電動助力轉向用無刷直流電機直接轉矩控制方法研究

陳修波,黎健明,張志林,金 挺,杭 俊

(1.合肥國軒高科動力能源股份有限公司電驅動分院,安徽合肥 230036;2.安徽農業大學 工學院，安徽合肥 230036)

電動助力轉向用無刷直流電機直接轉矩控制方法研究

陳修波1,黎健明2,張志林1,金 挺1,杭 俊1

(1.合肥國軒高科動力能源股份有限公司電驅動分院,安徽合肥 230036;2.安徽農業大學 工學院，安徽合肥 230036)

結合EPS系統的功能特點，提出1種適用于汽車轉向的無刷直流電機(BLDC)系統直接轉矩控制(DTC)方法,以提升汽車轉向系統的控制性能。從BLDC系統的轉矩特性和磁鏈特性的關系入手，根據電機系統的轉矩、磁鏈跟蹤誤差及定子磁鏈所處扇區號，查詢預先規劃的離線查找表(LUT)，直接輸出最優的電壓空間矢量。并基于Matlab/Simulink仿真平臺進行BLDC調速系統的仿真實驗。結果表明，DTC方法可以對電磁轉矩脈動進行有效控制，而且能大大提高BLDC的動、穩態驅動性能，提供了1種適用于電動助力轉向EPS系統控制的新思路。

電動助力轉向；無刷直流電機；直接轉矩控制；轉矩脈動抑制

汽車轉向系統是完成系統行駛路線和運動方向控制的核心裝置，該系統的運行性能直接影響整個汽車的穩定性和操作性。為了保證汽車在轉向時獲得良好的助力及回正等性能，動力轉向系統得到了廣泛的應用，該系統從最初的液壓助力轉向(Hydraulic Power Steering)系統發展為電動助力轉向(Electric Power Steering，EPS)系統。伴隨著新型電力電子器件和永磁材料的發展，采用無刷直流(Brushless DC，BLDC)電機的EPS系統得到了廣泛的應用，無刷直流電機兼具傳統直流電機良好的轉矩特性、快速響應能力以及交流電機結構簡單、便于維護等特點[1]，但由于電磁因素及換相電流等原因使得BLDC轉矩脈動比永磁同步電機明顯。為了減小轉矩脈動問題，提高電機調速系統的控制性能，直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)的思想引入BLDC調速系統控制中[2-3]，根據BLDC實際轉矩和定子磁鏈與期望值的誤差，查找一個離線設計的最優開關表，從而實現電機調速系統的簡單、可靠控制。研究表明，DTC方案對電機參數魯棒性強、算法控制簡單，此外BLDC調速系統的轉矩響應快，系統的動態性能極為優異。本文研究了兩兩導通控制方式下的BLDC調速系統的DTC控制方案，通過分析BLDC系統的轉矩特性和磁鏈特性的關系，結合電動助力轉向系統工況特點，給出詳細的BLDC電機DTC設計方案，搭建基于Matlab/Simulink的BLDC系統仿真，對DTC方案應用于BLDC調速系統的可行性和優越性進行驗證。

1 BLDC數學模型

BLDC由電機本體、位置傳感器以及邏輯驅動單元3部分組成[4]，圖1中給出了BLDC調速系統的簡要概述圖。電機反電動勢、電磁轉矩以及轉速都是反映BLDC能夠正常工作的基本物理量，這些物理量實際波形都是非正弦的，包含較多的高次諧波，全部考慮這些諧波將會使模型變的很復雜，為簡化系統，假設系統為三相對稱的理想系統，驅動系統逆變電路的功率管均具有理想的開關特性，忽略電機鐵芯飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。建立三相橋式Y接的BLDC電機狀態方程[5-6]為

(1)

式中uA、uB、uC為三相定子相電壓；RS為三相定子繞組電阻;eA、eB、eC為三相定子反電勢；iA、iB、iC為三相定子電流；L為電機定子自感；M為電機定子間互感。

電機轉矩Te與電機角速度ω的關系為

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/ω.

