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基于XC164CS助力转向电机的控制 |
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作者：上海新代车辆技术有限公司 马锡平 来源：《伺服控制》 |
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由于永磁同步电动机(PMSM)具有结构 简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷,与异步电动机相比，它不需要无功励磁电流，因而功率因数高，将是汽车电子控制产品的首选。但其控制算法主要有二种：
一是根据空间电压矢量PWM原理，八种可能的开关状态形成六种可能的磁场方向(加上2个零矢量)，在一个PWM周期内，实时采集三相电流，采用定子磁场定向理论，计算6个空间电压矢量各自的作用时间，实现永磁同步电动机的伺服控制。优点是精度高，动态性能好以及体积小。因此，要求主控制芯片具有较高的运算速度和数据处理能力，才能实现实时控制。
二是由微型机计算出电动机应有的转矩及相应的电流，再根据当时的转子位置角，计算三相电流瞬时值，通过电流闭环控制，利用具有快速跟踪特性的电压型PWM型逆变器，使电动机的实际定子电流接近指令电流，实现永磁同步电动机的伺服控制。其中电流闭环一般由数模转换器、电流比较器等模拟电路组成。
以上二种控制方式，由于产品成本高，控制系统复杂，阻碍了在汽车电子产品中大量的推广和应用。
作为汽车重要组成部分的转向系统从机械转向系统﹑液压助力转向系统，发展到了今天的电动助力转向系统[1]。电动助力转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的转向系统。与传统转向技术相比，汽车电动助力转向系统(EPS)有着节约能源、操纵方便和驾驶安全等众多优点，兼可减轻驾驶员劳动强度。传统的驱动电机主要为直流有刷电动机，也有采用无刷直流电动机的产品，但其驱动方式为60°换向的三相六状态工作方式。 由于60°换向，控制精度为±30°，因此，产生较大的转矩波动。
本文在永磁同步电动机工作原理的基础上，提出基于XC164CS单片机的永磁同步电动机磁场定向控制算法，实现汽车电动助力转向电机的控制。
永磁同步电机的工作原理
由于直流电动机具有非常优良的线性机械特性，宽的调速范围，大的起动转矩，简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中，但是，直流电动机的机械换向器和电刷，使得其结构复杂，可靠性差。特别是变化的接触电阻，火花，噪声等，在低电压大电流应用中尤为突出。如对于本系统，直流电机输出功率为340W，在额定电压为12V时，输入电流高达50A，机械换向器和电刷产生的电流冲击和噪声将严重影响系统的性能[2]。
磁场定向控制的三相正弦波永磁同步电动机，不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有异步电机的结构简单，运行可靠，维护方便等优点，目前在高档电气产品中得到大量应用。
在磁场定向控制的永磁同步电动机系统中，通过实时检测转子所在的位置角ε，使得电流空间矢量总是保持在q轴上，即δ＝90°，从而使永磁同步电动机具有与直流电动机一样优良线性的转矩特性，电磁转矩的大小将和电流空间矢量的大小i直接成正比。选择转子位置角ε的零点与a轴重合如图1所示[3]。
图1 永磁同步电机矢量图
实现磁场定向控制算法和实现
控制算法
根据图2的EPS系统控制原理框图和图1的永磁同步电机矢量图，在忽略电机铁心的饱和，不计电机的涡流和磁滞损耗，转子没有阻尼绕组时，电磁转矩和定子磁链方程为[4]：
Tem＝np(ψdiq－ψqid) (1)
ψd＝Ldid＋ψf (2)
ψq＝Lq iq
定子电压方程为： (3)
式(3)中np为电机极对数，Rs为定子电阻，Ld、Lq为定子电感在d,q轴上的等效电感，(对于本系统选用的PSMS，Ld＝Lq)，ψf为转子磁场通过定子绕组的磁链，由电机结构决定的常量。Ud、Uq为dq轴电压，ωm为转子的电角速度，U为由Ud、Uq合成的空间电压矢量，以ωm旋转。
