低成本電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與控制策略優(yōu)化
明 月， 劉嘉明， 沈建新
(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)
摘要：分析了低成本、高性能電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與成本控制方法。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，對(duì)比研究了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和三次諧波注入脈寬調(diào)制(THI-PWM)三種不同的脈寬調(diào)制技術(shù)，以及自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)和固定參數(shù)PI調(diào)節(jié)兩種控制技術(shù)。試驗(yàn)證明了采用自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)和SVPWM技術(shù)的低成本EPS控制系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；旋轉(zhuǎn)變壓器；自適應(yīng)PI控制
中圖分類(lèi)號(hào)：TM 301．2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6540(2010)0643027-04
0 引 言
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering，EPS)系統(tǒng)具有節(jié)省電能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)及轉(zhuǎn)矩輸出可控等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)幾年內(nèi)將大量替代液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。但是，在電機(jī)設(shè)計(jì)、控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性及成本等方面，還需要做大量的研發(fā)工作。
EPS系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以分為兩部分：(1)根據(jù)車(chē)速、駕駛者在方向盤(pán)上施加的轉(zhuǎn)矩等各種參數(shù)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定量；(2)根據(jù)第一部分的給定量，控制電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[1-2]。本文分析第二部分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
1 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與成本控制
該系統(tǒng)采用表面磁鋼式隱極永磁同步電機(jī)(Salient—Pole Pel3~mnent Magnet Synonous Mo—tor，SPMSM)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的磁場(chǎng)定向控制方法。在d—q坐標(biāo)系下，通過(guò)分別控制電機(jī)電流的id和iq分量，可以直接控制電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)類(lèi)似的動(dòng)態(tài)性能。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)****轉(zhuǎn)矩控制，采用id=0的控制方法，其控制框圖如圖1所示。
電機(jī)控制器分為數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignal Processing，DSP)控制單元、位置檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)單元、電流采樣單元四部分。其中DSP控制單元采用Freescale公司的1 6位混合型DSP
56F8323，其運(yùn)算速度快、外設(shè)豐富、外圍電路簡(jiǎn)單、成本低，適合低成本EPs電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用，也可滿足汽車(chē)電子通信和穩(wěn)定性的要求。
位置檢測(cè)單元由旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換(RDc)電路組成。相對(duì)于增量式光電編碼器，該系統(tǒng)具有抗機(jī)械沖擊和抗溫度、濕度變化等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過(guò)RDc解算出的是轉(zhuǎn)子****位置，大大簡(jiǎn)化了DsP對(duì)電角度的計(jì)算；另外，旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于相同精度的增量式光電編碼器。但RDc為模數(shù)共存芯片，外圍電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試較為復(fù)雜[3]。
功率驅(qū)動(dòng)單元由6個(gè)大功率M0sFET構(gòu)成。由于霍爾效應(yīng)電流傳感器成本過(guò)高，因此在下橋臂的M0sFET下端各串接一個(gè)與控制部分共地小阻值的精密功率電阻，作為電流采樣電阻，通過(guò)對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行AD采樣計(jì)算得到電機(jī)的相電流。由于只有下管導(dǎo)通時(shí)電流才會(huì)通過(guò)采樣電阻，因此該系統(tǒng)采用同步采樣模式，即在下管導(dǎo)通的中間時(shí)刻起動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。如果某一相下管導(dǎo)通時(shí)間過(guò)短，會(huì)引起電流采樣不準(zhǔn)確或者無(wú)法采樣到電流值，則需根據(jù)無(wú)中線三相系統(tǒng)中三相電流之和等于零的特性，通過(guò)另外兩相計(jì)算該相電流。電機(jī)的實(shí)際相電流與經(jīng)過(guò)同步采樣和計(jì)算得到的相電流值的波形對(duì)比如圖2所示，可見(jiàn)計(jì)算得到的電流亦即該系統(tǒng)的電流反饋，可以很好地反映實(shí)際電流。
該系統(tǒng)采用的電機(jī)是一臺(tái)490 w的9／6結(jié)構(gòu)的PMSM，其額定直流母線驅(qū)動(dòng)電壓是12 v，額定轉(zhuǎn)速為1100 r／min，額定轉(zhuǎn)矩為4.24 N·m。電機(jī)的相反電勢(shì)如圖3所示，可以看出電機(jī)的相反
電勢(shì)并不是純正弦波，存在一定的諧波分量，這是由轉(zhuǎn)子永磁磁環(huán)進(jìn)行多相正弦波充磁時(shí)并不精確所導(dǎo)致的。
2 SPWM．SVPWM和THI—PWM的對(duì)比研究
正弦脈寬調(diào)制(sin—wave Pulse wid出M0du—lation，sPwM)、空問(wèn)矢量脈寬調(diào)制(space vectorPulse阢dth Modulation，sVPwM)、三次諧波注入脈寬調(diào)制(_rhlrd Hannonic Iniected Pulse widthM0dulatrnn，T Hl—PwM)是現(xiàn)階段比較常見(jiàn)的脈寬調(diào)制(Pulse w·血M0dulaTion，PwM)技術(shù)，三者各有特點(diǎn)。
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