o p 选择不同的电容c 。、c ：和电阻r 。可以实现不同晶振频率大小的滤波。在实 际电路中，电容c ，和c ：必须是无极性的，另外在制作印刷电路板时，应保证p p l 的电阻电容之间导线必须尽可能短。本文列出了常用的几种晶振频率对应的p p l 2 2 江苏大学硕士学位论文 滤波器推荐数值，见表3 1 。 表3 1 常用晶振频率对应的滤波阻容值 t a b 3 1c o m m o n l yu s e dr cv a l u e s