基于磁編碼器的車用轉向電機控制系統設計

吳玨 楊廣春

摘? 要：采用磁編碼器作為電機位置傳感器，裝配上采用90°差分方式擺放，有效消除共模噪聲，并對采樣信號進行軟件濾波處理。電機控制系統采用矢量控制，采用轉速環和電流環閉環控制方式實時控制電機的轉速和電流。在基于CKS32F103C8T6芯片的硬件平臺上，實現了對轉向電機的控制，實驗表明，該系統具有良好的控制性能。

關鍵詞：線性霍爾；矢量控制；磁編碼器

中圖分類號：TM33；TP273；TP391.4 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）08-0068-04

Abstract： The magnetic coder is used as the motor position sensor， 90° differential arrangement is adopted for assembly to effectively eliminate common mode noise and software filtering of the sampled signal. The motor control system adopts vector control， using the speed loop and current loop closed-loop control method to control the speed and current of the motor in real time. The control of the steering motor is realized on the hardware platform based on the CKS32F103C8T6 chip， and the experimental results show that the system has good control performance.

Keywords： linear hall; vector control; magnetic encoder

0? 引? 言

隨著汽車電子技術的高速發展，汽車轉向助力系統已由傳統機械助力、液壓助力，發展到電動轉向助力系統[1，2]。電動轉向助力控制器作為汽車最重要的轉向系統部件，其性能的好壞直接影響著汽車的行駛的安全性和可靠性[3]。電動助力轉向控制器主要采用矢量控制技術[4，5]控制直流無刷電機的轉矩輸出，不僅要求汽車的助力電機在各種轉向工況下能快速準確地輸出助力轉矩并能實時跟蹤目標轉矩，而且還要求輸出平穩高效的轉矩，在運轉過程中不能出現轉矩突變等情況。電機主要部件的磁編碼器具有體積小、抗干擾能力強等優點，又由于在位置檢測和角度計算上都優于傳統的六步方波法來控制無刷直流電機[6]，故用此傳感器應用于電機控制中能有效提高目標轉矩的準確性，在高轉矩運行下也無明顯頓挫感。

本文提出了基于磁編碼器的車用轉向助力電機控制系統方案，通過對磁編碼器信號處理，相電流檢測等精準的電機位置檢測手段，使電機轉向系統在各種工況下都能平順的運轉下去。

1? 助力轉向控制器整體系統方案

1.1? 系統硬件方案架構

本設計采用32位單片機CKS32F103C8T6作為主控芯片，該芯片的內核為Cotex-M3，總線頻率最高72 kHz，128 KB字節Flash內存，1路CAN總線，1個16位帶死區控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入，1個12位16通道的ADC采樣模塊用于各模擬量的采集。硬件方案主要由開關電源電路、電壓采樣、三相電流采集信號處理、MOS管驅動電路、磁編碼器信號檢測電路組成。從圖1系統硬件方案框圖可以看出，開關電源電路為整套系統提供所需12 V、5 V和3.3 V的電源。通過磁編碼器檢測電路來檢測電機位置信號，將電機位置信號實時傳輸給控制芯片；通過電流檢測電路將三相電流采集的模擬信號傳輸給控制芯片，控制芯片根據換向邏輯和負載使用情況輸出相對應的PWM調制信號，通過逆變電路實現對電機的電壓電流調制控制。電路中還包含電流短路保護、電壓檢測、電源防反接等保護電路，在突發短路或接線操作失誤時能有效保護后級電路不被燒毀。

圖2是硬件電源結構：電源輸入通過BUCK降壓電路輸出15 V電源，主要用于MOS管的驅動電壓；15 V電源通過線性穩壓后轉為5 V電源，主要用于霍爾等外設部件；5 V電壓通過穩壓電路轉為3.3 V電源，主要用于單片機供電。電源輸入端采用寬電壓輸入范圍6 V～70 V的電源芯片XL7046，搭配外圍的電感和二極管組成BUCK電路，VIN輸入電壓范圍19.2 V～28.8 V，輸出VOUT電壓為15 V。該電路中位號V1 MOS管CRST055N08N具備電路防反接功能，當電源線正負接反時，MOS處于截止狀態，無法形成有效回路，能對后端電路起到保護作用，防止其他電子元器件損傷。15 V后端采用AMS1117和MD7533逐級轉化為5 V和3.3 V。

圖3為磁編碼器采樣電路，磁編碼傳感器采用四個線性霍爾作為傳感器，并做差分方式放置，以下采用1組電路作說明，線性霍爾輸出的波形為5 V正弦波，單片機采用3.3 V電源，因此需要進行電平轉換，采用運算放大器將原來的輸入信號轉化為0.82倍，經過RC濾波后送入單片機AD采樣口。

逆變電路主要由板橋驅動電路和功率開關電路組成。圖4為三相全橋逆變電路，它由6個功率場效應管（MOSFET）組成，工作在兩兩導通的狀態，將直流電逆變為可調的交流電，本設計開關頻率設計為15 kHz。

1.2? 磁編碼器工作原理和信號處理

磁編碼器是一種電機位置角度和位移檢測的傳感器，其工作原理是采用線性霍爾元件或者磁阻元件，對電機角度或者轉子位移變化的磁性實體進行測量[7-9]。本系統采用線性霍爾元件作為磁編碼器的主要采集元件。磁編碼器檢測電路信號發生部分的結構為單對磁極結構。圖5為單對磁極四信號檢測結構示意圖，磁鋼環固定在轉子上，四個霍爾元件固定在定子上，均勻分布在圓周上，霍爾元件發出的信號A+與A-，B+與B-分別差分可得到兩相信號A與B，用于消除共模噪聲及部分機械偏差。

