专利名称：一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法
技术领域：
本发明属于车辆转向控制技术领域，特别涉及一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法。
背景技术：
电动助力转向系统这几年得到了快速的发展，整个系统性能越来越可靠完善。电动助力转向系统的发展包括了以下几个特点第一，电动助力转向系统所采用的电机由有刷直流电机向永磁同步电机过渡，以解决由于有刷直流电机存在电刷和换向器而造成系统寿命短、维护困难等问题。第二，电动助力转向控制方法，由简单的直线型助力控制方法，向着可以更为优异的提高驾驶员手感和车辆操纵稳定性的控制方法发展。第三，产生了低成 本、高精度、高可靠性的电机转子位置传感器。第四，方向盘转矩转角传感器向着非接触式、高精度、高抗干扰性的方向发展。这些新的设备和方法的应用可以极大的提高电动助力转向系统的性能和可靠性，不过同时造成了整个系统比较复杂，增加了设计难度。
发明内容
针对上述电动助力转向系统的发展特点，本发明集成这些新的设备和方法，充分发挥各个设备和方法的优势，通过合理的设计，提供一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法。本发明的技术方案是这样实现的本发明采用了基于永磁同步电机的电动助力转向系统作为控制对象。该系统中采用的永磁同步电机相对于有刷直流电机有结构简单、体积小、运行可靠、寿命长、功率密度大等优势，同时控制系统从软件到硬件上都比较复杂；该系统中电机转子位置传感器包含了三路换向霍尔信号和两路位置霍尔信号，在保证转子位置精度的前提下，明显降低了成本，非常适用于电动助力转向系统，并且推动了永磁同步电机在电动助力转向系统上的应用；该系统中方向盘转矩转角传感器，为非接触式感应位置传感器，输出两路以SENT协议为基础的转矩信号，输出一路类PWM信号的转角信号，该传感器有高精度、高分辨率、高温稳定性、抗干扰能力强、安装方便的特点。本发明针对所述电动助力转向系统，构建了基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法。本发明的控制方法包括了电动助力转向控制方法、永磁同步电机控制方法、电机转子位置信号解算方法和方向盘转矩转角信号解算方法四个部分。在控制器上，本专利以主控制芯片TMS320F2812为核心，构建了方向盘转矩转角信号采集电路、电机转子位置信号采集电路、永磁同步电机驱动电路和CAN通讯电路。在控制方法上，电动助力转向控制方法采用了多点折线基本助力控制方法、电机补偿控制方法和回正控制方法。多点折线基本助力控制方法助力曲线比较平滑，实现简单，便于修改和调试。电机补偿控制方法包括了摩擦补偿控制方法、阻尼补偿控制方法和惯量补偿控制方法，减小或者抵消了由于转向系统加入电机和减速机构而产生的摩擦力、阻尼力和惯性力。回正控制方法可以改善车辆低速回正不足，高速回正超调现象，使车辆获得良好的转向回正性能。永磁同步电机控制方法采用了技术比较纯熟的矢量控制方法，通过坐标变换将以静止定子为基础的三相电流转换为以旋转转子为基础的两相电流，实现永磁体励磁方向的电流和与励磁方向垂直方向的电流的解耦。最后通过空间脉宽矢量调制方法和七段式方法产生各个开关器件的开关时间。电机转子位置信号解算方法，包括了电机转子位置初始化转角的确定、电机转子绝对基础位置的确定、电机转子绝对位置的计算和电机转子绝对位置的校验四个部分。方向盘转矩转角信号解算方法，包括了 SENT信号采集、SENT信号解算、类PWM信号采集和类PWM信号解算四个部分。
