一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法与流程

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，特别是涉及一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法。

背景技术：

新能源电动汽车逐步取代燃油车成为主流城市交通工具，尤其是电动公交车等商用车市场。转向助力装置为电动汽车不可或缺的部件，大多数电动公交车的转向助力装置使用电动液压转向助力器。电动液压转向助力器的核心部件包括油泵、电机和电机控制器，电机控制器控制电机在额定转速下运行，电机通过机械连接驱动油泵转动产生相应的流量，克服汽车转向轮在转动过程中产生的阻力，从而为汽车转向系统提供转向助力。

目前电动液压转向助力器中的电机主要有三相交流异步电机和三相交流永磁同步电机两类。由于液压助力使用机油作为介质，电机工作环境不是很好，并且考虑到成本，因此电机都是不带位置传感器的，这就需要控制器使用无位置传感器算法控制电机。交流异步电机的效率相比永磁同步电机较低，而且通常使用变频变压的无位置传感器控制方法，使得整个转向助力电机系统的效率更低，考虑到节能或增加续航里程，使用永磁同步电机是未来趋势。永磁同步电机的控制算法需要得到电机转子的绝对位置信息，在无位置传感器的情况下，常用的方法是通过检测电机反电势的过零点，或者通过检测电机电流来估计电机反电势，再用反电势计算得到电机转子位置信息，实现无位置传感器速度闭环控制。

但是，目前的电动液压转向助力器永磁同步电机的无位置传感器控制方法存在的缺陷是：电机在零速静止和低速时没有反电势或者反电势很小，得不到电机转子位置信息或者位置信息很模糊，如果在电机静止启动时就使用速度闭环控制，则电机可能会反向旋转，导致电机驱动泵不能产生助力。因此目前的做法是速度开环启动，先给电机绕组通固定相序的指令电流，使电机开环加速，直到速度达到一定程度并出现明显的反电势幅值后，才切换到速度闭环模式。而开环加速的过程中，电流指令的大小以及加速时间与负载的大小有关，机油负载的粘稠度或阻力是与环境温度有关的，比如冬天的时候负载会比夏天的时候大，而且不同地域会有较大的差异，这就影响了控制的鲁棒性，电机进入速度闭环的成功率会降低，影响了在整车转向助力的效果。

鉴于以上问题，本发明提供一种改进的方法使电机从静止启动到额定转速全部使用速度闭环控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法，通过滑模控制模块中对电流估算得到的反电势信号进行了不同的反正切计算处理，校正了不同转速方向下估算的电机转子位置角，并对估算值进行特定的角度补偿，实现了电机全速范围内无位置传感器速度闭环控制。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法，包括以下步骤：

步骤一，电机控制器接收电机转速指令，并检测电机的电流反馈信号，所述电机控制器包括速度闭环调节器、直轴电流调节器、交轴电流调节器、第一变换模块、第二变换模块、第三变换模块、第四变换模块、滑模控制模块；

所述速度闭环调节器接收电机转速指令和电机转速反馈后输出交轴电流指令；

所述第一变换模块接收电机电流反馈信号，所述第一变换模块为三相静止坐标系到两相静止坐标系变换；所述第一变换模块将实测电机电流信号转换为两相静止坐标系下的电流反馈信号后传输至第二变换模块和滑模控制模块；

所述第二变换模块根据滑模控制模块传输的转子位置角信息，将两相静止坐标系下的电流反馈信号转换为两相旋转坐标系下的电流反馈信号，所述电流反馈信号包括直轴电流反馈信号和交轴电流反馈信号；

步骤二，所述直轴电流调节器接收直轴电流指令和直轴电流反馈信号后调节输出直轴电压指令至第三变换模块，其中直轴电流指令恒定为零；

所述交轴电流调节器接收交轴电流指令和交轴电流反馈信号后调节输出交轴电压指令至第三变换模块；

所述第三变换模块根据滑模控制模块传输的转子位置角信息，将两相旋转坐标系下的电压指令转换为两相静止坐标系下的电压指令传输至第四变换模块和滑模控制模块；

所述第四变换模块将两相静止坐标系下的电压指令转换为三相静止坐标系下的电压指令，即为电机电压指令。

优选地，所述滑模控制模块根据第三变换模块传输的电压指令和电流反馈信号，估算出转子位置角和电机实际转速；

所述滑模控制模块包括：滑模调节器、滤波模块、转子位置角估算模块、转速计算模块和角度补偿模块；

所述滑模调节器接收两相静止坐标系下的电压指令和电流反馈信号，调节输出两相静止坐标系下的限幅滑差信号；

所述滑模调节器中包含电机的电压方程，电压方程中含有电机参数，所述电机参数包括电机绕组相电阻值和相电感值、电机额定电流、电机额定电压，电机额定转速以及滑模幅值，这些参数在电机控制器通电后进行初始化设定。

