摘要:簡單分析了電動助力轉(zhuǎn)向(EPs)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理.介紹了 EPs系統(tǒng)無刷直流電機的電路構(gòu)成和控制方法。設(shè)計開發(fā)了采用單片機進行控制.車載蓄電池供電,用MOsFET構(gòu)成的三相逆變器驅(qū)動的EPs控制系統(tǒng)的電控單元(Ecu)。詳細介紹了硬件電路利軟件的毆計,最終通過EPs臺架實驗,驗證了所采用的PwM控制策略對EPs系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向過程的有效控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,具有較強的實用性和經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞:電動助力轉(zhuǎn)向;無刷直流電機;電控單元
1 引言
電動助力轉(zhuǎn)向(EPs)是一種直接依靠電力提供輔助力矩的動力轉(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,也不需要復雜的控制執(zhí)行機構(gòu),只需要控制電動機電流/電壓的幅值,就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動控制。
作為EPs系統(tǒng)的動力單元 一助力電機,其應當具有啟動迅速,伺服性能好,轉(zhuǎn)動慣量小,噪聲低,易控制,可靠性和安全性高,對其它控制電路的電磁干擾盡量小,體積小,重量輕等特點。目前,傳統(tǒng)的EPs系統(tǒng)多采用永磁有刷直流電動機,然而有刷直流電動機換向時產(chǎn)生的噪聲和火花對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是EPs系統(tǒng)的發(fā)展方向。
本文設(shè)計的基于無刷直流電機的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)動功率小的MoSFET。無刷直流電機的控制采用上橋臂常通,下橋臂PWM斬波的三相六狀態(tài)、兩兩導通方式,每一時刻只有兩相導通,這.方式開關(guān)管總損耗低,實現(xiàn)起來簡單。
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、電磁離合器、減速機構(gòu)和機械式轉(zhuǎn)向器等組成。 EPS基本工作原理如下:Ecu根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號和車速信號以及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)矩信號和車速信號轉(zhuǎn)換為給定電流信號,輸入到運算單元進行閉環(huán)控制,從而實現(xiàn)了EPs系統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向特性。此外,EcU還有安全保護和自我診斷功能,ECu通過采集電動機的電流、輸入電壓等信號判斷系統(tǒng)丁作狀態(tài)是否正常,一旦系統(tǒng)工作異常,助力將自動取消,并切換至方向盤機械轉(zhuǎn)動,不影響車輛的安全行駛,同時ECU將進行故障診斷分析,輸出顯示故障代碼。
3助力電機的控制
3.1 EPs系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與控制
Rps擋制器采集點火信號、轉(zhuǎn)矩傳感器信號、車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和直流側(cè)電流信號,并通過無刷直流電機的霍耳位置傳感器信號得到轉(zhuǎn)予位置.將以上信號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,實施相應的助力控制策略.從而達到協(xié)助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作的目的。
功率驅(qū)動電路采用三相全橋逆變結(jié)構(gòu),電動機定子繞組為Y接法,電動機為三相六狀態(tài)、兩兩導通工作模式。本文選用的電機自身帶傳感器,實時將3路位置信號送人單片機,經(jīng)過軟件處理得到6路PwM控制信號,電機的霍耳信號與相應的導通相的關(guān)系。 助力電機的轉(zhuǎn)矩控制是EPs控制的關(guān)鍵,由無刷直流電機的控制可以知道,控制電機的電流就可以實現(xiàn)電機的助力轉(zhuǎn)矩控制。本實驗系統(tǒng)采用電流單閉環(huán)方式,由表l可知,電機任一時刻只有兩相導通,即相應時刻直流母線上流過的電流就等于相應導通相的電流,通過控制直流母線上的電流就可以實現(xiàn)電機相電流的控制。這種控制方式忽略了電機繞組電感的續(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)檢測電阻來采樣一路電流,有利于EPs控制器的小型化與經(jīng)濟化,性價比高。