下面结合附图对本发明作进一步的说明图I是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的控制器结构示意图。图2是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的控制方法整体架构示意图。图3是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的电动助力转向控制方法示意图。图4是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的电动助力转向控制方法中多点折线基本助力曲线示意图。图5是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的永磁同步电机转子位置传感器信号示意图。图6是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的永磁同步电机转子位置初始值判定逻辑示意图。图7是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的绝对基础位置确定流程示意图。图8是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的转矩转角传感器SENT信号示意图。图9是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的转矩转角传感器类PWM信号示意图。图10是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的SENT信号采集流程示意图。图11是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的SENT信号解算流程示意图。图12是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的类PWM信号采集流程示意图。图13是本发明所述的一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法的类PWM信号解算流程示意图。图I中1.主控芯片TMS320F2812 ；2.总线收发器74HC245 ；3.驱动芯片IR2130 ；4.自举电路；5.三相全桥功率电路；6.永磁同步电机；7.电流传感器；8.电流信号RC滤波电路；9.电流信号运算放大电路；10.电机转子位置传感器；11.电机转子位置信号RC滤波电路；12.电机转子位置信号两次反向电路；13.方向盘转矩转角传感器；14.方向盘转矩转角信号RC滤波电路；15.方向盘转矩转角信号两次反向电路；16. CAN总线；17. CAN通讯收发器。图2中1.永磁同步电机；2.电机转子位置传感器；3.方向盘转矩转角传感器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细的描述图I是本发明的控制器结构示意图。本发明所采用的主控芯片为德州仪器公司生 产的数字信号处理器TMS320F2812。本发明以TMS320F2812为核心设计了电机转子位置信号采集电路、方向盘转矩转角信号采集电路、永磁同步电机驱动电路和CAN通讯电路。电机转子位置信号和方向盘转矩转角信号都依次经过了 RC滤波电路和由施密特触发器组成的两次反向电路，起到消除高频干扰、信号整形、将信号由5V转换为3. 3V的作用。电机转子位置信号HALLa接入主控GPIOBO脚，HALLb接入主控GPIOBl脚，HALLc接入主控GPI0B2脚，QEPl接入主控QEP4脚，QEP2接入主控QEP5脚。转矩转角信号SENTA接入主控CAPl脚，SENTB接入主控CAP2脚，类PWM接入主控CAP3脚。永磁同步电机驱动电路中驱动信号首先经过总线收发器74HC245，起到将驱动信号由3. 3V转换为5V、提高驱动信号负载能力、隔离驱动电路与主控电路的作用。然后三路高侧开关信号PWMl、PWM3、PWM5分别接入驱动芯片IR2130的HINl、HIN2、HIN3，三路低侧开关信号PWM2、PWM4、PWM6分别接入驱动芯片IR2130的HIM、HIN5、HIN6。驱动信号经过IR2130后，高侧开关信号需要进一步经过自举电路升压后，控制三项全桥功率电路驱动永磁同步电机运行。由于电机绕组为星形连接，三相电流和为零，所以只需采集两路相电流。从电机相线A、B上安装两个电流传感器。电流传感器发出的电流信号经过RC滤波和运算放大电路，起到滤除高频干扰和将5V信号转换为3V的作用。电流模拟信号进入主控芯片的 ADINAl 和 ADINA2 引脚。CAN通讯电路将CAN总线的CAN_H和CAN_L连接到一个收发器上，然后接入主控芯片CANTXA和CANRXA引脚上。图2是本发明控制方法整体架构示意图。