低成本电动助力转向电机控制系统的实现与控制策略优化

    明  月，  刘嘉明，  沈建新

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

摘要：分析了低成本、高性能电动助力转向(EPS)电机控制系统的实现与成本控制方法。为了优化系统性能，对比研究了正弦脉宽调制(SPWM)，空间矢量脉宽调制(SVPWM)和三次谐波注入脉宽调制(THI-PWM)三种不同的脉宽调制技术，以及自适应PI调节和固定参数PI调节两种控制技术。试验证明了采用自适应PI调节和SVPWM技术的低成本EPS控制系统具有良好的运行性能。

    关键词：电动助力转向；旋转变压器；自适应PI控制

    中图分类号：TM 301．2文献标志码：A文章编号：1673-6540(2010)0643027-04

0  引  言   

    电动助力转向(Electric Power Steering，EPS)系统具有节省电能、结构简单、适合模块化设计生产及转矩输出可控等优点，在未来几年内将大量替代液压转向助力系统。但是，在电机设计、控系统设计、系统稳定性与可靠性及成本等方面，还需要做大量的研发工作。

    EPS系统的实质是一个伺服电机驱动系统，可以分为两部分：(1)根据车速、驾驶者在方向盘上施加的转矩等各种参数计算出电机的转速和转矩给定量；(2)根据第一部分的给定量，控制电机输出相应的转速和转矩^[1-2]。本文分析第二部分控制系统的设计与优化。

1 控制系统的实现与成本控制

该系统采用表面磁钢式隐极永磁同步电机(Salient—Pole Pel3~mnent Magnet Synonous Mo—tor，SPMSM)作为驱动电机，采用转速、电流双闭环的磁场定向控制方法。在d—q坐标系下，通过分别控制电机电流的id和iq分量，可以直接控制电机的磁场和转矩，实现与直流电机类似的动态性能。该系统为实现****转矩控制，采用id=0的控制方法，其控制框图如图1所示。

    电机控制器分为数字信号处理器(DigitalSignal Processing，DSP)控制单元、位置检测单元、驱动单元、电流采样单元四部分。其中DSP控制单元采用Freescale公司的1 6位混合型DSP

56F8323，其运算速度快、外设丰富、外围电路简单、成本低，适合低成本EPs电机控制系统应用，也可满足汽车电子通信和稳定性的要求。    

    位置检测单元由旋转变压器、旋转变压器一数字转换(RDc)电路组成。相对于增量式光电编码器，该系统具有抗机械冲击和抗温度、湿度变化等优点，且经过RDc解算出的是转子****位置，大大简化了DsP对电角度的计算；另外，旋转变压器系统成本远低于相同精度的增量式光电编码器。但RDc为模数共存芯片，外围电路的设计和调试较为复杂^[3]。

    功率驱动单元由6个大功率M0sFET构成。由于霍尔效应电流传感器成本过高，因此在下桥臂的M0sFET下端各串接一个与控制部分共地小阻值的精密功率电阻，作为电流采样电阻，通过对电阻两端的电压进行AD采样计算得到电机的相电流。由于只有下管导通时电流才会通过采样电阻，因此该系统采用同步采样模式，即在下管导通的中间时刻起动AD转换。如果某一相下管导通时间过短，会引起电流采样不准确或者无法采样到电流值，则需根据无中线三相系统中三相电流之和等于零的特性，通过另外两相计算该相电流。电机的实际相电流与经过同步采样和计算得到的相电流值的波形对比如图2所示，可见计算得到的电流亦即该系统的电流反馈，可以很好地反映实际电流。

    该系统采用的电机是一台490 w的9／6结构的PMSM，其额定直流母线驱动电压是12 v，额定转速为1100 r／min，额定转矩为4.24 N·m。电机的相反电势如图3所示，可以看出电机的相反

电势并不是纯正弦波，存在一定的谐波分量，这是由转子永磁磁环进行多相正弦波充磁时并不精确所导致的。

2  SPWM．SVPWM和THI—PWM的对比研究

    正弦脉宽调制(sin—wave Pulse wid出M0du—lation，sPwM)、空问矢量脉宽调制(space vectorPulse阢dth Modulation，sVPwM)、三次谐波注入脉宽调制(_rhlrd Hannonic Iniected Pulse widthM0dulatrnn，T Hl—PwM)是现阶段比较常见的脉宽调制(Pulse w·血M0dulaTion，PwM)技术，三者各有特点。