一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法与流程

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法。

背景技术：

电动助力转向系统(electric power steering system,EPS),由于其结构紧凑，节能环保，而且还可以根据不同的车型匹配不同的程序，大大缩短了开发周期，所以目前市场上在乘用车上EPS基本得到了普及。近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机,特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年EPS应用越来越广泛的一种电动机。

但是永磁同步电机不同于他励电机可以调节励磁电流大小进行扩速，这就大大限制了永磁同步电机的调速范围，这虽然可以满足EPS系统在普通工况下对电机转速的要求，但是当在特殊工况下，如紧急避障，驾驶员需要快速操纵方向盘以避开障碍物，这就需要永磁同步电机提供瞬间大转速，否则将会造成方向盘转向沉重问题。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法。

本发明提供的一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法，包括以下步骤：

S1、获取永磁同步电机三相电流，并对采集的三相电流进行Clarke变换以及Park变换，获得实际励磁电流指令i_d和实际转矩电流指令i_q；

S2、实时获取方向盘转矩信号、车速信号和方向盘角速度ω；

S3、检测电机定子电压u_s，并将电机定子电压u_s与逆变器所能提供的最大电压U_max进行比较，电机定子电压u_s等于直轴电压U_d和交轴电压U_q的矢量和

S4、当u_s＜U_max，系统EPS进入转矩环执行i_d＝0控制，其包括以下步骤：

S41、设置参考励磁电流指令i_dref＝0；

S42、根据方向盘转矩信号和车速信号，通过助力曲线得到电机定子电流i_s，参考转矩电流指令i_qref＝i_s；

S43、将参考励磁电流指令i_dref、实际励磁电流指令i_d、参考转矩电流指令i_qref和实际转矩电流指令i_q经电流环PI调节器引出直轴电压U_d和交轴电压U_q；

S5、当u_s＞U_max，EPS系统进入转速环，执行超前角弱磁控制，其包括以下步骤：

S51、根据方向盘角速度ω和电机实际转速n获得定子电流i_s，由电流环PI调节器引出直轴电压U_d和交轴电压U_q,将电机定子电压u_s与参考电压U_max作差，并通过PI调节器调节出一个超前角θ；当u_s大于U_max时，θ范围为-π/2＜θ＜0，此时i_dref＝i_ssinθ＜0，i_qref＝i_scosθ，弱磁控制开始；

S52、将参考励磁电流指令i_dref、实际励磁电流指令i_d、参考转矩电流指令i_qref和实际转矩电流指令i_q经电流环PI调节器重新引出直轴电压U_d和交轴电压U_q；

S53、将电机定子电压u_s与设置的参考电压U_max通过PI调节对超前角θ进行更新，然后根据超前角θ对参考励磁电流指令i_dref与参考转矩电流指令i_qref进行更新；

S6、将直轴电压U_d和交轴电压U_q依次经过反PARK变换、SVPWM和逆变器后获得控制信号对永磁同步电机进行控制。

优选地，步骤S3中，参考电压U_dc为直流母线电压。

优选地，步骤S51中，根据方向盘角速度ω和电机实际转速n获得定子电流i_s的方式为：由方向盘角速度ω求出永磁同步电机参考转速n_ref，并检测获取永磁同步电机实际转速n，然后由电机实际转速n与电机参考转速n_ref经PI调节得到定子电流i_s。

优选地，步骤S51中，电机参考转速n_ref等于方向盘角速度ω乘以EPS系统减速比k。

优选地，步骤S51中，电机实际转速n通过公式n＝dβ/dt获得，β为电机转子位置并可通过永磁同步电机转子位置传感器获得。

优选地，在i_d＝0控制与超前角弱磁控制间进行转矩平滑切换。

优选地，根据转矩平滑切换获得的超前角弱磁控制初期的参考转矩电流指令i_qref的模型为：

根据转矩平滑切换获得的i_d＝0控制初期的参考转矩电流指令i_qref的模型为：

T为时间常量，由试凑法得出；i_qt、i_qv分别为切换时刻转矩环中i_d＝0控制与转速环中超前角弱磁控制参考转矩电流指令；f(v,T_d)表示在i_d＝0控制中通过助力曲线求得参考转矩电流指令，其中，v为车速，T_d为方向盘转矩。