控制方法主要包括了四个部分电动助力转向控制方法、永磁同步电机控制方法、电机转子位置信号解算方法和方向盘转矩转角信号解算方法，在结构上也对应有四个模块电动助力转向控制模块、永磁同步电机控制模块、电机转子位置信号解算模块和方向盘转矩转角信号解算模块。将采集解算得到的方向盘转矩转角信息和通过CAN总线得到的车速信息通过电动助力转向系统控制方法得到永磁同步电机q轴方向的目标电流。将这个永磁同步电机q轴方向目标电流、永磁同步电机三个相线的实际电流和采集解算得到的永磁同步电机转子位置信息一起输入到永磁同步电机控制方法中，输出驱动信号，然后通过驱动电路，最终实现控制电机输出所需要的助力矩。
图3是本发明电动助力转向控制方法示意图。电动助力转向控制方法包括了三个部分基本助力控制方法、电机补偿控制方法和回正控制方法，在结构上也对应有基本助力控制模块、电机补偿控制模块和回正控制模块。其中，基本助力控制方法产生电流的大小与方向盘转矩和车速相关，助力曲线确定要兼顾转向轻便性和操纵稳定性。电机补偿控制方法减小或者抵消由于转向系统加入电机和减速机构而产生的摩擦力、阻尼力和惯性力，改善电动助力转向系统动态响应效果。回正控制方法可以改善车辆低速回正不足，高速回正超调现象，使车辆获得良好的转向回正性能。基本助力控制电流Ib，电机补偿控制电流I。，回正控制电流Iy这三部分电流之和构成了电机q轴目标电流Itffef。参阅图4，本发明中基本助力控制方法采用了多点折线基本助力曲线。采用多点折线的优势在于可以逼近曲线型助力曲线的效果，同时实现简单，便于调试和修改。多点折线助力曲线实现的方法为，把车速信号V划分为第I段0Km/h至10Km/h、第2段10Km/h至20Km/h 一直到第9段80Km/h至90Km/h、第10段大于90Km/h。每一段对应一条方向盘转矩对基本助力电流的多点折线。每一条多点折线上应首先确定9个特征点[Tsnl，Ibnl]、[Tsn2，Ibn2]、......、[Tsn8，Ibn8]、[Tsn9，Ibn9]。则多点折线可以表示为
(Ts-Tsn,)+Ibnl Tsnl <TS <Tsn2
^sn2 ^snl
I1In2 (Ts-Tsn2)+Ibn2 Tsn2 <Ts <Tsn3
Γ-τ^sn3 sn2Ib =<..
Ibn9 ^bnS (rT _rf \ _i_ Γ rT <T ^ T
ip~~ X1S ~ 1SfiS ) bn^ 1Sns -1S^ 1 sn9 ^sn9 一
.hn9Tsn9 < Ts参阅图3，电机补偿控制方法包括了摩擦补偿控制、阻尼补偿控制和惯量补偿控制。摩擦补偿控制电流If，阻尼补偿控制电流Id，惯量补偿控制电流Ii，这三部分电流之和构成了电机补偿控制电流I。。摩擦补偿控制是为了克服电机及其减速机构中的库伦摩擦力，其形式为
Kf是摩擦补偿系数，θ是电机转。阻尼补偿控制是为了克服电机及其减速机构中的粘性阻力，其形式为:Id=Kd0 ,Kd是摩擦补偿系数。惯量补偿控制是为了克服电机及其减速机构中的惯性力，其形式为A =
是惯量补偿系数。 参阅图3，回正控制方法中包括回正判断和回正电流控制两个部分。回正判断的逻辑是当方向盘转矩Ts的绝对值小于一个定值Ty并且方向盘转角Θ s的绝对值大于一个定值，表明方向盘处于撒手回正的状态，此时进入回正电流控制。目标方向盘转角设定为0°，通过对方向盘转角es进行PiD控制，得到回正电流，并且在不同的车速V下对回正电流的最大值和最小值进行限制，从而改善方向盘低速回正不足，高速回正超调的现象。参阅图2，本发明中永磁同步电机控制采用了矢量控制的方法。电机三相电流IA、Ib和I。经过Clark变换和Park变换，转换为电机d轴方向实际电流Id和q轴方向的实际电流Iq。电机d轴方向的目标电流Idref设定为O，与电机d轴方向实际电流Id相减后进入d轴电流PID控制模块。由电动助力转向控制方法得到的电机q轴方向的目标电流Iqref，与电机q轴方向的实际电流Iq相减后进入q轴电流PID控制模块。这两个PID控制模块分别输出电机d轴方向目标电压Udref和电机q轴方向目标电压Uqref,然后经过Park逆变换得至1J电机α轴方向目标电压Uaraf和电机β轴方向目标电压u0Mf。最后通过空间电压矢量脉宽调制方式和七段式的方法输出各个开关器件的占空比信号。在Park变换和Park逆变换中都用到了电机转子位置信号Θ。Clark变换是指将电机三相绕组A、B、C组成的静止的ABC三相坐标系转换为静止的α β两相坐标系。α轴方向正对于电机A相绕组方向，β轴方向沿绕组A相的方向逆时针旋转90°。专利中三相电流1&和I。转换为两相电流Ia和Ie的公式为
