吳玨 楊廣春

摘? 要：采用磁編碼器作為電機(jī)位置傳感器，裝配上采用90°差分方式擺放，有效消除共模噪聲，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理。電機(jī)控制系統(tǒng)采用矢量控制，采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)閉環(huán)控制方式實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。在基于CKS32F103C8T6芯片的硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的控制性能。

關(guān)鍵詞：線性霍爾；矢量控制；磁編碼器

中圖分類號(hào)：TM33；TP273；TP391.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0068-04

Abstract： The magnetic coder is used as the motor position sensor， 90° differential arrangement is adopted for assembly to effectively eliminate common mode noise and software filtering of the sampled signal. The motor control system adopts vector control， using the speed loop and current loop closed-loop control method to control the speed and current of the motor in real time. The control of the steering motor is realized on the hardware platform based on the CKS32F103C8T6 chip， and the experimental results show that the system has good control performance.

Keywords： linear hall; vector control; magnetic encoder

0? 引? 言

隨著汽車電子技術(shù)的高速發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)已由傳統(tǒng)機(jī)械助力、液壓助力，發(fā)展到電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)[1，2]。電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力控制器作為汽車最重要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件，其性能的好壞直接影響著汽車的行駛的安全性和可靠性[3]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器主要采用矢量控制技術(shù)[4，5]控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，不僅要求汽車的助力電機(jī)在各種轉(zhuǎn)向工況下能快速準(zhǔn)確地輸出助力轉(zhuǎn)矩并能實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，而且還要求輸出平穩(wěn)高效的轉(zhuǎn)矩，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突變等情況。電機(jī)主要部件的磁編碼器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又由于在位置檢測(cè)和角度計(jì)算上都優(yōu)于傳統(tǒng)的六步方波法來控制無刷直流電機(jī)[6]，故用此傳感器應(yīng)用于電機(jī)控制中能有效提高目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確性，在高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行下也無明顯頓挫感。

本文提出了基于磁編碼器的車用轉(zhuǎn)向助力電機(jī)控制系統(tǒng)方案，通過對(duì)磁編碼器信號(hào)處理，相電流檢測(cè)等精準(zhǔn)的電機(jī)位置檢測(cè)手段，使電機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種工況下都能平順的運(yùn)轉(zhuǎn)下去。

1? 助力轉(zhuǎn)向控制器整體系統(tǒng)方案

1.1? 系統(tǒng)硬件方案架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用32位單片機(jī)CKS32F103C8T6作為主控芯片，該芯片的內(nèi)核為Cotex-M3，總線頻率最高72 kHz，128 KB字節(jié)Flash內(nèi)存，1路CAN總線，1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器。3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入，1個(gè)12位16通道的ADC采樣模塊用于各模擬量的采集。硬件方案主要由開關(guān)電源電路、電壓采樣、三相電流采集信號(hào)處理、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、磁編碼器信號(hào)檢測(cè)電路組成。從圖1系統(tǒng)硬件方案框圖可以看出，開關(guān)電源電路為整套系統(tǒng)提供所需12 V、5 V和3.3 V的電源。通過磁編碼器檢測(cè)電路來檢測(cè)電機(jī)位置信號(hào)，將電機(jī)位置信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給控制芯片；通過電流檢測(cè)電路將三相電流采集的模擬信號(hào)傳輸給控制芯片，控制芯片根據(jù)換向邏輯和負(fù)載使用情況輸出相對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)制信號(hào)，通過逆變電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的電壓電流調(diào)制控制。電路中還包含電流短路保護(hù)、電壓檢測(cè)、電源防反接等保護(hù)電路，在突發(fā)短路或接線操作失誤時(shí)能有效保護(hù)后級(jí)電路不被燒毀。

圖2是硬件電源結(jié)構(gòu)：電源輸入通過BUCK降壓電路輸出15 V電源，主要用于MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓；15 V電源通過線性穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)為5 V電源，主要用于霍爾等外設(shè)部件；5 V電壓通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為3.3 V電源，主要用于單片機(jī)供電。電源輸入端采用寬電壓輸入范圍6 V～70 V的電源芯片XL7046，搭配外圍的電感和二極管組成BUCK電路，VIN輸入電壓范圍19.2 V～28.8 V，輸出VOUT電壓為15 V。該電路中位號(hào)V1 MOS管CRST055N08N具備電路防反接功能，當(dāng)電源線正負(fù)接反時(shí)，MOS處于截止?fàn)顟B(tài)，無法形成有效回路，能對(duì)后端電路起到保護(hù)作用，防止其他電子元器件損傷。15 V后端采用AMS1117和MD7533逐級(jí)轉(zhuǎn)化為5 V和3.3 V。

