EPS雙星型繞組六相電機復雜驅動及采樣時序設計

摘要：隨著自動駕駛級別趨于SAE L4/L5的級別，傳統的電動助力轉向（EPS）作為自動駕駛執行器的關鍵部件已無法滿足功能需求，采用雙路備份的安全冗余電機結構和電控方案已經受到業界廣泛關注。本文提出一種應用于冗余式EPS的雙星型繞組六相電機的電控驅動設計，公開闡明一種對冗余獨立的雙繞組的同步驅動、冗余輸出及定時電流采樣等方法。通過該方法可實現電機單側驅動及采樣的運行失效，系統依舊能夠維持另一側驅動的冗余獨立地運行，達到失效可用性的安全運行模式，大大提高了車輛行駛安全性。

關鍵詞：六相電機;復雜驅動;采樣時序

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

對于現代汽車而言，轉向控制系統的電氣化成熟發展并形成的基于一款電機的EPS電控驅動，一般采用檢測到失效之后切斷電機的驅動輸出電路且將系統置為安全狀態，之后駕駛員依然能夠奪回汽車的控制權。但對于未來汽車而言，駕駛員的依賴將隨著冗余度與多元化的增加而逐漸消失，失效保護（ FaiISafe）模式將演化至失效后系統繼續保持對汽車完全控制的失效可操作（ Fail Operational）模式，由此對系統提出了供電電池系統、傳感器、控制單元及執行器等冗余設計要求。因此，雙星型繞組六相電機驅動及采樣時序設計，是將傳統應用中的永磁同步三相無刷電機（PMSM）的轉子繞組形成雙份備份，在電控策略及驅動輸出時分別兩路冗余的PWM獨立控制且保持時序的驅動同步性，在采樣電路中應用統一的定時時基觸發的雙電阻ADC采樣時刻，保證了單側電機繞組的相電流等信號采樣的復雜度，提升了在EPS應用中的轉向系統魯棒性。

1 六相電機復雜驅動方案設計

本文根據冗余EPS軟硬件架構的主從ECU設計，詳解六相電機的轉子冗余獨立式結構[1]，以及EcuA單側“一拖二”形式的電機復雜驅動（ Complex Driver）獨立控制兩組三相橋驅MOSFET電路的原理，最終實現對兩組冗余獨立繞組的PWM輸出驅動功能。

1.1 冗余EPS硬件拓撲

如圖1所示，冗余EPS硬件架構的主要器件及功能包含有以下部分。

（1）冗余式EPS系統中供電電池、扭矩傳感器、連接車身網絡CAN與點火等信號、電機轉子位置傳感器和電控單元ECU等均采用冗余雙份，保持傳統EPS控制與診斷功能。

（2）電控單元ECU中由單片機作為主控電控單元[2]，分別擔當主、從控制角色，布置在雙側主、從控制器EcuA和EcuB內。

（3）系統正常運行時，由EcuA單側的主MCU驅動PWM輸出控制兩組三相橋驅MOSFET電路。

（4）系統異常運行時，EcuA單側診斷并確認故障后，通過MCU間私用CAN FD通信方式通知EcuB單側功能接管。

（5） EcuA單側切換至EcuB單側功能接管成功后，EcuA單側功能停止驅動PWM輸出控制兩組三相橋驅MOSFET電路，而EcuB單側功能啟動驅動PWM輸出控制三相橋驅MOSFET電路。

其中，兩側的各三相橋驅MOSFET電路分別連接至六相電機的繞組M1和M2，即對于軟件驅動方案而言，繞組M1視為uvw三相PMSM電機，而繞組M2視為XYZ三相PMSM電機，進行獨立輸出控制。

1.2 冗余EPS電機結構

永磁同步電機相數越多，控制的復雜度就越高。對于相數為3的倍數的電機，如六相電機，對其進行控制時，既可進行解耦控制，也可將其作為多組3相對稱電機進行控制。因此，當電機相數為3的倍數時，電機具有更多的控制方法，更容易簡化系統控制復雜度[3]。

本研究的EPS助力電機繞組以3的倍數作冗余。若電機相數為3的2倍，即六相電機。六相電機的繞組空間分布通常有2種：一種是對稱六相電機（圖2），可視作由2套相移60°三相繞組組成，稱之為正六相電機;另一種是不對稱六相電機（圖3），可視作由2套相移30°三相繞組組成，稱之為雙三相電機。

在本文研究EPS產品的電機驅動應用中，采用的雙星型繞組電機屬于雙三相電機，根據驅動目標的此種電氣特性，即對于電機控制理論及方案而言，繞組M1視為UVW三相PMSM電機;而繞組M2視為XYZ三相PMSM電機，進行獨立輸出控制。

1.3 六相電機復雜驅動設計

在冗余EPS電機復雜驅動的功能架構中，對于EcuB控制橋驅電路來說，與傳統的三相PMSM電機控制方案相同。本文僅詳解EcuA側對雙星型繞組六相電機的驅動控制方法。

如圖4所示，雙星型繞組六相電機的uvw三相和XYZ三相分別由單片機的2個電機控制單元實現獨立驅動輸出PWM，2個電機控制單元均由定時器T12和T13組成。具體功能如下。

（1）將T12設置成中心沿對齊的計數模式，用于生成每組三相6路PWM輸出。

（2） T13中斷設置成左對齊的計數模式，用于生成采樣延時信號。

（3）計數時，設置上升沿事件觸發單片機采樣單元VADC執行六相電機各采樣信號的轉換。

（4）通用定時器控制單元GTM，為2個電機控制單元提供啟動計數觸發源，由此可確保T12計數的同步性。2個電機控制單元中的T12輸出12路PWM同步時基，T13定時延時采樣僅由其中1個電機控制單元來實現即可，優點是保證了觸發VADC的信號源唯一性，降低了對另一個電機控制單元重復配置的復雜度。

