張輝,李金祁,蔡聰朝,郭龍舟

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

1 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)是一種直接依靠電力提供輔助力矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),助力大小由電控單元(ECU)控制。該系統(tǒng)僅依靠汽車上的蓄電池作為其電源,也不需要復(fù)雜的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),只需要控制電動(dòng)機(jī)電流/電壓的幅值,就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

作為EPS系統(tǒng)的動(dòng)力單元—— 助力電機(jī),其應(yīng)當(dāng)具有啟動(dòng)迅速,伺服性能好,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,噪聲低,易控制,可靠性和安全性高,對(duì)其它控制電路的電磁干擾盡量小,體積小,重量輕等特點(diǎn)。目前,傳統(tǒng)的EPS系統(tǒng)多采用永磁有刷直流電動(dòng)機(jī),然而有刷直流電動(dòng)機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的噪聲和火花對(duì)汽車的行駛安全性帶來很大影響以及其自身的功率密度低,能耗較大,給EPS系統(tǒng)的普及帶來不便[1]。為此,使用電子換向、高功率密度、高安全性和可靠性的無刷直流電機(jī)是EPS系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本文設(shè)計(jì)的基于無刷直流電機(jī)的EPS系統(tǒng)由車載蓄電池供電,主電路采用三相全橋逆變電路,主開關(guān)管采用開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小的MOSFET。無刷直流電機(jī)的控制采用上橋臂常通,下橋臂PWM斬波的三相六狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通方式,每一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通,這一方式開關(guān)管總損耗低,實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單。

2 EPS系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

EPS系統(tǒng)由ECU、轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和機(jī)械式轉(zhuǎn)向器等組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[2]。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diag ram of EPS system

EPS基本工作原理如下:ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)以及EPS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩、車速和助力電流三者之間的特定關(guān)系(見圖2),將轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)轉(zhuǎn)換為給定電流信號(hào),輸入到運(yùn)算單元進(jìn)行閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)了EPS系統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向特性。此外,ECU還有安全保護(hù)和自我診斷功能,ECU通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、輸入電壓等信號(hào)判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常,一旦系統(tǒng)工作異常,助力將自動(dòng)取消,并切換至方向盤機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),不影響車輛的安全行駛,同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析,輸出顯示故障代碼。

圖2 方向盤轉(zhuǎn)矩、車速與電機(jī)電流的關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of relationship among torque,speed and motor current

3 助力電機(jī)的控制

3.1 EPS系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與控制

無刷直流電機(jī)EPS系統(tǒng)的控制器硬件框圖如圖3所示。EPS控制器采集點(diǎn)火信號(hào)、轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和直流側(cè)電流信號(hào),并通過無刷直流電機(jī)的霍耳位置傳感器信號(hào)得到轉(zhuǎn)子位置,將以上信號(hào)綜合起來判斷方向盤目前所處的狀態(tài),根據(jù)所處狀態(tài)的不同,實(shí)施相應(yīng)的助力控制策略,從而達(dá)到協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作的目的。

圖3 無刷直流電機(jī)EPS系統(tǒng)控制器功能框圖Fig.3 Functional block of the controller in EPS system

功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋逆變結(jié)構(gòu),電動(dòng)機(jī)定子繞組為Y接法,電動(dòng)機(jī)為三相六狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通工作模式。本文選用的電機(jī)自身帶HALL傳感器,實(shí)時(shí)將 3路位置信號(hào)送入單片機(jī),經(jīng)過軟件處理得到6路PWM控制信號(hào),電機(jī)的霍耳信號(hào)與相應(yīng)的導(dǎo)通相的關(guān)系如表1所示。表1中,1表示常通,0表示常斷,PWM表示斬波。經(jīng)6ED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制6個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

表1 無刷直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)信號(hào)Tab.1 Clockwise/reverse signal of BLDC motor

助力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制是EPS控制的關(guān)鍵,由無刷直流電機(jī)的控制可以知道,控制電機(jī)的電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩控制[3- 4]。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電流單閉環(huán)方式,由表1可知,電機(jī)任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通,即相應(yīng)時(shí)刻直流母線上流過的電流就等于相應(yīng)導(dǎo)通相的電流,通過控制直流母線上的電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的控制。這種控制方式忽略了電機(jī)繞組電感的續(xù)流作用,是一種近似電流控制,只需在直流母線上串聯(lián)檢測(cè)電阻來采樣一路電流,有利于EPS控制器的小型化與經(jīng)濟(jì)化,性價(jià)比高。

本文選用Infineon公司的16位單片機(jī)XE164作為控制系統(tǒng)的核心,系統(tǒng)主頻80 MHz[5]。在EPS系統(tǒng)中,方向盤主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)、直流電壓信號(hào)、電機(jī)直流母線電流信號(hào)共4路模擬量,通過各自的調(diào)理電路輸入到單片機(jī)的 P5口;運(yùn)行、故障、狀態(tài)指示由P0口控制;過熱保護(hù)、驅(qū)動(dòng)使能檢測(cè)、電磁繼電器和電磁離合器檢測(cè)、過欠壓保護(hù)由P1口輸入;實(shí)時(shí)狀態(tài)及故障代碼顯示電路由P2口控制;6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P10.0-P10.5輸出;緊急制動(dòng)由P10.6實(shí)現(xiàn);3路霍耳位置信號(hào)由P10.7-P10.9輸入;定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T2,T3分別設(shè)定為采集車速信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào),由P4.2和P5.3口輸入。

