CN102582681A - 基于dsp的交流永磁式电动助力转向控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

基于DSP的交流永磁式电动助力转向控制系统与方法，属于汽车领域，包括转矩转角传感器，车速传感器，电流传感器，侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，电机转子位置传感器及信号调理电路，DSP控制器，永磁同步电机，电机驱动电路，系统保护电路，通信接口电路。侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，扭矩转角传感器将测量到信号传递给DSP，DSP经过算法处理后，通过转子位置传感器，车速传感器，电流传感器测量助力电机的电角度、三相电流和当前的车速等信号，并根据这些输入信号进行转向助力和转角控制。其实现了在助力转向控制与车辆稳定性控制之间平滑切换，对应下层电机控制在转角控制与转矩控制之间切换，保证了驾驶车辆的稳定和转向的舒适性。

Description

基于DSP的交流永磁式电动助力转向控制系统与方法

一、技术领域

本发明涉及基于DSP的交流永磁式电动助力转向控制系统与方法，属于汽车领域。 

二、背景技术

与传统的液压助力转向系统相比，电动助力转向(Electronic Power Steering，简称EPS)系统具有转向跟随性好，操纵轻便、灵活，回正性好，节能环保等优点，因而逐渐在国内外许多轿车及轻型车型上得到应用，并有逐渐取代液压助力转向系统的趋势，成为现代汽车转向系统研究和开发的热点。EPS是一种直接依靠电机辅助转向的动力转向系统，主要由传感器，助力电机，电机减速器，控制器，控制策略等关键要素组成。其中助力电机及其控制是EPS的关键技术之一。 

目前，在大多数EPS产品中，大多采用永磁有刷直流电机。这种电机成本较低，控制简单，效果较好，但也存在一些问题。如电刷寿命短、有电磁干扰、比功率低、不适用于中、大型车辆等。无刷直流机在助力转向也有应用，但是由于其驱动方式为60°换向的三相六状态方式，控制精度为±30°，会产生很大的转矩脉动，不适合于力矩控制的电动助力转向系统。永磁同步电机(PMSM)在转矩脉动、电机尺寸、电机噪声、转动惯量等方面相对于有刷直流电机和无刷直流电机有明显优势，特别适合作中大型轿车电动助力转向系统的驱动电机。基于永磁同步电机的电动助力转向系统技术研究开发的成熟，必将大量取代现有的直流电机转向系统，成为电动助力转向的主流。为了提高电动助力转向控制系统性能，一般的单片机系统已经不能满足系统的要去了，需采用高端的处理器，保证系统的实时性和高精度。32位的DSP处理器汽车转向领域起到了越来越重要的作用。 

三、发明内容

本发明主要针对直流电机在电动助力转向中存在电刷寿命短、有电磁干扰、比功率低等问题，为了克服其不足之处，为中大型车辆提供一种助力转向系统。发明了一种基于32位DSP的交流永磁式电动助力转向控制器。同时为了保证车辆的安全性，发明了一种主动安全的车辆稳定性控制方法，并实现了在助力转向与车辆稳定性控制平滑切换的方法，对应下层电机控制在转角控制与转矩控制之间切换。 

为达到上述目的，本发明实现如下： 

一种DSP的交流电机电动助力转向控制器，包括DSP控制器，永磁同步电机及驱动电路，驱动保护电路，转矩，转角传感器，侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，车速传感器，电流传感器，电机转子位置传感器及信号调理电路，通信接口电路。其特征在于：系统采用32位DSP为主控芯片；转矩，转角传感器，侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，车速传感器，电流传感器通过7个A/D输入DSP；DSP通过6路PWM输出与电机驱动电路连接，电机驱动电路通过三相电压输出端与永磁同步电机相连。DSP的CAN接口与CAN总线驱动器，使控制器接入汽车的CAN总线网络。 

一种复合型的电动助力转向方法，在车辆稳定行驶的状态下，控制器实施助力转向控制功能。当车辆处于临界稳定，即失稳状态时，控制器进入稳定性控制状态，控制前轮转角，使车辆回到稳定状态。 从而实现了兼顾助力和操纵稳定性的功能。 

