CN101934814A - 采用pwm变频策略驱动pmsm的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统。本发明中的变频策略可以根据不同工况改变永磁同步电机助力式电动助力转向系统控制器的三相逆变桥的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)的载波频率，以使得电动助力转向系统控制器获得降低发热量、提高功率输出能力和减小电磁噪声的平衡。

Description

采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，尤其是一种采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)变频策略驱动永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)的电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。

电动助力转向系统常用的助力电机包括有刷直流电机和永磁同步电机。有刷直流电机成本较低、控制简单，但是由于机械换向器和电刷的存在会引起换向火花、发热较大、扭矩波动等不利影响，所以一般用于要求扭矩输出不大的EPS。永磁同步电动机与直流电机相比较具有如下优点：比功率(单位体积所能发出的功率)大、扭矩波动小、发热少且散热容易、快速响应能力好等，常用于对性能和功率要求较高的中高级车EPS。EPS助力电机一般采用PWM技术通过ECU上的逆变电路驱动。

PWM技术的基本原理是利用高频载波(一般为三角波)与控制波进行比较，从而产生经过调制的PWM波。目前很多数字芯片硬件自带固定周期改变占空比的PWM发生电路。在PWM控制下，控制器三相逆变桥上的金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor，简称MOSFET)持续执行导通、关断动作以产生控制器所要求的电压输出波形。在导通、关断过程中MOSFET会产生大量的热量。因此PWM频率越高，MOSFET导通、关断越频繁，ECU的整体发热量就越大。另外由于死区时间的存在，MOSFET的导通时间总是比理想的时间稍短，这导致逆变桥的输出电压低于理想电压，电压利用不够充分。

由于PWM载波频率较低时会产生电磁噪声影响驾驶舒适感，传统的EPS一般采用较高载波频率的PWM来驱动电机，这样就带来ECU发热较大、电压利用不充分等问题，影响EPS的功率输出能力。

发明内容

本发明的目的是在兼顾EPS低电磁噪声的同时降低ECU发热量、提高系统功率输出能力，提供一种永磁同步电机助力式电动助力转向系统的PWM变频策略。

为达到以上目的，本发明的技术方案是：一种采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统。该系统可以评测EPS在不同工况下的主要性能要求，提取相关信号设计EPS工况判定算法，根据不同工况实现PWM变频策略。相关信号包括控制电压矢量幅值和ECU温度。(其中控制电压矢量幅值通过控制算法输出的电压三相相电压换算得到。由于是直接利用控制算法的输出，节省了硬件电压传感器的成本。)

判定算法规定，当上述任一信号超过门限值时，需要降低PWM频率，提高电压利用率或者减小ECU发热量。当两个信号都低于门限值时，则提高PWM频率，降低ECU的电磁噪声。为了避免信号在门限值附近波动造成的判定结果频繁变化，判定算法采用了“迟滞”设计。该发明的特点是对EPS软件策略作了补充，增加了PWM变频策略，使EPS能更好地满足不同工况下的主要性能要求。该策略的判定条件符合EPS的实际运行情况，可以达到“兼顾低电磁噪声、低ECU发热量、高系统功率输出能力”的目的。其中特别设计的“迟滞”判定方法有效地避免了PWM频率的频繁变化。

具体方案如下：

一种采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，所述电动助力转向系统包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮、扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成，其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；所述转向助力电机为永磁同步电机，其特征在于，所述电动助力转向系统包含PWM变频策略，该变频策略采用永磁同步电机的电压矢量幅值和ECU温度信号，并通过一判定算法，来决定电子控制单元何时采用较高的PWM频率、何时采用较低的PWM频率。

所述电压矢量幅值由dq轴控制电压信号换算得到，其中算法为：

$\mathrm{Vamp}=\sqrt{{\mathrm{Vd}}^2+{\mathrm{Vq}}^2}$

其中Vamp-电压矢量幅值；

Vd-d轴控制电压；

Vq-q轴控制电压。

所述判定算法将电压矢量幅值信号和ECU温度信号分别与规定好的门限值进行比较，只要任一信号大于门限值，控制器采用较低的PWM频率；反之采用较高的PWM频率。

所述门限值是一个迟滞比较器。该迟滞比较器具有上限值和下限值；当输入信号高于上限值时判定为“高”，低于下限值时判定为“低”，介于上、下限值之间时维持之前的判断。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：在不需要改动电动助力转向系统的硬件和已有软件策略的前提下，通过增加PWM变频策略，优化了不同工况下电动助力转向系统的性能。

附图说明

图1是本发明的判定算法原理图

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例子作进一步的详细描述，但本实施例子并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构以及相似变化，均应列入本发明的保护范围之内。

一种采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统。该系统可以评测EPS在不同工况下的主要性能要求，提取相关信号设计EPS工况判定算法，根据不同工况实现PWM变频策略。相关信号包括控制电压矢量幅值和ECU温度。其中控制电压矢量幅值通过控制算法输出的dq轴控制电压换算得到。由于是直接利用控制算法的输出，节省了硬件电压传感器的成本。具体控制算法为：

$\mathrm{Vamp}=\sqrt{{\mathrm{Vd}}^2+{\mathrm{Vq}}^2}$

其中Vamp-电压矢量幅值；

Vd-d轴控制电压；

Vq-q轴控制电压。

如图1所示的判定算法原理图。由两个迟滞比较器对输入的电压矢量幅值和ECU温度进行判断，若高于门限值则输出“高”(1)，反之输出“低”(0)。在本实施例子中对电压矢量幅值的比较上限为11V，下限为10V；ECU温度的比较上限为100℃，下限为80℃。两个迟滞比较器的输出经过逻辑“或”以后得到判定结果。若判定为“高”(1)，采用较低的PWM频率，在本实施例子中为10kHz；若判定为“低”(0)，采用较高的PWM频率，在本实施例子中为20kHz。

上述实施例子的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，所述电动助力转向系统包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮、扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成，其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；所述转向助力电机为永磁同步电机，其特征在于，所述电动助力转向系统包含PWM变频策略，该变频策略采用永磁同步电机的电压矢量幅值和ECU温度信号，并通过一判定算法，来决定电子控制单元何时采用较高的PWM频率、何时采用较低的PWM频率。

2.根据权利要求1所述的采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，其特征在于，所述电压矢量幅值d轴控制电压由换算得到，其中算法为：

$\mathrm{Vamp}=\sqrt{{\mathrm{Vd}}^2+{\mathrm{Vq}}^2}$

其中Vamp-电压矢量幅值；

Vd-d轴控制电压；

Vq-q轴控制电压。

3.根据权利要求2所述的采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，其特征在于，所述d轴控制电压来自包含采用park变换的解耦算法在内的控制算法的输出电压。

4.根据权利要求1所述的采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，其特征在于，所述判定算法将电压矢量幅值信号和ECU温度信号分别与规定好的门限值进行比较，只要任一信号大于门限值，控制器采用较低的PWM频率；反之采用较高的PWM频率。

5.根据权利要求4所述的采用PWM变频策略驱动PMSM的电动助力转向系统，其特征在于，所述门限值是一个迟滞比较器，该迟滞比较器具有上限值和下限值；当输入信号高于上限值时判定为“高”，低于下限值时判定为“低”，介于上、下限值之间时维持之前的判断。

Images