摘要：簡(jiǎn)單分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPs)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理．介紹了 EPs系統(tǒng)無刷直流電機(jī)的電路構(gòu)成和控制方法。設(shè)計(jì)開發(fā)了采用單片機(jī)進(jìn)行控制．車載蓄電池供電，用MOsFET構(gòu)成的三相逆變器驅(qū)動(dòng)的EPs控制系統(tǒng)的電控單元(Ecu)。詳細(xì)介紹了硬件電路利軟件的毆計(jì)，最終通過EPs臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所采用的PwM控制策略對(duì)EPs系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向過程的有效控制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；無刷直流電機(jī)；電控單元
1 引言
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPs)是一種直接依靠電力提供輔助力矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，助力大小由電控單元(Ecu)控制。廢系統(tǒng)僅依靠汽車上的蓄電池作為其電源，也不需要復(fù)雜的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只需要控制電動(dòng)機(jī)電流／電壓的幅值，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
作為EPs系統(tǒng)的動(dòng)力單元 一助力電機(jī)，其應(yīng)當(dāng)具有啟動(dòng)迅速，伺服性能好，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，噪聲低，易控制，可靠性和安全性高，對(duì)其它控制電路的電磁干擾盡量小，體積小，重量輕等特點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)的EPs系統(tǒng)多采用永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)，然而有刷直流電動(dòng)機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的噪聲和火花對(duì)汽車的行駛安全性帶來很大影響以及其自身的功率密度低，能耗較大，給EPs系統(tǒng)的普及帶來不便。為此，使用電子換向、高功率密度、高安全性和可靠性的無刷直流電機(jī)是EPs系統(tǒng)的發(fā)展方向。
本文設(shè)計(jì)的基于無刷直流電機(jī)的EPs系統(tǒng)由車載蓄電池供電，主電路采用三相全橋逆變電路，主開關(guān)管采用開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小的MoSFET。無刷直流電機(jī)的控制采用上橋臂常通，下橋臂PWM斬波的三相六狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通方式，每一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，這．方式開關(guān)管總損耗低，實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單。
2 EPS系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理
EPs系統(tǒng)由Ecu、轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和機(jī)械式轉(zhuǎn)向器等組成。 EPS基本工作原理如下：Ecu根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)以及EPS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩、車速和助力電流三者之問的特定關(guān)系，將轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)轉(zhuǎn)換為給定電流信號(hào)，輸入到運(yùn)算單元進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)了EPs系統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向特性。此外，EcU還有安全保護(hù)和自我診斷功能，ECu通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、輸入電壓等信號(hào)判斷系統(tǒng)丁作狀態(tài)是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動(dòng)取消，并切換至方向盤機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，不影響車輛的安全行駛，同時(shí)ECU將進(jìn)行故障診斷分析，輸出顯示故障代碼。
3助力電機(jī)的控制
3．1 EPs系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與控制
Rps擋制器采集點(diǎn)火信號(hào)、轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和直流側(cè)電流信號(hào)，并通過無刷直流電機(jī)的霍耳位置傳感器信號(hào)得到轉(zhuǎn)予位置．將以上信號(hào)綜合起來判斷方向盤目前所處的狀態(tài)．根據(jù)所處狀態(tài)的不同，實(shí)施相應(yīng)的助力控制策略．從而達(dá)到協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作的目的。
功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋逆變結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)定子繞組為Y接法，電動(dòng)機(jī)為三相六狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通工作模式。本文選用的電機(jī)自身帶傳感器，實(shí)時(shí)將3路位置信號(hào)送人單片機(jī)，經(jīng)過軟件處理得到6路PwM控制信號(hào)，電機(jī)的霍耳信號(hào)與相應(yīng)的導(dǎo)通相的關(guān)系。 助力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制是EPs控制的關(guān)鍵，由無刷直流電機(jī)的控制可以知道，控制電機(jī)的電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電流單閉環(huán)方式，由表l可知，電機(jī)任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，即相應(yīng)時(shí)刻直流母線上流過的電流就等于相應(yīng)導(dǎo)通相的電流，通過控制直流母線上的電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的控制。這種控制方式忽略了電機(jī)繞組電感的續(xù)流作用，是一種近似電流控制，只需在直流母線l一串聯(lián)檢測(cè)電阻來采樣一路電流，有利于EPs控制器的小型化與經(jīng)濟(jì)化，性價(jià)比高。
