基于無刷電機的EPS控制器設計

管東方，曲寶軍，張 璐，李洪強，劉 聰

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

EPS系統是電動汽車設計裝配過程中的關鍵部件之一，直接通過電動機對駕駛員提供不同工況下的助力，而且噪聲、廢棄物污染小,目前國內外很多車型已經配備EPS系統[1]。電動助力轉向的性能主要由兩方面決定：一方面是助力特性曲線[2],良好的助力特性曲線可以給駕駛員帶來較好的路感，另一方面是系統的整體控制策略，魯棒性較好的控制策略可以提高助力電機電流的跟隨性，改善轉向系統的動態性能[3]。

EPS系統在運行過程中的工況復雜多變，傳統的控制策略難以協調不同工況下的運行需求[4]。在汽車行駛過程中駕駛員的轉向操控對助力的控制要求相對較高[5]，EPS系統根據行駛狀況提供不同的助力會獲得較好的控制效果[6]。本文針對 EPS 系統的助力特性，設計了基于無刷電機的控制策略[7]。

1 EPS系統工作原理概述

EPS系統的結構如圖1所示，其在原有的機械轉向系統上加裝了轉角、轉矩傳感器等眾多的信號采集裝置。駕駛員在對汽車進行操控的同時，EPS系統實時分析計算傳感器回傳的車速、轉矩和轉角，控制器根據傳感器信號決定助力的方向與大小，用以改善駕駛員在駕駛過程中的路感。電流傳感器串聯在直流無刷電機的電樞回路中，通過電流傳感器回傳的電流值，控制芯片完成電流的閉環控制。

圖1 EPS系統結構簡圖Fig.1 EPS system structure diagram

2 EPS系統控制策略及助力特性設計

2.1 EPS系統整體控制策略

EPS系統是根據原有的機械轉向系統增加了電子控制單元，依靠車速、方向盤轉矩及轉角等各個傳感器信號來判斷當前汽車所處的工況，通過執行機構來幫助駕駛員較為輕便地實現汽車轉向。為實現EPS系統對轉矩的控制，必須控制直流無刷電機的母線電流，而對直流無刷電機的控制是根據3個霍爾式傳感器返回的位置信號來實現的。調整三相橋式逆變電路PWM的占空比，控制無刷電機電流的大小。

EPS系統的3種基本工況為助力控制模式、阻尼控制模式和回正控制模式，其中阻尼控制模式與回正控制模式都是基于傳統助力控制模式進行開發研究的，本文主要研究助力控制模式。

2.2 助力控制策略

在不同車速下助力電機提供不同的轉向助力，一般車速越快，助力電機提供的轉向助力越小。由于傳統的PID控制在時變、非線性等方面存在很多不足，本文通過對無刷電機的電流進行閉環控制，間接實現對助力轉矩的控制。微處理器根據目標電流與實際電流的差值進行調節，將結果以PWM占空比的形式經過預驅動電路送至三相橋式逆變電路，三相橋式逆變電路對無刷電機的轉矩進行控制，實現本文EPS系統對助力工況的控制要求。EPS系統控制策略如圖2所示。

圖2 EPS助力控制策略Fig.2 EPS power control strategy

2.3 助力特性曲線的選取

助力特性曲線是指轉向盤轉矩與助力轉矩的關系。一般來講，電動助力轉向的助力特性曲線一般可以概括為3種：直線型、折線型和曲線型，如圖3所示。

(a)直線型 (b)折線型 (c)曲線型圖3 3種助力特性曲線Fig.3 Three kinds of boost characteristics

雖然直線型助力曲線形式比較簡單，容易調節，但不容易滿足路況比較苛刻的路感要求，而曲線型助力需求的運算量相當大，對單片機造成很大的運算負擔，目前曲線助力只停留在仿真階段。為了便于單片機計算且保持控制策略的靈活性，采用折線型助力曲線。折線型助力特性曲線如圖4所示。