权利要求
1.一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器，其特征在于，该控制器具有主控芯片，所述控制器包括电机转子位置信号采集电路、方向盘转矩转角信号采集电路、永磁同步电机驱动电路和CAN通讯电路，电机转子位置信号和方向盘转矩转角信号都依次经过了 RC滤波电路和由施密特触发器组成的两次反向电路接入主控芯片，驱动信号从主控发出后依次经过总线收发器74HC245、驱动芯片IR2130和驱动电路，其中高侧开关信号在经过驱动芯片后通过自举电路进行升压，电机相线上安装的两个电流传感器产生的电流信号经过RC滤波和运算放大电路，进入主控芯片，对永磁同步电机进行电流反馈控制，在CAN总线与主控芯片间加入一个CAN通讯收发器。
2.按照权利要求I所述的电动助力转向系统控制器，其特征在于，所述主控芯片为德州仪器公司生产的数字信号处理器TMS320F2812。
3.一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制方法，其特征在于，对电机转子位置信号和方向盘转矩转角信号进行采集和解算，通过电动助力转向控制方法和永磁同步电机控制方法得到驱动信号。该控制方法包括了电动助力转向控制、永磁同步电机控制、电机转子位置信号解算和方向盘转矩转角信号解算四个部分。
4.按照权利要求3所述的基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制方法，其特征在于，所述的电动助力转向控制包括了基本助力控制、电机补偿控制和回正控制，所述的基本助力控制采用了多点折线型基本助力曲线，通过车速信号将车速划分为多个不同区间，每个车速区间选取多个方向盘转矩对应电机基本助力电流的特征点，通过特征点相连而形成该车速区间的多点折线；所述电机补偿控制包括了摩擦补偿控制、阻尼补偿控制和惯量补偿控制三个部分；所述回正控制包括了回正判断和回正电流控制两个部分。
5.按照权利要求3所述的基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制方法，其特征在于，所述的永磁同步电机控制方法采用了电机励磁方向电流等于零的矢量控制，并通过空间脉宽矢量调制方法和七段式方法产生开关器件的开关信号。
6.按照权利要求3所述的基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机控制方法对三路换向霍尔信号和两路位置霍尔信号进行采集和解算，得出永磁同步电机转子的位置，其包括了四个部分电机转子位置初始化转角的确定、电机转子绝对基础位置的确定、电机转子绝对位置的计算和电机转子绝对位置的校验。
7.按照权利要求3所述的基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机控制方法对两路SENT信号和一路类PWM信号进行采集解算，得到方向盘转矩转角信息，其包括了 SENT信号采集、SENT信号解算、类PWM信号采集和类PWM信号解算四个部分。
全文摘要
本发明公开一种基于永磁同步电机的电动助力转向系统控制器及控制方法。控制器部分构建了方向盘转矩和转角信号采集系统、电机转子位置信号采集系统、永磁同步电机驱动系统和CAN通讯系统。控制方法部分包括了电动助力转向控制方法、永磁同步电机控制方法、电机转子位置信号解算方法和方向盘转矩转角信号解算方法。本发明采用了新型的电机位置传感器和方向盘转矩转角传感器，通过对控制器和控制方法的合理架构实现了对基于永磁同步电机的电动助力转向系统的优良控制，使得电动助力转向系统更为可靠完善。
文档编号B62D113/00GK102923189SQ201210385460
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者何磊, 宗长富, 郑宏宇, 张泽星, 陈国迎, 马煜乾, 李春善, 张为荣, 李绍松 申请人:吉林大学