低成本電動助力轉向電機控制系統的實現與控制策略優化

    明  月，  劉嘉明，  沈建新

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

摘要：分析了低成本、高性能電動助力轉向(EPS)電機控制系統的實現與成本控制方法。為了優化系統性能，對比研究了正弦脈寬調制(SPWM)，空間矢量脈寬調制(SVPWM)和三次諧波注入脈寬調制(THI-PWM)三種不同的脈寬調制技術，以及自適應PI調節和固定參數PI調節兩種控制技術。試驗證明了采用自適應PI調節和SVPWM技術的低成本EPS控制系統具有良好的運行性能。

    關鍵詞：電動助力轉向；旋轉變壓器；自適應PI控制

    中圖分類號：TM 301．2文獻標志碼：A文章編號：1673-6540(2010)0643027-04

0  引  言   

    電動助力轉向(Electric Power Steering，EPS)系統具有節省電能、結構簡單、適合模塊化設計生產及轉矩輸出可控等優點，在未來幾年內將大量替代液壓轉向助力系統。但是，在電機設計、控系統設計、系統穩定性與可靠性及成本等方面，還需要做大量的研發工作。

    EPS系統的實質是一個伺服電機驅動系統，可以分為兩部分：(1)根據車速、駕駛者在方向盤上施加的轉矩等各種參數計算出電機的轉速和轉矩給定量；(2)根據第一部分的給定量，控制電機輸出相應的轉速和轉矩^[1-2]。本文分析第二部分控制系統的設計與優化。

1 控制系統的實現與成本控制

該系統采用表面磁鋼式隱極永磁同步電機(Salient—Pole Pel3~mnent Magnet Synonous Mo—tor，SPMSM)作為驅動電機，采用轉速、電流雙閉環的磁場定向控制方法。在d—q坐標系下，通過分別控制電機電流的id和iq分量，可以直接控制電機的磁場和轉矩，實現與直流電機類似的動態性能。該系統為實現****轉矩控制，采用id=0的控制方法，其控制框圖如圖1所示。

    電機控制器分為數字信號處理器(DigitalSignal Processing，DSP)控制單元、位置檢測單元、驅動單元、電流采樣單元四部分。其中DSP控制單元采用Freescale公司的1 6位混合型DSP

56F8323，其運算速度快、外設豐富、外圍電路簡單、成本低，適合低成本EPs電機控制系統應用，也可滿足汽車電子通信和穩定性的要求。    

    位置檢測單元由旋轉變壓器、旋轉變壓器一數字轉換(RDc)電路組成。相對于增量式光電編碼器，該系統具有抗機械沖擊和抗溫度、濕度變化等優點，且經過RDc解算出的是轉子****位置，大大簡化了DsP對電角度的計算；另外，旋轉變壓器系統成本遠低于相同精度的增量式光電編碼器。但RDc為模數共存芯片，外圍電路的設計和調試較為復雜^[3]。

    功率驅動單元由6個大功率M0sFET構成。由于霍爾效應電流傳感器成本過高，因此在下橋臂的M0sFET下端各串接一個與控制部分共地小阻值的精密功率電阻，作為電流采樣電阻，通過對電阻兩端的電壓進行AD采樣計算得到電機的相電流。由于只有下管導通時電流才會通過采樣電阻，因此該系統采用同步采樣模式，即在下管導通的中間時刻起動AD轉換。如果某一相下管導通時間過短，會引起電流采樣不準確或者無法采樣到電流值，則需根據無中線三相系統中三相電流之和等于零的特性，通過另外兩相計算該相電流。電機的實際相電流與經過同步采樣和計算得到的相電流值的波形對比如圖2所示，可見計算得到的電流亦即該系統的電流反饋，可以很好地反映實際電流。

    該系統采用的電機是一臺490 w的9／6結構的PMSM，其額定直流母線驅動電壓是12 v，額定轉速為1100 r／min，額定轉矩為4.24 N·m。電機的相反電勢如圖3所示，可以看出電機的相反

電勢并不是純正弦波，存在一定的諧波分量，這是由轉子永磁磁環進行多相正弦波充磁時并不精確所導致的。

2  SPWM．SVPWM和THI—PWM的對比研究

    正弦脈寬調制(sin—wave Pulse wid出M0du—lation，sPwM)、空問矢量脈寬調制(space vectorPulse阢dth Modulation，sVPwM)、三次諧波注入脈寬調制(_rhlrd Hannonic Iniected Pulse widthM0dulatrnn，T Hl—PwM)是現階段比較常見的脈寬調制(Pulse w·血M0dulaTion，PwM)技術，三者各有特點。