A、B兩相電壓信號與轉子角度對應關系，圖6為兩相信號與角度對應關系。模擬信號經過模數轉換后，用兩相信號的符號和大小關系可將一個旋轉周期分成若干區間，每個區間內，任一相的電壓與角度都一一對應，利用電壓-角度變化斜率較大的一相判斷角度，可得到較高的角度精度和分辨率。

根據兩組差分信號UA和UB，兩組曲線相交點，圖6可以將曲線分為8段，每一段曲線值都對應了相對應的角度，計算角度時只需根據AD采樣值即可。

磁編碼器輸出的初始信號為電機轉子角度位置的正余弦函數，需要使用反正切法進行位置解碼[10]，但是由于初始信號疊加了一定的噪聲，適用性不強，為了獲得更準確的電機轉子角度和電機轉子轉速等信息，首先需要對磁編碼器輸出的信號做濾波處理。本設計通過一階低通濾波器的方法對輸出信號進行濾波降噪處理。

圖7為一階方程模型可得時域方程（3），其中R為濾波電阻，C為濾波電容，U1為輸入電壓，UC為濾波電壓：

由此式（7）可對濾波信號做一階濾波處理后，帶入軟件設計中，對磁編碼器采樣信號進行優化。

2? 電機矢量控制架構

矢量控制系統主要由以下四大模塊組成，圖8為矢量控制系統架構，分別為FOC運算、三相電流采樣、逆變調制、磁編碼器信號處理。將三相采樣電流a、b、c經過Clark變換為d、q交直軸坐標α、β，分別代表電機d軸和q軸電流分量，從而對電機的磁場和轉矩進行控制。逆變調制模塊主要采用高功率MOSFET器件實現對斬波頻率及電壓的調制，磁編碼器模塊主要確定轉子的速度和電角度。

三相采樣電流ia、ib、ic經過Clark變換為交直坐標下的id，iq：如式（8）：

經過坐標變換后，d軸與轉子磁場軸線重合，為磁場增強軸，q軸為轉矩軸。這樣便實現了定子電流的解耦，將其分解為勵磁和轉矩兩個分量，進而對磁通和轉矩進行獨立控制[9]。

Te=pφf id? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

由式（9），可得Te ∝ id，電機的轉矩具有良好的線性控制性。

系統主要通過速度環和電流環兩個維度進行控制：為了精準控制電機轉速，通過磁編碼器計算得出的轉速值與給定的轉速差值作為PI調節器的輸入，實時調制逆變電路的電壓值，使得電機轉速保持與給定的轉速保持一致；為達到電流閉環，將d軸電流和q軸電流與給定的電流誤差輸入PI調節器得到q軸和d軸輸出電壓，再經過Park逆變換，輸入逆變驅動電路進行調制，這樣使得電機電流和負載能更精準的進行匹配。矢量控制系統架構如圖8所示。

3? 控制器軟件設計

該控制系統主要包括主程序、中斷程序和CAN通信程序三個部分。軟件開始執行后，首先對各子程序初始化，時鐘、TIM1、TIM3、ADC、中斷、CAN通信等進行初始化配置。圖9為軟件設計流程圖，完成初始化配置后進入主循環，主循環包含CAN協議解析、電機控制、電機狀態回傳、報警監測等配置。外部中斷設置主要由以下幾個部分組成，DMA中斷、ADC中斷、CAN接收中斷、剎車中斷、硬件過流中斷、溢出中斷。其中ADC中斷和TIM1溢出中斷在每個調制周期都會觸發一次，ADC中斷負責讀取磁編碼器的采集值，然后一階低通濾波后，利用反正切計算出當前角度，同時根據當前角度增加值，計算出當前速度值。TIM1溢出中斷主要是用于速度環、電流環、矢量控制的計算和PWM的輸出。

4? 實驗與結果

本設計轉向電機采用直流無刷電機，額定電壓為24 V，額定功率為500 W，位置傳感器為磁編式傳感器。控制器采用的單片機是CKS32F103C8T6，在此硬件平臺上，用測試功系統測試，得到曲線。圖10為控制系統功率曲線圖，從曲線中可以看出，速度電流轉矩都沒有突變，變化平穩，保證了助力電機在運轉過程中的平穩性和可靠性。由表1特征點數據顯示電機在不加載時轉速為341 r/min，達到了額定轉速，最大轉矩為34.3 N.m，最大效率達到了85.5%，具有較寬的效率曲線，各曲線完整平滑，控制器最大電流為14.96 A。

5? 結? 論

線性霍爾的磁編碼器結構簡單體積小，具備較強的抗干擾能力和較快的響應速度，在成本上較光編等同性能編碼器也有很大優勢。本文使用基于線性霍爾的磁編碼作為電機矢量控制的位置傳感器，通過對采樣信號的處理，控制器能滿足設計需求，實驗結果表明該控制器能滿足助力轉向的應用要求。后續此方案還可以應用于低壓伺服，紡機等電機類控制項目中。目前該控制系統的電流設計在15 A，所產生的一些電磁干擾還不是很大，若后續要設計更大功率的控制器，還需再對磁編碼器的信號進行更高階的濾波處理，控制器電流采樣處理等也要進一步優化，以便提高電機轉子角度計算的準確性。

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作者簡介：吳玨（1986—），男，漢族，江蘇丹陽人，工程師，本科，研究方向：嵌入式硬件開發及汽車電子項目開發等。