(1)DSP的时钟，各I/O端口，A/D，串口，CAN控制器，事件管理器初始化。 

(2)从转角传感器，侧向加速度传感器，横摆角速度传感器，车速传感器采集相应信号输入到DSP。建立汽车二自由度理想数学模型如下： 

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=\frac{C_f+C_r}{\mathrm{mu}}\mathrm{\β}+[\frac{l_f{C}_f-l_r{C}_r}{{\mathrm{mu}}^2}-1]\mathrm{\γ}-\frac{C_f}{\mathrm{mu}}{\mathrm{\δ}}_f\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{l_f{C}_f-l_r{C}_r}{I_z}\mathrm{\β}+\frac{{l_f}^2{C}_f+{l_r}^2{C}_r}{I_{z}u}\mathrm{\γ}-\frac{l_f{C}_f}{I_z}{\mathrm{\δ}}_f\end{array}\right.$

式中：Y_f为前轮胎所受侧向力；Y_r为后轮胎所受侧向力；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；δ_f为车轮转角；l_f为质心至前轴距离；l_r为质心至后轴距离；m为整车质量；u为车速；I_z为车辆绕Z轴的转动惯量；C_f为前轮胎侧偏刚度；C_r为后轮胎侧偏刚度。其中输入量为车速u和车轮转角δ_f，输出量为横摆角速度和质心侧偏角，其他参数为车辆常量。 

(3)将实际前轮转角和车速输入输入上述二自由度汽车数学模型，得到理想横摆角速度值为r_ref。实际由横摆角速度传感器得到的横摆角速度大于r_ref时，车辆失稳。 

(4)若车辆失稳，通过DSP驱动蜂鸣器和红色LED灯向驾驶员报警，进入车辆稳定控制程序(5)；若车辆处于稳定状态，进入助力控制程序(7)。 

(5)稳定控制程序。以(2)所述的侧向加速度，横摆角速度值为反馈控制指标，将实际测量的侧向加速度，横摆角速度值与汽车二自由度模型输出值比较，实现一个闭环反馈控制，经过PID控制得到附加前轮转角。 

(6)由步骤(5)中控制算法得到的附加车轮转角传给电机控制算法模块。电机控制模块采用转角闭环，转速闭环，转角闭环的三闭环控制方法，电机转角控制器得到目标转角信号与实际转角信号比较后通过P控制算法得到电机目标转速；转角控制器得到目标转速信号与实际转速信号比较后通过PI控制算法得到电机目标电流；电流控制器得到目标电流信号与实际反馈电流信号比较后通过矢量控制算法输出PWM到驱动电路，永磁同步电机通过减速器，转向器机构使车轮转到目标位置。 

(7)助力控制程序。若车辆处于稳定状态，DSP分别采集由扭矩传感器，转角传感器，车速传感器采集扭矩T_d，转角θ，车速V对汽车行驶工况和运动状态进行判断，然后选择控制模式； 

设采集到的转向盘转矩T_d，的绝对值大于2N·M，转向盘角度θ和转角角速度 

的乘积大于零，系统进入助力控制模式(将方向盘转矩传感器检测到的转矩信号和车速传感器检测到的车速信号输入控制器的单片机中，根据存储在DSP中的“扭矩，转速-电动机助力目标电流”表，确定电动机助力的目标电流，输入到电动机。)。若转向盘角度θ和角速度 

乘积小于零，系统将会进入回正控制模式(以转角为零为控制目标，将转角传感器采集的转角作为反馈量，通过PID控制转角恢复到零)。汽车速度V ＞80km/h时，进入阻尼控制模式(使电动机输出为制动状态产生的阻尼效应。)通过以上控制方法输出目标电流。 

(8)电机得到由(7)的算法得到目标电流，与电流传感器采集的电流构成一个负反馈控制器。其中电流环采集三相电流和转子位置信号，经过Clarke和park变换将相互耦合的永磁同步电机三相相电流ia，ib，ic转换为两相旋转坐标系下互相垂直且独立的信号，其中横轴id、纵轴电流信号为iq。经过上述负反馈控制器后，输入经过SVPWM变换得到六路PWM信号控制逆变桥的通断，从而控制电机的转矩，达到转向助力的目的。 