圖3為磁編碼器采樣電路，磁編碼傳感器采用四個(gè)線性霍爾作為傳感器，并做差分方式放置，以下采用1組電路作說明，線性霍爾輸出的波形為5 V正弦波，單片機(jī)采用3.3 V電源，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用運(yùn)算放大器將原來的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為0.82倍，經(jīng)過RC濾波后送入單片機(jī)AD采樣口。

逆變電路主要由板橋驅(qū)動(dòng)電路和功率開關(guān)電路組成。圖4為三相全橋逆變電路，它由6個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）組成，工作在兩兩導(dǎo)通的狀態(tài)，將直流電逆變?yōu)榭烧{(diào)的交流電，本設(shè)計(jì)開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為15 kHz。

1.2? 磁編碼器工作原理和信號(hào)處理

磁編碼器是一種電機(jī)位置角度和位移檢測(cè)的傳感器，其工作原理是采用線性霍爾元件或者磁阻元件，對(duì)電機(jī)角度或者轉(zhuǎn)子位移變化的磁性實(shí)體進(jìn)行測(cè)量[7-9]。本系統(tǒng)采用線性霍爾元件作為磁編碼器的主要采集元件。磁編碼器檢測(cè)電路信號(hào)發(fā)生部分的結(jié)構(gòu)為單對(duì)磁極結(jié)構(gòu)。圖5為單對(duì)磁極四信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖，磁鋼環(huán)固定在轉(zhuǎn)子上，四個(gè)霍爾元件固定在定子上，均勻分布在圓周上，霍爾元件發(fā)出的信號(hào)A+與A-，B+與B-分別差分可得到兩相信號(hào)A與B，用于消除共模噪聲及部分機(jī)械偏差。

A、B兩相電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)子角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖6為兩相信號(hào)與角度對(duì)應(yīng)關(guān)系。模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，用兩相信號(hào)的符號(hào)和大小關(guān)系可將一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期分成若干區(qū)間，每個(gè)區(qū)間內(nèi)，任一相的電壓與角度都一一對(duì)應(yīng)，利用電壓-角度變化斜率較大的一相判斷角度，可得到較高的角度精度和分辨率。

根據(jù)兩組差分信號(hào)UA和UB，兩組曲線相交點(diǎn)，圖6可以將曲線分為8段，每一段曲線值都對(duì)應(yīng)了相對(duì)應(yīng)的角度，計(jì)算角度時(shí)只需根據(jù)AD采樣值即可。

磁編碼器輸出的初始信號(hào)為電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置的正余弦函數(shù)，需要使用反正切法進(jìn)行位置解碼[10]，但是由于初始信號(hào)疊加了一定的噪聲，適用性不強(qiáng)，為了獲得更準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子角度和電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等信息，首先需要對(duì)磁編碼器輸出的信號(hào)做濾波處理。本設(shè)計(jì)通過一階低通濾波器的方法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理。

圖7為一階方程模型可得時(shí)域方程（3），其中R為濾波電阻，C為濾波電容，U1為輸入電壓，UC為濾波電壓：

由此式（7）可對(duì)濾波信號(hào)做一階濾波處理后，帶入軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)磁編碼器采樣信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。

2? 電機(jī)矢量控制架構(gòu)

矢量控制系統(tǒng)主要由以下四大模塊組成，圖8為矢量控制系統(tǒng)架構(gòu)，分別為FOC運(yùn)算、三相電流采樣、逆變調(diào)制、磁編碼器信號(hào)處理。將三相采樣電流a、b、c經(jīng)過Clark變換為d、q交直軸坐標(biāo)α、β，分別代表電機(jī)d軸和q軸電流分量，從而對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。逆變調(diào)制模塊主要采用高功率MOSFET器件實(shí)現(xiàn)對(duì)斬波頻率及電壓的調(diào)制，磁編碼器模塊主要確定轉(zhuǎn)子的速度和電角度。