优选地，步骤S53中，当电机定子电压u_s大于参考电压U_max，弱磁控制开始起作用，此时限定-i_dmax＜i_dref＜0，-i_dmax为为PMSM允许的最小弱磁电流。

优选地，-i_dmax＝-ψ_f/L_d，ψ_f表示磁链，L_d表示直轴电感。

优选地，步骤S6具体为：将直轴电压U_d和交轴电压U_q经过反PARK变换获得αβ坐标系中的U_α信号及U_β信号，将U_α信号及U_β信号通过SVPWM进行扇区判断，计算出扇区切换时间，最终输出对应占空比的PWM信号对永磁同步电机的转矩转速进行控制。

本发明提供了一种以电机定子电压为判断依据，在方向盘低转速下在转矩环应用i_d＝0控制策略，在方向盘高转速下在转速环中应用超前角弱磁控制策略，统筹兼顾了EPS系统分时对转矩和转速的特定要求，很好的解决了EPS系统中快速操纵方向盘转向沉重的问题。

本发明在i_d＝0控制与超前角弱磁控制相互切换的过程中，加入了转矩平滑切换模块，防止在切换过程中造成转矩突变，改善了驾驶员手感。

本发明的模式切换是以电机定子电压为判断依据，简单实用，易于程序的编写，且采用超前角法作为本发明的弱磁控制策略，该方法简单有效，对电机参数没有依赖性，易于工程实现。

附图说明

图1i_d＝0控制与弱磁控制切换流程图简图；

图2本发明提出的一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法流程图；

图3i_d＝0控制框图；

图4超前角弱磁控制框图；

图5实例验证图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明提出的一种改善驾驶员快速操纵方向盘手感的EPS控制方法，包括以下步骤。

S1、EPS系统通过外部传感器例如电流传感器获取永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c，并对采集的三相电流i_a、i_b、i_c进行Clarke变换以及Park变换，获得实际励磁电流指令i_d和实际转矩电流指令i_q。

S2、EPS系统通过外部传感器获得方向盘转矩信号、车速信号和方向盘角速度ω。

S3、检测电机定子电压u_s，并将电机定子电压u_s与逆变器所能提供的最大电压U_max进行比较，电机定子电压u_s等于直轴电压U_d和交轴电压U_q的矢量和参考电压U_dc为直流母线电压。

S4、参照图3，当u_s＜U_max，系统EPS进入转矩环执行i_d＝0控制，其包括以下步骤：

S41、设置参考励磁电流指令i_dref＝0；

S42、根据方向盘转矩信号和车速信号，通过助力曲线得到电机定子电流i_s，由于参考励磁电流指令i_dref＝0，参考转矩电流指令i_qref＝i_s，进行普通的助力控制。

S43、将参考励磁电流指令i_dref、实际励磁电流指令i_d、参考转矩电流指令i_qref和实际转矩电流指令i_q经电流环PI调节器引出直轴电压U_d和交轴电压U_q。

S5、参照图4，当u_s＞U_max，EPS系统进入转速环，执行超前角弱磁控制，其包括以下步骤：

S51、根据方向盘角速度ω和电机实际转速n获得定子电流i_s，由电流环PI调节器引出直轴电压U_d和交轴电压U_q,将电机定子电压u_s与参考电压U_max作差，并通过PI调节器调节出一个超前角θ；当u_s大于U_max时，θ范围为-π/2＜θ＜0，此时i_dref＝i_ssinθ＜0，i_qref＝i_scosθ，弱磁控制开始。