3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)包括電壓調(diào)理電路、主副轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路、電磁繼電器檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)、電磁離合器檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)電流采集電路、位置信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路等組成。其中電動(dòng)機(jī)電流采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路為本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。

3.2.1 電動(dòng)機(jī)電流采集電路

本設(shè)計(jì)采用在主回路中串聯(lián)一個(gè)精密電阻,通過測(cè)量電阻兩端的電壓來獲取電流值。比起采用霍耳電流傳感器,降低了裝置成本。

本設(shè)計(jì)精密電阻阻值選用4 mΩ,與電樞電阻值(一般在200 mΩ左右)相比要小得多,基本不影響系統(tǒng)工作。電流采樣電路如圖4所示,電阻兩端的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管Z8限幅和電容C17濾波,再通過運(yùn)放CA3140進(jìn)行信號(hào)放大?？紤]到電機(jī)電流的波動(dòng)性,CA3140的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過限幅和濾波處理,然后送給單片機(jī)的 AD口和IO口。CPU將該信號(hào)作為電動(dòng)機(jī)電流反饋控制信號(hào)和故障診斷信息。

圖4 電動(dòng)機(jī)電流采樣電路Fig.4 Motor current sampling circuit

3.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路

該部分主要由開關(guān)管MOSFET、電流采樣電阻、驅(qū)動(dòng)芯片等組成,如圖5所示。主電路采用三相全橋逆變電路,主開關(guān)管采用開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小的MOSFET,驅(qū)動(dòng)芯片選用Infineon公司生產(chǎn)的6ED驅(qū)動(dòng)芯片,此驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓為13～17.5 V且自身帶有欠壓鎖定功能,典型值10.3 V。電阻R77為4 mΩ/12 W的精密電阻,作為電流采樣電阻串聯(lián)在直流母線。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及主電路Fig.5 Motor drive circuit and main circuit

3.3 EPS系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

EPS控制系統(tǒng)的任務(wù)包括:跟蹤轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的大小和方向、車輛速度、監(jiān)測(cè)電機(jī)電樞電流和蓄電池電壓,并控制電磁離合器的離/合、系統(tǒng)故障檢測(cè)及顯示等,軟件流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main prog ram flow chart

主程序主要用來對(duì)單片機(jī)的各片內(nèi)、外設(shè)進(jìn)行初始化。初始化時(shí)進(jìn)行各部件初始檢查,若無故障,EPS才可工作,開放所需要的各種中斷,進(jìn)行電池電壓和電機(jī)電流監(jiān)測(cè),完成車速和故障顯示。一些關(guān)鍵性的控制是以中斷方式實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)中利用定時(shí)器來產(chǎn)生恒定的主副轉(zhuǎn)矩和電池電壓采樣頻率。電機(jī)電流是EPS控制的核心,文中采用了T12的周期中斷來采集,采樣周期為50 μ s,保證了電流控制的精度。

4 結(jié)果分析

本文搭建了無刷直流電機(jī)EPS系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,并針對(duì)上述ECU的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓為24 V,額定功率 PN=188 W,額定轉(zhuǎn)速nN=4 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩為0.6 N?m,峰值轉(zhuǎn)矩為1.85 N?m。

圖7驗(yàn)證,當(dāng)給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)持續(xù)轉(zhuǎn)矩的情況下,助力電流跟蹤轉(zhuǎn)矩給定的情況。通道1為通過采樣電阻經(jīng)調(diào)理電路送入到單片機(jī)的電壓信號(hào),通道2為轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的電壓信號(hào)(所采用的轉(zhuǎn)矩傳感器中位電壓為2.5 V)。由于機(jī)械形變不均,轉(zhuǎn)矩傳感器的變化呈非平滑曲線。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤從中位,先施加一個(gè)正向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時(shí),助力電機(jī)正轉(zhuǎn)助力,當(dāng)施加一個(gè)反向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時(shí),助力電機(jī)反轉(zhuǎn)助力,給定電流跟隨轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的變化而變化。由于電機(jī)啟動(dòng)電流比較大,給定電流在PI的作用下出現(xiàn)較大尖刺(如圖7中電機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)所示)。

圖7 轉(zhuǎn)矩與給定電流Fig.7 T orque and given current wavefo rms

圖8為給定電流實(shí)時(shí)變化的情況下,電機(jī)電流的跟隨情況。給定電流由小漸大再由大漸小,電機(jī)電流都能實(shí)時(shí)跟隨給定。圖9為圖8的局部放大圖形。

圖8 給定電流與電機(jī)電流Fig.8 The given current and motor current waveforms

圖9 給定電流與電機(jī)電流的局部放大Fig.9 Partial amplification of the given current and motor current waveforms

5 結(jié)論

本文采用直流母線單電阻采集電流方式,實(shí)現(xiàn)了EPS系統(tǒng)無刷直流電機(jī)的控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的合理性,同時(shí)可以有效降低ECU成本與體積。

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