（5）每側均采用雙電阻低邊采樣方式，u/w和X/Z相分別經過運放后放大輸入電壓信號進行采樣，采用RPS磁阻傳感器采樣六相電機轉子的位置信號。

（6）六相電機各采樣信號的采樣時刻，與復雜驅動中的雙三相12路PWNM輸出緊密時序相關，這些采樣信號主要有：U相零電流和相電流（ IUOamp;IU），X相零電流和相電流（ IXOIX）;W相零電流和相電流（IWOlW），Z相零電流和相電流（ IZ0amp;IZ）;UV＼N三相的相線電壓（ VphU，VphV，VphW），XYZ三相的相線電壓（ VphX，VphY;VphZ）;電機轉子位置傳感器高精度電壓信號（ VSIN，VCOS），低精度冗余PWM占空比信號DPWM（由ICU捕獲PWM占空比Duty值）。

如圖5所示，六相電機復雜驅動中，設置占空比為一定調節頻率，即在底層軟件中由一定時長的中斷作為時基TB（ TimeBase），而電機控制算法為一定倍數時長同步段隙（ Slot）軟件調度周期，并且在TB 3內的電機控制算法中，將目標占空比設定為4個時基的占空比漸變輸出方式，即TB 0-3分為4次PWM占空比漸變值生效。對于PWM占空比輸出由電機控制單元的比較寄存器值a、b、c分別定時比較控制，并將單邊上下MOSFET死區時間由預設寄存器DTM（ Dead time module）自動完成。在軟件最終實現上，僅通過3個占空值賦值到比較寄存器值a、b、c中，即可實現UVW/XYZ兩側共12路PWM的同步輸出。

2 六相電機采樣時序設計

2.1 六相電機信號與時刻關系

如圖6所示，六相電機每側的6個MOSFET處于PWNM驅動的TO （000）時刻采樣零電流，對應圖7中的零電流采樣時刻，實際控制中的采樣時刻位置均可通過寄存器設定延時并由采樣定時器T13來完成。

2.2 六相電機采樣時序設計

如圖8所示，由采樣定時器為T13調制輸出脈沖采樣延時信號的上升沿，作為VADC控制單元采樣轉換的觸發事件源。即通過采樣定時器T13將延時值預設的觸發時刻，與ADC控制單元（或ICU）采樣轉換關聯起來，分別在時序上的零電流采集時刻、相電流采集時刻和相電壓采集時刻，完成獲取全部六相電機的采樣值。

2.3 六相電機控制及診斷時序

在EPS軟件中，電機應用層包含電機控制算法和電機故障診斷2部分，采集到的各路采樣值輸入到2個功能單元中，最終實現電機正常運行。然而在硬件電路設計中，零電流和相電流的采樣，對于單片機端子和板級電路而言，是相同資源的時序分時采樣，對于這些相同的VADC采樣通道必須及時讀取ADC轉換完成后的各Group中的采樣值，以避免采樣數據的覆蓋。

如圖9所示，本文設計的各當前TB的中斷入口，分別根據需要讀取前一個TB內的采樣值，即TB 1入口讀取4路零電流值;TB 2入口讀取4路相電流值、RPS傳感器轉速相關信號值，并均輸入至電機控制算法功能單元;TB 3入口讀取6路相電壓值，并輸入至電機故障診斷功能單元。

3 六相電機驅動及時序驗證

3.1 驗證六相電機驅動功能

通過示波器分別捕獲ADC觸發采樣的時刻位置、UVW三相的電機控制單元一側的PWM輸出、XYZ三相的電機控制單元一側的PWM輸出以及TB時基中斷的波形。如圖10所示，各采樣延時位置、雙三相復雜驅動同步性及中斷系統定時驅動功能等均正確。3.2驗證六相電機時序功能

通過德國Gliwa T1軟件對函數體運行位置進行定位觀測（圖11），可視化的時間特性上位機界面中，可見六相電機實際運行時序均與設計預期完全一致。

3.3 六相電機主功能測試

通過Vector CANape觀測軟件運行過程中，六相電機驅動主要功能的電流實時數據、電機轉子位置傳感器RPS的轉角解算值等信息。如圖12所示，各觀測數據更新正常，結果良好且達到預期的驅動和采樣時序效果。

4 結束語

本文基于六相電機工作原理，從電機控制的驅動輸出理論與電機采樣時序設計2個方面，闡述在EPS產品中的應用方法，利用單片機內核2個電機控制單元獨立雙三相PWM定時器輸出及定時延遲采樣觸發時刻的方式，實現了雙星型繞組UVW/XYZ的冗余獨立控制，且保證了時序上的同步性。進一步實驗論證了軟件運行中，六相電機零電流、相電流、相電壓以及RPS傳感器相關數據的有效性和設計的合理性。通過該設計應用將為推進冗余EPS六相電機在未來智能駕駛領域，轉向執行器的安全和系統持續助力可用性提供技術保證。

【參考文獻】

[1] 王玲文，趙榮國，艾永樂.六相感應電機定子繞組設計與計算[J].湖南工業大學學報，201 0，29（11）：35-37.

[2] 謝輝，徐輝.英飛凌多核單片機應用技術：AURIXTM三天入門篇[M].天津：天津大學出版，201 7，09.

[3] 楊金波，楊貴杰，李鐵才.雙三相永磁同步電機的建模與矢量控制[J].電機與控制學報，201 0，14（6）：1-7.