(9)、返回(2)循环实现稳定性判断。 

本发明可以获得如下有益效果：在电动助力转向中引入永磁同步电机作为执行机构，克服了有刷直流电机电刷寿命短和无刷直流机的大转矩脉动的缺陷，用高端的32位DSP芯片设计高精度电动助力转向控制器，提供了更精细化的助力控制，提高的驾驶员驾驶舒适性。本发明在上层控制算法采用稳定性和助力控制双模模式，在下层电机控制方法中采用前轮转角控制和转矩控制的双模方式。该方法的特点是，在车辆稳定行驶的状态下，控制器实施助力转向控制功能。当车辆处于临界稳定，即失稳状态时，控制器进入稳定性控制状态，控制前轮转角，使车辆回到稳定状态。从而实现了兼顾助力和操纵稳定性的功能。 

附图说明：

附图1是本发明永磁同步电机助力转向系统硬件框图 

附图2是本发明控制方法主流程图 

附图3是助力控制算法流程图 

附图4是车辆恢复稳定控制算法 

附图5是本发明电动助力转向DSP控制器原理图 

附图6是本发明永磁同步电机驱动电路原理图 

附图7是本发明光电编码器信号调理电路原理图 

附图8是本发明转矩，转角，车速信号调理电路原理图 

附图9是本发明电流信号调理电路原理图 

附图10是本发明通信接口电路原理图 

四、具体实施方式：

一，本发明中电动助力转向控制系统本发明主要分为如下几个部分(如图1所示)：1、DSP控制器2、驱动逆变器3、车用传感器信号调理电路4、永磁同步电机5、车用转向传感器(包括方向偏扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，横摆角速度传感器，侧向加速度传感器)6、三相电流传感器 及调理电路7、光电编码器及调理电路8故障报警电路9、CAN总线通信电路10、电源管理电路。电源电路将车载12V电源变换得到DSP，各种传感器，信号调理电路，逆变器等所需的电源类型。信号调理电路分别将扭矩，转角，车速，横摆角速度，侧向加速度，电机三相电流信号，光电编码器信号通过滤波，幅值变换等转换到DSP的A/D信号范围，送到DSP处理。驱动逆变电路将DSP输出的PWM信号进行处理来控制永磁同步电机转矩、转速、位置。 

本发明的DSP芯片采用TMS320F2812，其输入端口为：ADCINA0，ADCINA1——其输入信号电流信号i_a，i_b，由于电流三相对称，采集两相电流即可得到第三相电流的值，i_c＝-i_a-i_b。它是电机的电流传感器测量而得到电机电流值相对应的电压大小，将该电压值输入A/D口，变为电流的数字信号；(图8所示)。ADCINA2，ADCINA3，ADCINA4，ADCINA5，ADCINA6——转矩，转角，车速，横摆角速度，侧向加速度传感器输入信号端。它是将扭矩传感器，转角传感器，车速传感器得到的电压值输入该端口，将电压变为数字信号，确定扭矩值，转角值，车速值(如图9所示)。CAP1～CAP6——如图5所示，通过SN65175将复合式的光电编码器的12路差分信号转换为6路信号分别输入的CAP1～CAP6。由此可以测出永磁同步电机转子位置，并可以实时计算转速(如图7)。其输出端口为：PWM1～PWM6——输出6路脉宽调制信号控制逆变器通断，达到依据控制算法控制电机转矩的目的。 

转矩，转角，车速，横摆角速度，侧向加速度传感器通过将其他物理量转换为电压量，这些电压信号通过模拟信号调理电路升压变换和比例变换转换为与DSP接口匹配的电压信号，即0到3V之间的信号，通过DSP的ADCINA2，ADCINA3，ADCINA4，ADCINA5，ADCINA6输入到DSP中。 

DSP得相应的传感器的输入信号后，通过控制方法得到电机的目标转矩值或目标转角值。转子位置传感器通过CAP1～CAP6得到电机的电角度，电流传感器通过ADCINA0，ADCINA1将三相电流值转换为电压值，DSP得到目标转矩值或目标转角值后，采用永磁同步电机矢量控制控制算法，输出六路PWM波，即PWM1～PWM6，通过驱动电路，驱动永磁同步电机，实现转向系统转角或扭矩控制。 

本发明的电机驱动芯片采用IR2132，它接受来自DSP的PWM信号，通过功率放大来驱动由六个MOSFET组成的逆变器，控制电机三相电流(如图4所示)。系统设计了电流保护电路，当出现短路等情况，封锁PWM输出，并发出报警信号。 