圖4 折線型助力特性曲線Fig.4 Polyline characteristic chart

2.4 助力特性參數匹配

以折線型助力曲線為例，整定各個助力特性參數，助力特性需要確定以下4個參數：

1)起始助力轉向盤輸入轉矩Td0

為了便于駕駛員控制，當方向盤上的轉矩小于某一定值時，助力電機不提供助力轉矩，否則會造成轉向過于靈敏，一般取Td0=1 N·m。

2)轉向盤的最大輸入轉矩Tdmax

對于轉向盤的最大輸入轉矩，由于駕駛員對轉向盤的最大力矩有不同的要求，而國家標準規定轉向盤的最大切向力不能大于50 N，為便于駕駛員輕松駕駛，轉向盤的最大輸入力矩一般需遠小于50 N，結合實際經驗，最大輸入力矩取Tdmax=7 N·m。

3)最大助力電流Imax

由于汽車助力不能無限制大，故存在助力電機所能提供的最大助力電流。當汽車在原地進行轉向時所需要的助力力矩最大。其中汽車原地轉向的最大阻力矩Trmax的經驗公式為

(1)

式中：f為輪胎與路面的滑動摩擦系數，一般取0.7，接近實際生活中的路面摩擦系數；G為前軸負荷；P為輪胎氣壓，由于本文設計的管柱式電動助力轉向系統適用于中小型汽車，一般轎車重量在1 000～1500 kg之間，并且前輪負荷一般在車重的55%以上，取前軸負荷為G= 800 kg，輪胎的氣壓隨路況的不同會有浮動，一般在220～250 kPa左右浮動，計算時取230 kPa，由式(1)可得Trmax= 348.3 N·m。

無刷電機的最大輸出轉矩為

(2)

式中：im為電機減速機構傳動比；ηm為減速機構傳動效率；ηr為齒輪齒條轉向器正向傳動效率；gt為轉向橫拉桿到轉向輪主銷之間的傳動比；gr為齒輪齒條轉向器傳動比。本文電機im=16，gr=20，取ηm、ηr、gt為1，則計算可得Tmmax= 0.65 N·m。

助力電機的最大助力電流為

Imax=Tmmax/Ki

(3)

式中:Ki代表電機的轉矩系數，本文根據實際生產經驗取值。

由式(3)計算得Imax=9.5 A,留有一定的余量，本文選取的控制電機Imax=20 A。

4)車速系數

由上述確定的3個參數可以制定出汽車的最大助力曲線，當汽車在原地轉向時阻力較大，需要助力電機提供的助力較大， 當車速增大時，若還繼續保持原有的助力關系，會出現方向盤“發飄”的情況，故需要適當減小助力。目前仍然沒有確定車速系數的具體方法，且對于已經調試好的車速系數來說，不同的車型和對于不同路感要求的車來說并不一定適用。本文試驗從0 km/h開始，以20 km/h為間隔選取5個特性車速進行實驗，其他車速下的車速系數根據相鄰特征車速進行線性插補或擬合獲得。

3 控制器的設計

本文選取微處理器TMS320F2811開發直流無刷電機EPS系統。以TMS320F2811為最小系統，設計了電源電路、三相橋式逆變無刷電機驅動電路、信號調理電路、點火開關和霍爾信號采集電路等，同時在電路安全設計方面加入電機過流、過壓保護以及報警功能。

3.1 逆變橋電路設計

無刷電機采用電子換向，具有與直流有刷電機一樣優良的調速性能，本文采用了比較容易實現且具有較高控制精度的轉矩直接控制，采用PWM脈寬調制技術，通過對EPS系統的控制策略確定占空比來控制無刷電機輸出的轉矩，本文從無刷電機的三相橋式逆變電路和控制策略方面進行優化。

一般采用霍爾傳感器實時檢測無刷電機的位置，其優勢在于減小轉矩波動，改善助力特性。考慮到無刷電機的控制器一般采用三相逆變橋驅動，本文設計的帶母線電流傳感器的全橋逆變電路如圖5所示。