(2)

根據式(2)可知，為了獲得1個恒定Te，當電機角速度ω固定不變時，eAiA+eBiB+eCiC必須保持恒定。因此，文獻[7]中把定子電流作為控制對象，運用各種控制策略，以產生方波定子電流。

圖1 BLDC調速系統概述圖

BLDC一般采用兩相導通三相六狀態運行模式，如圖1a)所示，假設電機剛開始運行時導通的兩相繞組是Ua、Ub，此時功率開關管S1和S5導通，電流由A相流入，由B相流出。這種狀態維持60°電角度后開始換相，S5關斷，S6導通，此時導通相為A、C相，電流由A相流入，由C相流出，這種狀態維持60°電角度后又開始換相。依次類推，整個過程形成了三相六拍狀態，各功率管的導通順序為：S1S5→S1S6→S2S6→S2S4→S3S4→S3S5→S1S5……，每個狀態維持60°電角度，每相繞組導通120°電角度。這里采用一個6位二進制數對空間矢量電壓進行表述，每個功率管對應的開關狀態采用二進制數值表示，其中：0為低電平表示功率管關斷，1為高電平表示功率管導通。根據功率管開關狀態的不同可以得出6個非0電壓空間矢量，即V1(100001)、V2(001001)、V3(011000)、V4(010010)、V5( 000110)、V6(100100)以及1個0電壓矢量V0(000000)，6個非0電壓空間矢量將定子三相坐標系分為6個扇區，0電壓矢量位于扇區中心，上述各電壓矢量的分布具體如圖1b)所示。

BLDC采用其內置的霍爾傳感器進行位置測量，上述位置霍爾傳感器可以得到3 個輸出信號HA、HB、HC。系統運行時，根據上述HA、HB、HC輸出信號來選擇相應的電壓空間矢量，實現BLDC的有效控制。無刷直流電機各霍爾信號與空間矢量電壓的對應關系如表1所示。

表1 電壓空間矢量選擇表

2 直接轉矩控制(DTC)原理

圖2 定子磁鏈扇區劃分圖

轉矩的大小與定子磁鏈振幅、轉子磁鏈振幅以及定轉子磁鏈夾角θ成正比。在BLDC實際運行中，轉子磁鏈振幅主要是由永磁體產生，其大小近似恒定。因此，要實現對電機的轉矩的控制，只能通過控制定子磁鏈，進而改變θ實現。在直接轉矩控制中，其基本的控制方法就是通過空間矢量電壓來控制定子磁鏈的旋轉速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度，從而改變θ，達到控制電機轉矩的目的[8-9]。按照DTC理論，為了實現電機轉矩控制的高動態性，需要對轉矩進行閉環控制。本文采用轉矩兩點式調節器來實現，定子磁鏈扇區劃分原則如圖2所示。

與傳統基于電流的BLDC控制方案不同，DTC直接從BLDC的電磁轉矩和定子磁鏈角度出發，免去了電流間接控制帶來的動態響應降低問題，從而有效的提升了系統的動態響應性能以及魯棒性能。實際DTC系統根據BLDC的轉矩誤差ΔTe、磁鏈誤差Δ|Ψs|以及定子磁鏈所處扇區號，查詢表2(Look Up Table，LUT)即可直接輸出最優電壓矢量。在dq旋轉坐標系下磁鏈觀測模型為

(3)

式中isd、isq為d、q軸定子電流分量；Ψsd、Ψsq為d、q軸定子磁鏈分量；Ψrd、Ψrq為d、q軸轉子磁鏈分量。

電磁轉矩觀測模型為

(4)

式中np為電機極對數。

表2 離線查找表

3 仿真分析

3.1仿真原理概述

為了驗證上述無刷直流電機DTC方法的可行性和優越性，搭建了基于Matlab/Simulink的無刷直流電機系統仿真，表3給出了無刷直流電機詳細參數，圖3為無刷直流電機DTC方案結構框圖。由圖3可知，整個軟件控制部分主要包含：轉速外環調節器(PI)、轉矩和磁鏈滯環控制器、系統狀態觀測器以及矢量查找表等部分。其主要結構與永磁同步電機直接轉矩控制方案結構相似，不同之處在于開關表和磁鏈轉矩估計器。[10]