本发明设计了通信接口电路如(图10所示)，包括CAN总线通信，和串行通信接口。在汽车中可以方便的与其他设备之间通信，发送故障处理信息，接受其他设备指令，给其他设备提供方向盘扭矩，转角，车速等信息。 

一种复合型的电动助力转向方法，在车辆稳定行驶的状态下，控制器实施助力转向控制功能。当车辆处于临界稳定，即失稳状态时，控制器进入稳定性控制状态，控制前轮转角，使车辆回到稳定状态。从而实现了兼顾助力和操纵稳定性的功能。具体的实施方法为： 

(1)主控制算法流程如下(如图2所示)： 

1、初始DSP，时钟，各个端口，外设等。 

2、DSP通过A/D采集，前轮转角，侧向加速度，横摆角速度，车速。建立汽车二自由度理想模型。由侧向加速度计算出质心侧偏角，当质心侧偏角大于±5°，说明汽车处于失稳临界状态。将实际前轮转角和车速输入二自由度汽车模型，实际横摆角速度大于理想二自由度车辆模型的横摆加角速度时，说明车辆会出现失稳状态。 

3、如果车辆失稳，向驾驶员报警，并进入车辆稳定控制程序。 

4、如果车辆处于稳定状态，进入助力控制程序。 

5、控制完毕，返回采集传感器数据，循环实现稳定性判断。 

(2)稳定控制算法流程(如图3所示) 

1、将实际前轮转角和车速输入汽车二自由度模型，以侧向加速度，横摆角速度值为反馈控制指标，将实际测量的侧向加速度，横摆角速度值与汽车二自由度模型输出值比较，实现一个闭环反馈，得到附加前轮转角，通过调整前轮转角使车辆回到稳定状态。 

2、电机转角控制模块。采用三闭环控制方法，电机转角控制器得到目标转角信号与实际转角信号比较后通过控制算法得到电机目标转速；同理转角控制器得到目标转速信号与实际转速信号比较后通过控制算法得到电机目标电流；电流控制器得到目标电流信号与实际电流信号比较后通过矢量控制算法输出PWM到驱动电路，永磁同步电机通过减速器，转向器机构使车轮转到目标位置。 

(3)助力控制算法流程(如图4所示) 

1、DSP分别采集扭矩，转角，车速对汽车不同的行驶工况和上一时刻的运动状态进行判断，然后选择控制模式。若转向盘转矩T_d的绝对值大于To，判断向盘角度和角速度的乘积是否大于零，也就是两者的转动方向相同时，系统将会选择助力控制模式，进行助力控制。若转向盘角度和角速度乘积小于零，也就是两者的转动方向不同时，系统将会选择回正控制模式，进行回正控制，施加回正力矩使转向盘回到初始的中心位置。汽车高速行驶(V＞V_O)时，汽车轮胎与地面产生的摩擦力矩将会小于施加的回正力矩，容易导致转向盘回正角度过大，这时选择阻尼控制模式，利用助力电机转子反向转动时产生的阻尼效应。通过转矩环控制得到电机的目标电流。对电流，力矩的控制。 

2、电机得到目标电流，电流环采用矢量控制方法。电流环采集三相电流和转子位置信号，经过Clarke和park变换将相互耦合的三相电流i_a，i_b，i_c两相旋转坐标系下互相垂直且独立的信号i_d、i_q。经过电流控制器后，经过park逆变换得到V_α，V_β.经过SVPWM变换得到六路PWM信号控制逆变桥的通断，从而控制电机的转矩，达到转向助力的目的。 

Claims (2)

1.DSP的交流电机电动助力转向控制器，包括DSP控制器，永磁同步电机及驱动电路，驱动保护电路，转矩，转角传感器，侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，车速传感器，电流传感器，电机转子位置传感器及信号调理电路，通信接口电路；其特征在于：系统采用32位DSP为主控芯片；转矩，转角传感器，侧向加速度传感器，横摆加速度传感器，车速传感器，电流传感器通过7个A/D入DSP；DSP通过6路PWM输出与电机驱动电路连接，电机驱动电路通过三相电压输出端与永磁同步电机相连；DSP的CAN接口与CAN总线驱动器，使控制器接入汽车的CAN总线网络。