三相采樣電流ia、ib、ic經(jīng)過Clark變換為交直坐標(biāo)下的id，iq：如式（8）：

經(jīng)過坐標(biāo)變換后，d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線重合，為磁場(chǎng)增強(qiáng)軸，q軸為轉(zhuǎn)矩軸。這樣便實(shí)現(xiàn)了定子電流的解耦，將其分解為勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)分量，進(jìn)而對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立控制[9]。

Te=pφf id? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

由式（9），可得Te ∝ id，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩具有良好的線性控制性。

系統(tǒng)主要通過速度環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)維度進(jìn)行控制：為了精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過磁編碼器計(jì)算得出的轉(zhuǎn)速值與給定的轉(zhuǎn)速差值作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，實(shí)時(shí)調(diào)制逆變電路的電壓值，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速保持與給定的轉(zhuǎn)速保持一致；為達(dá)到電流閉環(huán)，將d軸電流和q軸電流與給定的電流誤差輸入PI調(diào)節(jié)器得到q軸和d軸輸出電壓，再經(jīng)過Park逆變換，輸入逆變驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行調(diào)制，這樣使得電機(jī)電流和負(fù)載能更精準(zhǔn)的進(jìn)行匹配。矢量控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

3? 控制器軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要包括主程序、中斷程序和CAN通信程序三個(gè)部分。軟件開始執(zhí)行后，首先對(duì)各子程序初始化，時(shí)鐘、TIM1、TIM3、ADC、中斷、CAN通信等進(jìn)行初始化配置。圖9為軟件設(shè)計(jì)流程圖，完成初始化配置后進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)包含CAN協(xié)議解析、電機(jī)控制、電機(jī)狀態(tài)回傳、報(bào)警監(jiān)測(cè)等配置。外部中斷設(shè)置主要由以下幾個(gè)部分組成，DMA中斷、ADC中斷、CAN接收中斷、剎車中斷、硬件過流中斷、溢出中斷。其中ADC中斷和TIM1溢出中斷在每個(gè)調(diào)制周期都會(huì)觸發(fā)一次，ADC中斷負(fù)責(zé)讀取磁編碼器的采集值，然后一階低通濾波后，利用反正切計(jì)算出當(dāng)前角度，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前角度增加值，計(jì)算出當(dāng)前速度值。TIM1溢出中斷主要是用于速度環(huán)、電流環(huán)、矢量控制的計(jì)算和PWM的輸出。

4? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電機(jī)采用直流無刷電機(jī)，額定電壓為24 V，額定功率為500 W，位置傳感器為磁編式傳感器?？刂破鞑捎玫膯纹瑱C(jī)是CKS32F103C8T6，在此硬件平臺(tái)上，用測(cè)試功系統(tǒng)測(cè)試，得到曲線。圖10為控制系統(tǒng)功率曲線圖，從曲線中可以看出，速度電流轉(zhuǎn)矩都沒有突變，變化平穩(wěn)，保證了助力電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)性和可靠性。由表1特征點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示電機(jī)在不加載時(shí)轉(zhuǎn)速為341 r/min，達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩為34.3 N.m，最大效率達(dá)到了85.5%，具有較寬的效率曲線，各曲線完整平滑，控制器最大電流為14.96 A。

5? 結(jié)? 論

線性霍爾的磁編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小，具備較強(qiáng)的抗干擾能力和較快的響應(yīng)速度，在成本上較光編等同性能編碼器也有很大優(yōu)勢(shì)。本文使用基于線性霍爾的磁編碼作為電機(jī)矢量控制的位置傳感器，通過對(duì)采樣信號(hào)的處理，控制器能滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器能滿足助力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用要求。后續(xù)此方案還可以應(yīng)用于低壓伺服，紡機(jī)等電機(jī)類控制項(xiàng)目中。目前該控制系統(tǒng)的電流設(shè)計(jì)在15 A，所產(chǎn)生的一些電磁干擾還不是很大，若后續(xù)要設(shè)計(jì)更大功率的控制器，還需再對(duì)磁編碼器的信號(hào)進(jìn)行更高階的濾波處理，控制器電流采樣處理等也要進(jìn)一步優(yōu)化，以便提高電機(jī)轉(zhuǎn)子角度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：吳玨（1986—），男，漢族，江蘇丹陽人，工程師，本科，研究方向：嵌入式硬件開發(fā)及汽車電子項(xiàng)目開發(fā)等。