石偉　吳煌輝

摘 要：首先系統(tǒng)介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，并從車載電源、轉(zhuǎn)矩采樣和CAN通訊等多個方面進行了硬件電路設(shè)計。并借助軟件程序設(shè)計實現(xiàn)了故障檢測和助力模式選擇等具體功能。最后通過快、慢雙環(huán)程序的嵌套調(diào)用，實現(xiàn)了永磁同步電機的精準實時控制，該系統(tǒng)對今后EPS系統(tǒng)的應(yīng)用有良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 永磁同步電機 矢量控制

Design of Electric Power Steering System Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

Shi Wei，Wu Huanghui

Abstract：First， the basic structure and principle of the electric power steering system are systematically introduced， and the hardware circuit design is carried out from the vehicle power supply， torque sampling and CAN communication. And with the help of software programming， specific functions such as fault detection and assist mode selection are realized. Finally， through the nested call of fast and slow double-loop programs， the precise real-time control of the permanent magnet synchronous motor is realized. This system has a good reference for the application of EPS systems in the future.

Key words：electric power steering system， permanent magnet synchronous motor， vector control

1 引言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power steering System）具有節(jié)能、環(huán)保、易于安裝等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)EPS產(chǎn)品中的助力電機大多采用有刷直流電機，其控制方法簡單，但是運行效率低，在汽車領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用受到限制。永磁同步電機具有功率密度大、效率高等特性，將成為EPS系統(tǒng)助力電機的發(fā)展方向。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)的主控芯片采用MC9S12ZVML128，它具有PMF、PTU、ADC、TIM以及GDU等功能模塊，通過配置這些模塊，可以滿足永磁同步電機控制應(yīng)用要求。

EPS控制器硬件電路主要包括MCU、電源、信號采集、功率放大以及CAN通信等模塊。具體硬件設(shè)計框圖如圖1所示。其中電源模塊主要是從車載電源中析出系統(tǒng)所需要的12V和5V工作電源;信號采集模塊主要包括扭矩、電流、溫度、轉(zhuǎn)子位置以及車速等信號的采集，然后進行處理計算;CAN通信模塊可實現(xiàn)EPS與整車模塊間的通信，在進行臺架或整車測試時，可以實現(xiàn)實時通訊，以便于在線調(diào)試程序。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源模塊

電源是EPS系統(tǒng)中可靠性、穩(wěn)定性的重要組成部分。本系統(tǒng)采用12V車載蓄電池作為供電電源。系統(tǒng)電源電路設(shè)計如圖2所示。其中點火信號可以通過三級管V6、V7實現(xiàn)自鎖保護功能，從而解決自動熄火導(dǎo)致的安全隱患問題。

3.2 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角采樣電路

本系統(tǒng)采用非接觸式感應(yīng)傳感器，共有2路轉(zhuǎn)矩信號和1路轉(zhuǎn)角信號。該傳感器工作電壓為5V，轉(zhuǎn)角信號測量范圍可達740°，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角信號分辨率都高于0.005°，具有工作溫度范圍寬、分辨率高和抗干擾能力強等特點。

轉(zhuǎn)矩信號和轉(zhuǎn)角信號的調(diào)理電路如圖3所示。輸入信號Ain先通過上拉電阻R33與5V相連，再通過R34、R35、C57和C59兩級RC濾波電路得到Aout，最后通過74HC245將信號進行鎖存并傳給MCU的捕獲單元。

3.3 通訊電路

為了配合整車配置，系統(tǒng)采用CAN通訊電路，具體硬件電路如圖4所示。

本系統(tǒng)的通訊模塊電路采用TLE6250高速CAN 收發(fā)器，該芯片在斷電時能夠工作于低功耗模式，并有瞬態(tài)環(huán)境下總線引腳保護和過熱保護等功能。

本模塊主要完成EPS系統(tǒng)與整車通信，具體內(nèi)容包括：（1）接收整車速度、發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)等信號;（2）發(fā)送EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角信號、EPS運行狀態(tài)等信號。

4 軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分包含繼電器控制、故障檢測、信號采集與處理、永磁同步電機FOC控制等功能。同時依據(jù)轉(zhuǎn)矩和車速等信號選擇助力電機工作模式，并計算目標(biāo)電流。具體程序流程如圖5所示。

本系統(tǒng)的主程序分為快速環(huán)和慢速環(huán)兩個部分。其中快速環(huán)調(diào)用周期為100μs，慢速環(huán)調(diào)用周期為2ms。

快速環(huán)函數(shù)主要實現(xiàn)Clarke變換、Park變換以及反Park變換等程序，并通過調(diào)用SVPWM程序，達到更新PWM占空比的目的;慢速環(huán)函數(shù)包括電機轉(zhuǎn)速測量、扭矩信號測量以及電機目標(biāo)電流計算等工作內(nèi)容，從而完成傳感器信號的采集功能。

為了實現(xiàn)對EPS控制器的精準實時控制，主程序采用中斷處理機制，且快速環(huán)和慢速環(huán)兩個子函數(shù)共享同一個中斷。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于永磁同步電機的電動助力轉(zhuǎn)向控制器，并根據(jù)所設(shè)計的硬件模塊和軟件模塊，制作了一套EPS控制器，該控制器助力跟隨性能良好，有較強的應(yīng)用價值。

課題來源：湖南省自然科學(xué)基金項目。

課題名稱：永磁同步電機在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

課題編號：2018JJ4065。

參考文獻：

[1]徐煒.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與控制研究[D].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]朱文勃.基于永磁同步電機的EPS控制器開發(fā)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]吳煌輝，龍永紅，石偉等.EPS用PMSM弱磁控制方法與實現(xiàn)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，31（5）：72-77.

[4]熬德根.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略及仿真研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2017.

[5]蔣玲，蘇婷，朱虹，等.淺談汽車電動助力轉(zhuǎn)向[J].時代汽車，2017，（10）：31-33.

[6]徐清陽.感應(yīng)電機式汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制器開發(fā)[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]王安.基于永磁同步電機的EPS控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大，2013.

[8]葉雪峰.基于PMSM電機的低成本電動助力轉(zhuǎn)向優(yōu)化控制與實現(xiàn)[D].上海：上海師范大學(xué)，2016.