本文選用Inflneon公司的16位單片機(jī)XEl64作為控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主頻80 MHz。在EPs系統(tǒng)中，方向盤主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)、直流電壓信號(hào)、電機(jī)商流母線電流信號(hào)共4路模擬量．通過各自的調(diào)理電路輸入到單片機(jī)的P5口；運(yùn)行、故障、狀態(tài)指示由PO¨控制；過熱保護(hù)、驅(qū)動(dòng)使能檢測(cè)、電磁繼電器和電磁離合器檢測(cè)、過欠壓保護(hù)由P1 口輸入；實(shí)時(shí)狀態(tài)及故障代碼顯示電路由P2幾控制；6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)山P10．O-P10．5輸出；緊急制動(dòng)由PlO.6實(shí)現(xiàn)；3路霍耳位置信號(hào)由PlO．7-P10.9輸入；定時(shí)／計(jì)數(shù)器T2，T3分別設(shè)定為采集車速信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，由p4．2和P5．3口輸入。
3．2硬件電路的設(shè)計(jì)
硬件電路的設(shè)計(jì)包括電壓調(diào)理電路、主副轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路、電磁繼電器檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)、電磁離合器檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)電流采集電路、位置信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路等組成。其中電動(dòng)機(jī)電流采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路為本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。
3 2．1電動(dòng)機(jī)電流采集電路
本設(shè)計(jì)采用在主回路中串聯(lián)一個(gè)精密電阻．通過測(cè)量電阻兩端的電壓來獲取電流值。比起采用霍耳電流傳感器．降低了裝置成本。
本設(shè)計(jì)精密電阻阻值選用4 mΩ，與電樞電阻值(一般在200mΩ左右)相比要小得多，基本不影響系統(tǒng)工作。電流采樣電路如圖4所示，電阻兩端的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管z。限幅和電容C濾波，再通過運(yùn)放cA3140進(jìn)行信號(hào)放_(tái)人。考慮到電機(jī)電流的波動(dòng)性，CA34O的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過限幅和濾波處理，然后送給單片機(jī)的AD口和 IO口。CPU將該信號(hào)作為電動(dòng)機(jī)電流反饋控制信號(hào)和故障診斷信息。
3 2．2電機(jī)驅(qū)動(dòng)及主電路
該部分主要由開關(guān)管MOsFET、電流采樣電阻、驅(qū)動(dòng)芯片等組成，如圖5所示。主電路采用i相全橋逆變電路，主開關(guān)管采用開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小的M()sFET，驅(qū)動(dòng)芯片選用Infincon公司生產(chǎn)的6FD驅(qū)動(dòng)芯片，此驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓為3～1 7．5V且自身帶有欠壓鎖定功能，典型值1 0．3 V。電阻R77一為4 mΩ／12 w的精密電阻，作為電流采樣電阻串聯(lián)在直流母線。
3．3 EPs系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
EPs控制系統(tǒng)的任務(wù)包括：跟蹤轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的大小和方向、車輛速度、監(jiān)測(cè)電機(jī)電樞電流和蓄電池電壓，并控制電磁離合器的離／合、系統(tǒng)故障檢測(cè)及顯示等，軟件流程如圖6所示。主程序主要用來對(duì)單片機(jī)的各片內(nèi)、外設(shè)進(jìn)行初始化。初始化列進(jìn)行各部件初始檢查．若無故障．EPs才可工作，開放所需要的各種中斷，進(jìn)行電池電壓和電機(jī)電流監(jiān)測(cè)，完成車速和故障顯示。一些關(guān)鍵性的控制是以中斷方式實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)中利用定時(shí)器來產(chǎn)生恒定的主副轉(zhuǎn)矩和電池電壓采樣頻率。電機(jī)電流是EPS控制的核心-文中采用了T12的周期巾斷來采集，采樣周期為50us，保證了電流控制的精度。
4結(jié)果分析
本文搭建了無刷直流電機(jī)EPs系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并針對(duì)上述EcU的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓為24 v，額定功率PN=188 w，額定轉(zhuǎn)速nN=4 OOOr／min，額定轉(zhuǎn)矩為O．6 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為1．85N·m。
圖7驗(yàn)證，當(dāng)給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)持續(xù)轉(zhuǎn)矩的情況下，助力電流跟蹤轉(zhuǎn)矩給定的情況。通道l為通過采樣電阻經(jīng)調(diào)理電路送人到單片機(jī)的電壓信號(hào)，通道2為轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的電壓信號(hào)(所采用的轉(zhuǎn)矩傳感器中位電壓為2.5 V)。南于機(jī)械形變不均．轉(zhuǎn)矩傳感器的變化呈非平滑曲線。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤從中位，先施加一個(gè)正向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時(shí)，助力電機(jī)正轉(zhuǎn)助力，當(dāng)施加一個(gè)反向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時(shí)，助力電機(jī)反轉(zhuǎn)助力，給定電流跟隨轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的變化而變化。由于電機(jī)啟動(dòng)電流比較大，給定電流在PI的作用下出現(xiàn)較大尖刺(如圖7中電機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)所示)。
圖8為給定電流實(shí)時(shí)變化的情況下，電機(jī)電流的跟隨情況。給定電流山小漸大再由大漸小，電機(jī)電流都能實(shí)時(shí)跟隨給定。圖9為圖8的局部放大圖形。
5 結(jié)論
本文采用直流母線單電阻采集電流方式，實(shí)現(xiàn)了EPs系統(tǒng)無刷直流電機(jī)的控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的合理性，同時(shí)可以有效降低Ecu成本與體積。 |