所述滤波模块对限幅滑差信号进行滤波得到两相静止坐标系下的反电势信号，其中初始滤波截止频率参数在电机控制器通电后进行初始化设定；该反电势信号输入到转子位置角估算模块，并反馈给滑模调节器，将滤波截止频率提供给角度补偿模块，截止频率根据电机实际转速实时调整；

所述转子位置角估算模块根据两相坐标系下的反电势估算出转子位置角；

所述转速计算模块根据估算出的转子位置角得到电机实际转速，并反馈给转子位置估算模块、角度补偿模块和滤波模块，其中速度计算执行周期参数在电机控制器通电后进行初始化设定；

所述角度补偿模块根据电机实际转速和滤波截止频率对估算出的转子位置角进行特定的补偿，得到最终的电机转子位置角。

优选地，所述转子位置角估算模块包括：取负值模块、反正切计算模块A、反正切计算模块B和估算选择模块；接收到两相静止坐标系下的反电势信号，取负值模块对两相静止坐标系下的反电势信号取其负值；

反正切计算模块A用两相静止坐标系下x轴的负值和y轴的正值进行反正切三角函数计算，得到电机转子位置角估算值A；

反正切计算模块B用两相静止坐标系下x轴的正值和y轴的负值进行反正切三角函数计算，得到电机转子位置角估算值B；

估算选择模块根据电机转速反馈信号的符号选择输出电机转子位置角估算值A或估算值B。若电机转速反馈信号为正，则输出A；若电机转速信号为负，则输出B。

优选地，所述角度补偿模块包括一反正切计算模块，所述反正切计算模块根据接收到的电机反馈转速大小和滤波截止频率，计算出需要补偿的角度量，补偿的角度量与电机转子位置估算值求和，得到最终的电机转子位置角。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过滑模控制模块中对电流估算得到的反电势信号进行了不同的反正切计算处理，校正了不同转速方向下估算的电机转子位置角，并对估算值进行特定的角度补偿，实现了电机全速范围内无位置传感器速度闭环控制。

2、本发明中的电机在速度闭环下静止启动时，电机控制器根据电机实际转速的方向和大小进行特定的转子位置角度补偿，使电机不发生反向旋转，实现了电机从零转速到额定转速均为速度闭环运行，提高了电机无位置传感器运行的鲁棒性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法。

图2为电机控制器的功能框图；

图3为滑模控制模块的功能框图；

图4为转子位置角估算模块的功能框图；

图5为角度补偿模块的功能框图；

图6为整车应用原理框图；

图7为无位置传感器速度闭环控制电机操作流程图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101-电机控制器，102-速度闭环调节器，103-直轴电流调节器，104交轴电流调节器，105-第一变换模块，106-第二变换模块，107-第三变换模块，108-第四变换模块，109-滑模控制模块，110-电机，111-滑模调节器，112-滤波模块，113-转子位置角估算模块，114-转速计算模块，115-角度补偿模块，116-取负值模块，117-反正切计算模块A，118-反正切计算模块B，119-估算选择模块，120-反正切计算模块，150-油泵，160-整车控制器，170-油管，180-方向盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-2所示，本发明为一种电动液压转向助力泵的无位置传感器电机控制方法，包括以下步骤：

步骤一，电机控制器101接收电机转速指令，并检测电机110的电流反馈信号，电机控制器101包括速度闭环调节器102、直轴电流调节器103、交轴电流调节器104、第一变换模块105、第二变换模块106、第三变换模块107、第四变换模块108、滑模控制模块109；

速度闭环调节器102接收电机转速指令和电机转速反馈后输出交轴电流指令；

第一变换模块105接收电机电流反馈信号，第一变换模块105为三相静止坐标系到两相静止坐标系变换；第一变换模块105将实测电机电流信号转换为两相静止坐标系下的电流反馈信号后传输至第二变换模块106和滑模控制模块109；

第二变换模块106根据滑模控制模块109传输的转子位置角信息，将两相静止坐标系下的电流反馈信号转换为两相旋转坐标系下的电流反馈信号，电流反馈信号包括直轴电流反馈信号和交轴电流反馈信号；

步骤二，直轴电流调节器103接收直轴电流指令和直轴电流反馈信号后调节输出直轴电压指令至第三变换模块107，其中直轴电流指令恒定为零；

交轴电流调节器104接收交轴电流指令和交轴电流反馈信号后调节输出交轴电压指令至第三变换模块107；

第三变换模块107根据滑模控制模块109传输的转子位置角信息，将两相旋转坐标系下的电压指令转换为两相静止坐标系下的电压指令传输至第四变换模块108和滑模控制模块109；