本文選用Inflneon公司的16位單片機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、直流電壓信號、電機商流母線電流信號共4路模擬量.通過各自的調(diào)理電路輸入到單片機的P5口;運行、故障、狀態(tài)指示由PO¨控制;過熱保護、驅(qū)動使能檢測、電磁繼電器和電磁離合器檢測、過欠壓保護由P1 口輸入;實時狀態(tài)及故障代碼顯示電路由P2幾控制;6路驅(qū)動信號山P10.O-P10.5輸出;緊急制動由PlO.6實現(xiàn);3路霍耳位置信號由PlO.7-P10.9輸入;定時/計數(shù)器T2,T3分別設(shè)定為采集車速信號和轉(zhuǎn)速信號,由p4.2和P5.3口輸入。
3.2硬件電路的設(shè)計
硬件電路的設(shè)計包括電壓調(diào)理電路、主副轉(zhuǎn)矩信號采集電路、電磁繼電器檢測與驅(qū)動、電磁離合器檢測與驅(qū)動、電動機電流采集電路、位置信號檢測、電機驅(qū)動及主電路等組成。其中電動機電流采集電路、電機驅(qū)動及主電路為本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。
3 2.1電動機電流采集電路
本設(shè)計采用在主回路中串聯(lián)一個精密電阻.通過測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,再通過運放cA3140進行信號放_人?紤]到電機電流的波動性,CA34O的輸出電壓信號經(jīng)過限幅和濾波處理,然后送給單片機的AD口和 IO口。CPU將該信號作為電動機電流反饋控制信號和故障診斷信息。
3 2.2電機驅(qū)動及主電路
該部分主要由開關(guān)管MOsFET、電流采樣電阻、驅(qū)動芯片等組成,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)動功率小的M()sFET,驅(qū)動芯片選用Infincon公司生產(chǎn)的6FD驅(qū)動芯片,此驅(qū)動芯片工作電壓為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
EPs控制系統(tǒng)的任務包括:跟蹤轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的大小和方向、車輛速度、監(jiān)測電機電樞電流和蓄電池電壓,并控制電磁離合器的離/合、系統(tǒng)故障檢測及顯示等,軟件流程如圖6所示。主程序主要用來對單片機的各片內(nèi)、外設(shè)進行初始化。初始化列進行各部件初始檢查.若無故障.EPs才可工作,開放所需要的各種中斷,進行電池電壓和電機電流監(jiān)測,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現(xiàn)的,系統(tǒng)中利用定時器來產(chǎn)生恒定的主副轉(zhuǎn)矩和電池電壓采樣頻率。電機電流是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EPs系統(tǒng)性能實驗臺架,并針對上述EcU的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了驗證。實驗臺架的驅(qū)動電機額定電壓為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驗證,當給轉(zhuǎn)向盤一個持續(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的電壓信號,通道2為轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的電壓信號(所采用的轉(zhuǎn)矩傳感器中位電壓為2.5 V)。南于機械形變不均.轉(zhuǎn)矩傳感器的變化呈非平滑曲線。當操縱轉(zhuǎn)向盤從中位,先施加一個正向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時,助力電機正轉(zhuǎn)助力,當施加一個反向漸大的操作轉(zhuǎn)矩時,助力電機反轉(zhuǎn)助力,給定電流跟隨轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的變化而變化。由于電機啟動電流比較大,給定電流在PI的作用下出現(xiàn)較大尖刺(如圖7中電機正反轉(zhuǎn)啟動時所示)。
圖8為給定電流實時變化的情況下,電機電流的跟隨情況。給定電流山小漸大再由大漸小,電機電流都能實時跟隨給定。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,實現(xiàn)了EPs系統(tǒng)無刷直流電機的控制,實驗結(jié)果驗證了控制方法的合理性,同時可以有效降低Ecu成本與體積。 |