2.权利要求1所述的DSP的交流电机电动助力转向控制器的控制方法：

步骤1：初始DSP的时钟，各I/O端口，A/D，串口，CAN控制器，事件管理器；

步骤2：从转角传感器，侧向加速度传感器，横摆角速度传感器，车速传感器采集相应信号输入到DSP；建立汽车二自由度理想数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=\frac{C_f+C_r}{\mathrm{mu}}\mathrm{\β}+[\frac{l_f{C}_f-l_r{C}_r}{{\mathrm{mu}}^2}-1]\mathrm{\γ}-\frac{C_f}{\mathrm{mu}}{\mathrm{\δ}}_f\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{l_f{C}_f-l_r{C}_r}{I_z}\mathrm{\β}+\frac{{l_f}^2{C}_f+{l_r}^2{C}_r}{I_{z}u}\mathrm{\γ}-\frac{l_f{C}_f}{I_z}{\mathrm{\δ}}_f\end{array}\right.$

式中：Y_f为前轮胎所受侧向力；Y_r为后轮胎所受侧向力；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；δ_f为车轮转角；l_f为质心至前轴距离；l_r为质心至后轴距离；m为整车质量；u为车速；Iz为车辆绕Z轴的转动惯量；C_f为前轮胎侧偏刚度；C_r为后轮胎侧偏刚度；其中输入量为车速u和车轮转角δ_f，输出量为横摆角速度和质心侧偏角，其他参数为车辆常量；

步骤3：将实际前轮转角和车速输入输入上述二自由度汽车数学模型，得到理想横摆角速度值为r_ref；实际由横摆角速度传感器得到的横摆角速度大于r_ref时，车辆失稳；

步骤4：若车辆失稳，通过DSP驱动蜂鸣器和红色LED灯向驾驶员报警，进入车辆稳定控制程序步骤5；若车辆处于稳定状态，进入助力控制程序步骤7；

步骤5：稳定控制程序，以步骤2所述的侧向加速度，横摆角速度值为反馈控制指标，将实际测量的侧向加速度，横摆角速度值与汽车二自由度模型输出值比较，实现一个闭环反馈控制，经过PID控制得到附加前轮转角；

步骤6：由步骤步骤5中控制算法得到的附加车轮转角传给电机控制算法模块；电机控制模块采用转角闭环，转速闭环，转角闭环的三闭环控制方法，电机转角控制器得到目标转角信号与实际转角信号比较后通过P控制算法得到电机目标转速；转角控制器得到目标转速信号与实际转速信号比较后通过PI控制算法得到电机目标电流；电流控制器得到目标电流信号与实际反馈电流信号比较后通过矢量控制算法输出PWM到驱动电路，永磁同步电机通过减速器，转向器机构使车轮转到目标位置；

步骤7：助力控制程序；若车辆处于稳定状态，DSP分别采集由扭矩传感器，转角传感器，车速传感器采集扭矩Td，转角θ，车速V对汽车行驶工况和运动状态进行判断，然后选择控制模式；设采集到的转向盘转矩Td，的绝对值大于2N·M，转向盘角度θ和转角角速度

的乘积大于零，系统进入助力控制模式步骤将方向盘转矩传感器检测到的转矩信号和车速传感器检测到的车速信号输入控制器的单片机中，根据存储在DSP中的“扭矩，转速-电动机助力目标电流”表，确定电动机助力的目标电流，输入到电动机；若转向盘角度θ和角速度

乘积小于零，系统将会进入回正控制模式以转角为零为控制目标，将转角传感器采集的转角作为反馈量，通过PID控制转角恢复到零；汽车速度V＞80km/h时，进入阻尼控制模式步骤使电动机输出为制动状态产生的阻尼效应；通过以上控制方法输出目标电流；

步骤8：电机得到由步骤7的算法得到目标电流，与电流传感器采集的电流构成一个负反馈控制器；中电流环采集三相电流和转子位置信号，经过Clarke和park变换将相互耦合的永磁同步电机三相相电流ia，ib，ic转换为两相旋转坐标系下互相垂直且独立的信号，其中横轴id、纵轴电流信号为iq；经过上述负反馈控制器后，输入经过SVPWM变换得到六路PWM信号控制逆变桥的通断，从而控制电机的转矩，达到转向助力的目的；

步骤9：返回步骤2循环实现稳定性判断。

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