第四变换模块108将两相静止坐标系下的电压指令转换为三相静止坐标系下的电压指令，即为电机电压指令。

实施例二：

如图3所示，滑模控制模块109根据第三变换模块107传输的电压指令和电流反馈信号，估算出转子位置角和电机实际转速；滑模控制模块109包括滑模调节器111、滤波模块112、转子位置角估算模块113、转速计算模块114和角度补偿模块115；

滑模调节器111接收两相静止坐标系下的电压指令和电流反馈信号，调节输出两相静止坐标系下的限幅滑差信号；

滑模调节器111中包含电机的电压方程，电压方程中含有电机参数，电机参数包括电机绕组相电阻值和相电感值、电机额定电流、电机额定电压，电机额定转速以及滑模幅值，这些参数在电机控制器101通电后进行初始化设定。

滤波模块112对限幅滑差信号进行滤波得到两相静止坐标系下的反电势信号，其中初始滤波截止频率参数在电机控制器101通电后进行初始化设定；该反电势信号输入到转子位置角估算模块113，并反馈给滑模调节器111，将滤波截止频率提供给角度补偿模块115，截止频率根据电机实际转速实时调整；

转子位置角估算模块113根据两相坐标系下的反电势估算出转子位置角；

转速计算模块114根据估算出的转子位置角得到电机实际转速，并反馈给转子位置估算模块113、角度补偿模块115和滤波模块112，其中速度计算执行周期参数在电机控制器101通电后进行初始化设定；

角度补偿模块115根据电机实际转速和滤波截止频率对估算出的转子位置角进行特定的补偿，得到最终的电机转子位置角。

实施例三：

如图4所示，转子位置角估算模块113包括：取负值模块116、反正切计算模块A117、反正切计算模块B118、估算选择模块119；接收到两相静止坐标系下的反电势信号，取负值模块116对两相静止坐标系下的反电势信号取其负值；

反正切计算模块A117用两相静止坐标系下x轴的负值和y轴的正值进行反正切三角函数计算，得到电机转子位置角估算值A；

反正切计算模块B118用两相静止坐标系下x轴的正值和y轴的负值进行反正切三角函数计算，得到电机转子位置角估算值B；

估算选择模块119根据电机转速反馈信号的符号选择输出电机转子位置角估算值A或估算值B。若电机转速反馈信号为正，则输出A；若电机转速信号为负，则输出B。

实施例四：

如图5所示，角度补偿模块115包括一反正切计算模块120，反正切计算模块120根据接收到的电机反馈转速大小和滤波截止频率，计算出需要补偿的角度量，补偿的角度量与电机转子位置估算值求和，得到最终的电机转子位置角。

实施例五：

如图6所示，在12米大巴客车的应用，电动液压转向助力系统由油泵150、永磁同步电机110和电机控制器101等部件组成，液压介质为46号机油。其中，永磁同步电机的额定功率为3kW，极对数为5，额定转速为1500r/min，额定电压为380V，额定电流为6A，相电阻为1，相电感为12mH；

整车控制器160与电机控制器101进行CANController Area Network，控制局域网通讯，给电机控制器发送电机转速指令；

电机控制器101与电机110三相线电气连接，电机控制器101经过闭环控制运算后控制电机在额定转速下转动。其中电机控制器101的滑模幅值为0.9，速度计算执行周期为125微秒，初始滤波截止频率为30Hz；

电机110与油泵150机械连接，油泵的油路入口和出口上接着油管170，电机110转动后驱动油泵150旋转并在油管中产生一定的机油流量，从而克服方向盘180转动时产生的阻力，为方向盘180提供转向助力。

实施例六：

如图7所示，无位置传感器速度闭环控制电机操作流程包括以下步骤：

SS01、整车通电后，初始化系统参数，包括电机额定转速、额定电压、额定电流、电机绕组相电阻值、相电感值、控制器滑模系数、初始滤波截止频率和速度计算执行周期等；

SS02、电机控制器与整车控制器进行CAN通讯，接收电机转速指令，转速指令值为电机额定转速；

SS03、电机控制器检测电机的两相电流；

SS04、电机控制器使用速度闭环控制电机在速度模式下运行；

SS05、电机从静止启动加速运行到额定转速，拖动油泵运转做功，从而使机油在油管中产生了一定的流量并克服油路中的压力，为转向提供助力。

电机从零转速到额定转速均在速度闭环下运行，无位置传感器控制启动成功率达到百分之百，不受环境温度的限制。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。