表3 BLDC調速系統硬件框圖

圖3 BLDC無刷直流電機DTC方案結構框圖

3.2仿真結果與分析

圖4為BLDC調速系統DTC方法下的穩態運行結果。由圖4b)可知，BLDC的穩態定子磁鏈在垂直坐標內呈現為一個帶6尖角的不規則圓形軌跡，然而由于磁鏈外環的存在，定子磁鏈的振幅始終被控制在期望值附近，其磁鏈誤差也被控制在了一定的滯環環寬以內。此外，BLDC的定子電流分布規律， 電機穩態轉矩脈動較小。圖5為BLDC調速系統DTC方法下的動態響應結果，在t=0.1 s時電機負載由空載跳變至加載。可以看出，DTC方法的動態響應特性極為優異，BLDC調速系統僅需幾毫秒時間即可完成轉矩響應。此外，相應的電機轉速跌落也較為有限，且在0.03 s以內即可再次跟蹤上給定轉速。

圖4 調速系統穩態響應波形

圖5 BLDC調速系統動態響應波形

4 結語

為了提升汽車轉向(EPS)系統的控制性能，本文提出1種適用于汽車轉向的BLDC調速系統直接轉矩控制方法。根據電機系統的轉矩、磁鏈跟蹤誤差以及定子磁鏈所處扇區號，查詢預先規劃的離線查找表(LUT)，從而直接輸出最優的電壓空間矢量。Matlab/Simulink仿真結果表明，DTC可以有效地抑制BLDC系統存在的轉矩脈動問題，同時其動態響應性能極為優異，為電動助力轉向(EPS)系統控制提供了一種新思路。

[1]張茂華.無位置傳感器永磁無刷直流電機的直接轉矩控制研究[D].天津:天津大學,2007．

[2]潘雷.無刷直流電機無位置傳感器直接轉矩控制[J].微電機,2013,46(6):57-61.

[3]安群濤.無刷直流電機的磁鏈自控直接轉矩控制[J].中國電機工程學報,2010,30(12):86-92.

[4]陳修波,張志林,朱林.基于MC9S12XS128的無刷直流電機控制器的設計[J].山東交通學院學報,2014, 22(1):8-13.

[5]周振超.微型純電動汽車電驅動控制系統的設計與研究[D].南京:南京航空航天大學,2010．

[6] Rahman M F,Zhong L.A Direct Torque Controlled Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Incorporating Flux-Weakening[J].IEEE Transactions:Industrial Application,1998,34(6):1246-1253.

[7]竇汝振,溫旭輝.永磁同步電動機直接轉矩控制的弱磁運行分析[J].中國電機工程學報,2005,25(12):117-121．

[8]郝子陽.無刷直流電機的無位置傳感器的直接轉矩控制[D].青島:山東科技大學,2007．

[9]徐艷平,鐘彥儒,楊惠.一種基于空間矢量調制的永磁同步電動機新型直接轉矩控制方案[J].電工技術學報,2008,23(11):49-51．

[10]梅亮,劉景林,董亮輝,等.基于Simulink無刷直流電機直接轉矩控制研究[J].微電機,2013,46(6):63-66．

ResearchonDirectTorqueControlMethodofBrushlessDCMotorforElectricPowerSteering

CHENXiu-bo1，LIJian-ming2，ZHANGZhi-lin1，JINTing1，HANGJun1

(1.ElectricDriveDepartment,HefeiGuoxuanHigh-TechPowerEnergyCo.，Ltd.,Hefei230036,China;2.SchoolofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China)

According to the functional characteristics of EPS system, this article proposes a brushless DC motor (BLDC) direct torque control (DTC) method which is suitable to the automobile steering to improve the control performance of the automobile steering system. Beginning with the relationship between the torque and flux linkage characteristics of BLDC system, and according to the motor system′s torque, flux tracking error and sector number of the stator, it is to search for the pre-planned offline lookup table (LUT) and directly output the optimal voltage space vector. Finally, the experiment of BLDC control system is simulated based on the Matlab/Simulink simulation platform. The experimental results show that the DTC method can effectively control the electromagnetic torque ripple, and greatly improve the dynamic, steady driving performance of BLDC, and provide a new idea that is suitable for the EPS control of the electric power steering system.

electric power steering; brushless DC motor; direct torque control;torque ripple suppression

郭守真)

2013-11-19

陳修波(1987—)，男，安徽廬江人，合肥國軒高科動力能源股份有限公司工程師，工學碩士，主要研究方向為電動汽車電機控制器設計.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.004

TM33

A

1672-0032(2014)03-0015-05