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基于XC164CS助力转向电机的控制

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家纺库存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×Ums基于SABIC PP514M12聚合物生产的布料制品在耐静水压测试中表现出更加出色的吸湿性和阻隔性in(ε＋β－120°)＋50 (6)

Dmc＝49×Umsin(ε＋β－240°)＋50

式中:Um为空间电压矢量U的幅值与最大输出铝幕墙相电压之比;

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P1L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粒度仪 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组事实上成的自举电路产生，如A相，当V4导通时，12V电源通过二极管D、V4对C充电，当V4关断，D反向截至，U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R、R、R、R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射橡胶片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，并由英飞从而可下降本钱凌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)