当控制定子电流矢量使之落在q轴上，即id=0,iq＝i。
由式(1)、(2)、(3) 可得dq轴电压方程和电磁转矩可简化为: (4)
通过Park逆变换和Clarke逆变换、化简得： (5)
其中ke为电机电势常数，β为偏移角，与电流有关，可通过Ud、Uq计算得到。
EPS系统通过控制永磁同步电动机的dq轴电压Ud、Uq，从而实现电流空间矢量总是保持在q轴上，从而使永磁同步电动机具有与直流电动机一样优良的线性转矩特性。通过上述方法，对于EPS系统的上层的控制策略而言，其控制对象相当于一台直流电动机，因此，基于直流电动机而研究的大量EPS控制策略可方便地应用于本系统。
建立在英飞凌XC164CS单片机的EPS系统控制原理框图如图2所示。执行元件为永磁同步电动机，由于本质上为电流控制的电压型逆变器(SPWM)供电，图2中虚线框内功能由单片机软件实现。EPS的助力电机控制原理如下，在图2中以表明:根据上层的控制策略计算得到的需要的助力转矩或回正转矩(松开双手，方向盘恢复到中间位置的转动力矩)为电动机控制的输入指令转矩Tm*，由此产生指令电流Iqef，同时系统采集电流ia、ic, 通过Clarke变换和Park变换，计算id，iq。其中iq与指令电流Iqef比较，通过PI调节器，产生Uq;系统设定Idef=0，与反馈的id与比较，通过PI调节器，可产生Ud。由Ud、Uq计算得到的β，通过Park逆变换和Clarke逆变换计算施加于三相定子电压Ua、Ub、Uc，通过调节三相定子电压，使得id=0, iq=Iqef，从而实现电机输出电磁转矩跟随指令转矩Tem*。
图2 EPS 助力电机控制原理图
PWM输出方式
对于六路PWM控制信号的产生，采用规则采样SPWM方法。为了减小永磁同步电动机工作噪声，六路PWM载波频率为20kHz;系统采样周期取1ms(即定子电压幅值每1ms只改一次)，使得MCU有充分的时间完成大量的控制策略运算。V1V4、V3V6、V5V2的驱动各自互补对称，分别控制三相绕组A、B、C的相电压，输出波形采样中心对称，如图3所示。若任一相的占空比Dmx=50%时，该相在一个PWM周期内的基波电压为零。三相PWM的输出控制方程如下:
Dma＝49×Umsin(ε＋β)＋50
Dmb＝49×Umsin(ε＋β－120°)＋50 (6)
Dmc＝49×Umsin(ε＋β－240°)＋50
式中:Um为空间电压矢量U的幅值与最大输出相电压之比;
式(6)采用系数49可避免任一相的占空比Dmx=100%或Dmx=0%的状态，而使得IR2110的自举电路工作不正常，从而导致上桥臂不能正常通断。偏移量50使得PWM波形满足中心对称，同时使Dmx为正数，简化控制计算。
在EPS系统中，通过调节三相占空比，控制永磁同步电机的三相定子电压，对永磁同步电动机实现磁场定向控制，以进行转向助力。
图3 PWM 输出波形
基于英飞凌XC164CS单片机的ECU开发
针对控制器的特点，将ECU设计分为三块模块:MCU模块、信号调理模块和电机驱动输出模块。
MCU模块
在ECU中，MCU为控制的核心，与工业电子、汽车娱乐电子等产品不同，应以安全、可靠和在汽车控制系统成功应用的MCU为选择依据，而英飞凌的车用MCU广泛用于欧洲中高档汽车控制系统中。英飞凌的XC164CS芯片为16位嵌入式微控制器，系统主频40MHz;访问内部ROM和FLASH存储器是64位宽度; 7路PWM输出，其中6路可配置为死区时间可调的互补对称输出;14路高速ADC，单路转换时间小于2μs;内置双CAN驱动功能模块和OCDS (On-Chip Debug System)接口[5][6] 。在EPS系统中，方向盘转角和扭矩、电机的A、C相电流、总电流、电机和功率场效应管(MOSFET)的温度共10路模拟量，通过各自的调理电路输入到MCU的P5口;电机的转角由旋转变压器检测，通过RDC转换成10位数字量，由P0口输入;六路PWM由P1L0-5输出;控制输入和保护输出由P9口实现;故障记录由EEPROM保存。
信号处理模块
信号处理模块主要由10路模拟信号放大滤波电路、开关量输入、输出电平转换电路、RDC转角检测电路等组成。其中转子位置检测，转角数字转换，和方向盘扭矩转角信号采集处理为EPS系统的关键参数。
转子位置检测