圖5 帶母線電流傳感器的全橋逆變電路Fig.5 Full bridge inverter circuit with bus current sensor

圖5中，Q1—Q6為功率MOS管IRF80N04,R1—R6為柵極驅動電阻，R7—R10為柵極下拉電阻，R13為精密采樣電阻，s1—s6為經過功率放大后的PWM信號，U1為母線電流信號放大元件，控制器根據母線電流信號進行轉矩的閉環控制。

其中驅動控制芯片A3935具有優良的故障自診斷功能：當出現電源短路、三相橋式逆變開路、電源過壓或欠壓等狀況及時反饋給控制系統，處理器根據驅動芯片回傳的故障代碼及時判定故障類型，發出相應的報警，并及時切斷PWM模塊信號，阻止問題的進一步發生。

3.2 控制器控制流程設計

控制系統的軟件由中斷服務函數與主程序構成。主程序完成的工作有各個I/O寄存器的配置、相關寄存器的初始化、脈沖驅動信號的計算與輸出、各個I/O狀態監控和信號高速采集等功能；其中中斷服務子函數包括ADC采集、主副轉矩占空比采集、hall信號輸入捕獲與脈沖信號的采集。

結合上述分析，針對EPS系統的特點，結合數字式PID控制器，對EPS整體的控制流程分析如圖6所示。

圖6 主程序控制流程Fig.6 Main program control flow

4 實驗

本文設計的控制器在車輛EPS系統試驗臺架上進行。EPS實驗臺架主要包括臺架、助力電機控制系統、磁粉制動器以及信號采樣分析系統4個部分。磁粉制動器方便模擬不同路況下的路面狀況，如圖7所示。

圖7 電動助力轉向系統試驗臺架Fig.7 Test bench of electric power assisted steering system

本文控制器以TMS320F2811最小系統為核心，設計了信號的采樣調理電路，主要采集的信號有轉矩、車速、電機母線電流、霍爾傳感器的位置信號以及其他的開關信號；選用的汽車級芯片A3935具有過壓、過流保護功能，以及故障自診斷功能。

為驗證控制策略的有效性，將控制器在電動助力轉向的試驗臺上進行了輸入/輸出轉矩試驗和輸入轉角/輸入轉矩試驗，輸入/輸出特性曲線如圖8所示，記錄了在試驗臺架上0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h 5個車速下輸入轉矩與輸出轉矩的關系。由圖8可知，各個速度下的輸入、輸出特性曲線對稱性良好，且車速信號越大，助力電機輸出的助力轉矩降低，滿足實驗要求。

圖8 輸入/輸出特性曲線Fig.8 Input/output characteristic curves

圖9為 60 km/h車速下轉向盤轉矩曲線圖。由圖9可知，有電機助力的汽車轉向輕便性相比較于無助力的有較大提高；當轉向盤轉矩的絕對值小于一定值時電機不提供助力，隨著轉向盤轉矩超過臨界值，電機的助力轉矩也隨之增加；且助力電機助力轉矩對稱性在90%以上，符合電動助力轉向系統控制要求。

圖9 60 km/h車速下轉向盤轉矩圖Fig.9 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

在車速等于60 km/h時向方向盤施加轉向力矩，從而分析助力電機電流的動態特性如圖10所示。

圖10 60 km/h車速下電機母線電流變化Fig.10 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

由圖10可知，有電機助力與無電機助力情況下的母線電流變化，電機助力能夠明顯降低穩態誤差，相應提高響應時間，動態特性較好。

5 結束語

本文研究了電動助力轉向系統的助力特性，設計了系統整體控制策略，并基于汽車級芯片A3935設計了直流無刷電機的三相全橋驅動電路，開發了基于DSP數字信號微處理器TMS320F2811的電動助力微控制器。在EPS 系統的軟硬件系統設計、開發實驗的過程中，出現了控制單元過熱等現象?？梢圆捎酶淖冘浖惴▉砜刂祈憫?、控制單元與最小系統分離等方法進一步提高系統的穩定性，對未來的EPS系統開發有指導意義。