本步骤中，根据方向盘角速度ω和电机实际转速n获得定子电流i_s的方式为：由方向盘角速度ω求出永磁同步电机参考转速n_ref，并检测获取永磁同步电机实际转速n，然后由电机实际转速n与电机参考转速n_ref经PI调节得到定子电流i_s。电机参考转速n_ref等于方向盘角速度ω乘以EPS系统减速比k，即n_ref＝k×w。电机实际转速n通过公式n＝dβ/dt获得，β为电机转子位置并可通过永磁同步电机转子位置传感器获得。

S52、将参考励磁电流指令i_dref、实际励磁电流指令i_d、参考转矩电流指令i_qref和实际转矩电流指令i_q经电流环PI调节器重新引出直轴电压U_d和交轴电压U_q。具体地，将参考励磁电流指令i_dref和实际励磁电流指令i_d做差经PID计算可获得直轴电压U_d，参考转矩电流指令i_qref和实际转矩电流指令i_q做差经PID计算可获得交轴电压U_q。

S53、将电机定子电压u_s与设置的参考电压U_max通过PI调节对超前角θ进行更新，然后根据超前角θ对参考励磁电流指令i_dref与参考转矩电流指令i_qref进行更新，并返回步骤S52。

本步骤为转速环与转矩环控制的核心区别，其通过对参考励磁电流指令i_dref进行实时更新。将矢量和与参考电压U_max做差，只有当矢量和大于参考电压U_max，即经PI调节的到负的参考励磁电流指令i_dref时，弱磁控制才开始起作用。参考电压U_dc为直流母线电压。

本实施方式中，为了防止永磁体永久退磁，对参考励磁电流指令i_dref的最大值进行限幅，-i_dmax＜i_dref＜0，-i_dmax为为PMSM允许的最小弱磁电流，-i_dmax＝-ψ_f/L_d，ψ_f表示磁链，L_d表示直轴电感。

本实施方式中，将U_s等于U_max(U_dc为直流母线电压)时的电机转速作为转折转速，如此，当u_s＞U_max之后，程序会立刻进入转速环中的超前角弱磁控制部分；同理，当u_s＜U_max，系统EPS进入转矩环执行i_d＝0控制。

本实施方式中，在i_d＝0控制与超前角弱磁控制间进行转矩平滑切换，以避免产生转矩波动。根据转矩平滑切换获得的超前角弱磁控制初期的参考转矩电流指令i_qref的模型为：

根据转矩平滑切换获得的i_d＝0控制初期的参考转矩电流指令i_qref的模型为：

T为时间常量，由试凑法得出；i_qt、i_qv分别为切换时刻转矩环中i_d＝0控制与转速环中超前角弱磁控制参考转矩电流指令；f(v,T_d)表示在i_d＝0控制中通过助力曲线求得参考转矩电流指令，其中，v为车速，T_d为方向盘转矩。

S6、将直轴电压U_d和交轴电压U_q依次经过反PARK变换、SVPWM和逆变器后获得控制信号对永磁同步电机进行控制。具体地，将直轴电压U_d和交轴电压U_q经过反PARK变换获得αβ坐标系中的U_α信号及U_β信号，将U_α信号及U_β信号通过SVPWM进行扇区判断，计算出扇区切换时间，最终输出对应占空比的PWM信号对MOSFET的通断进行控制，从而对永磁同步电机的转矩转速进行控制。

以下结合一个具体的实施例对上述方法进行验证。

该实施例为在EPS台架上进行的硬件在环试验，试验所使用的PMSM的主要参数为：电机极对数3，额定输出功率360W，额定电压12V，额定电流60A，额定转速960rpm,最高转速3000rpm。试验中快速操纵方向盘，采集方向盘转矩信号如图5所示，可见，采用本发明的方法，可实现更小更平滑的方向盘转矩，从而有效解决了方向盘转向沉重的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。