永磁同步电动机位置传感器实时检测转子所在的位置角，并根据转子的位置来计算三相占空比，控制MOSFET的导通和截止。因此，转子位置角的检测精度，关系到电流空间矢量定位在q轴的精度，是提高系统性能的关键。
磁阻式旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件，自身结构坚固耐用，不怕振动冲击，可在高温下工作，具有很强的适应环境能力，比较适合安装在汽车底盘这种强振动冲击环境。它的定子有一组激励绕组和两组在空间上差90°的输出绕组，转子为永磁体，其磁极方向与永磁同步电动机磁极一致，其独特的外形可在定子、转子之间形成特殊的气隙磁场，当励磁绕组以一定频率的交流电压UE励磁时，输出绕组U1、U2的电压幅值与转子转角ε成正弦、余弦函数关系。即:
UE＝Esinωt
U1＝αEsinωt Cosε (7)
U2＝αEsinωt sinε
式(7)中:E为激励电势，α为变比。ω为激励频率
因此，通过检测UE、 U1、U2可计算出电机转子位置角ε。
转角数字转换电路
转角转换电路采用RDC19222芯片，如图4所示，它由7V～10KHz激励电路和转角转换电路组成。激励电路由U10、C15、R18组成选频正反馈，产生10KHz自激振荡信号，作为旋变的励磁电源和RDC转换的参考输入。RDC的转换精度由A、B端设定，当AB=11时，转换输出16位精度，当AB=00时，转换输出10位精度，因转换精度越高转换所需时间越长，而旋变的输出精度为±0.7°，所以，10位转换精度，300ns转换时间满足EPS设计要求。
图4 转角转换电路(点击放大)
方向盘扭矩转角信号采集处理
方向盘扭矩转角传感器采用美国BI公司的汽车转向专用传感器，该传感器具有两路互补对称输出的扭矩信号，输出精度为±3.0%;一路方向盘圈数信号和二路方向盘角度信号，合成转角范围±810°，精度±1.5%，满足方向盘正转2圈反转2圈的实际需要;五路信号通过500Hz滤波之后接MCU的P5口。
电机驱动电路及主电路
该部分主要由主开关MOSFET、电流采样、放大驱动等组成，如图5所示。主电路采用三相全桥逆变电路，主开关器件采用功率场效应管，由于具有开关速度快、损耗低、驱动功率小等优点，特别是导通电阻小，广泛用于汽车电子系统。主开关选用IR3703，功率驱动选用3片IR2110，每一片IR2110驱动一组桥臂，上桥臂驱动电源为二极管D2、电容C2组成的自举电路产生，如A相，当V4导通时，12V电源通过二极管D2-1、V4对C2-1充电，当V4关断，D2-1反向截至，U2-7的Vb、Vs端保持充电电压，为上桥臂V1导通提供浮地电源。电阻R1-1、R1-2、R1-3、R1-4为电流取样电阻，阻值为3mΩ。
图5 电机驱动电路及主电路(点击放大)
EPS台架试验EMC试验
根据式6，对应不同的典型负载，对驱动电机A相电流进行检测(B相、C相波形相似), 实测的A相电流波形变化如图6。其中:图6(a)为低速大电流变化波形，电流峰值为62.5A;图6 (b)为快速小电流变化波形，峰值电流为3.1A。在EPS台架试验中，系统运行稳定，转向控制灵敏。小电流时电流曲线畸变，这是由死区时间造成，但对扭矩波动影响小，扭矩输出基本为直线。 在EMC测试中，图7为传导骚扰电压发射波形，图8为射频骚扰电压发射波形。从图7和图8可知，传导骚扰电压发射电平在60db以下，射频骚扰电压发射电平在65db以下。采用磁场定向控制的永磁同步电机对外干扰小，抗干扰能力强。
(a)低速大电流变化波
(b) 快速小电流变化波形
图6 实测的A相电流波形
图7 100kHz～200MHz传导骚扰电压发射波形
图8 0～30MHz射频骚扰电压发射波形
结语
本文采用1ms中断改变三相占空比的方法，磁场定向控制的永磁同步电动机为执行电机，并由英飞凌XC164CS 16位单片机为核心，实现EPS系统中的助力电机的控制，探索了在汽车电子控制系统中，低压、低速、大电流电机的控制方法，在台架试验中得到验证。试验显示EPS系统运行稳定，转向控制灵敏，EMC干扰小，达到设计要求，为产品化提供设计依据。(end)
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(4/7/2007) |
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