基于永磁同步电机的电动助力转向系统

徐寅 赵林峰 柯超 王安 庞磊 雍文亮

摘要：在阐述电动助力转向（Electric Power Steering， EPS）系统的基本组成和工作原理的基础上，设计了以STM32F103VET6单片机为核心的永磁同步电机电动助力转向控制器。介绍了其硬件组成及软件结构，并采用矢量控制对永磁同步电机进行了闭环电流控制，且可以通过CAN总线实现EPS与整车的数据传输。对所设计的系统进行了硬件在环试验，试验结果证明了硬件设计的正确性。

关键词：单片机；永磁同步电机；电动助力转向

中图分类号：U463. 4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0006-04

The Permanent Magnet Synchronous Motor of Electric Power Steering System

XU Yin，ZHAO Lin-feng，KE Chao，WANG An，PANG Lei，YONG Wen-liang

（School of Mechainery and Automobile Engineering Hefei University of technology， Hefei 230009， China）

Abstract: This paper sets forth the basic structure and work principle of EPS system， Designed to STM32F103VET6 microcontroller as the core of the permanent magnet synchronous motor electric power steering control. Introduces the hardware and software structure .With the vector control technology， we build the closed loop current control and through the can bus the EPS and vehicle can transmit the data. Finally， the performance of this EPS controller is verified on the hardware-in-loop（HIL） experiment， Experiment results show that the EPS control designed has stable performance and appropriate structure.

Key words: MCU；PMSM；EPS

汽车助力转向系统先后经历了机械助力转向、液压助力转向、电控液压助力转向等阶段。以电动助力转向为代表的转向系统正成为汽车技术的前沿和研究热点。目前EPS助力电机主要分成两大类：一类是传统的有刷直流电机，另一类为无刷直流电机。后者根据其反电动势和供电电流的波形不同又可以分为由方波驱动的无刷直流电机（BLDCM）和由正弦波驱动的永磁同步电机（PMSM）。其中永磁同步电机因相对于无刷直流电机具有体积小、噪声低、重量轻、免维护、高效率、高转矩惯性比和高功率因数的明显优势，很适合作为大中型轿车电动助力转向系统的驱动电机。目前国内电动助力转向技术的研究主要以直流有刷EPS为主，而基于永磁同步电机电动助力转向技术的研究还比较少。由ST公司推出的Cortex-M3内核的ARM处理器因其高性价比在32位微控制器领域得到了广泛的应用，特别是汽车电子领域。因此本文设计了以STM32F103VET6单片机为核心的永磁同步电机电动助力转向系统。实现了对电机的助力控制、回正控制和阻尼控制。

1 EPS工作原理

图1所示为转向轴式电动助力转向系统。主要有机械传动部分、转矩传感器、电动机、蜗轮蜗杆减速机构和电子控制单元（Electronic Control Unit， ECU）等组成。转矩传感器一般安装于转向柱上；蜗轮蜗杆减速机构和电机一般做成一体，安装于转向管柱或转向齿条上；ECU一般安装于转向器的上方。

其基本工作原理为：安装于转向柱上的转矩传感器测得方向盘的转矩信号，然后传递给ECU。ECU根据检测到的转矩、车速和电机电流等信号，判断汽车的转向状态，计算出电动机助力电流的大小，最后通过蜗轮蜗杆减速机构的减速增扭实现转向助力、回正控制或阻尼控制。

2 控制器工作原理

当EPS系统检测到点火信号和发动机运转CAN信号后，首先对整个EPS系统进行自诊断，诊断无误后闭合继电器，此时ECU处于正常工作状态。STM32F103VET6检测到转矩传感器、车速信号后，根据这些输入信号的大小确定助力的大小和方向，并产生相应的电流驱动永磁同步电机。如果系统检测到故障，则ECU切断离合器，点亮仪表盘中的EPS故障指示灯，同时显示故障代码。

3 系统硬件设计

3.1 STM32F103VET6功能特点

STM32F103VET6是由意法半导体（ST）公司推出的基于Cortex-M3内核的一款32位标准处理器。最高工作频率为72 MHz，拥有512 KB的Flash存储空间，64 KB的SRAM，拥有一个CAN通信接口方便与整车进行通信，多达3个的USATR接口方便调试程序和2个SPI接口。同时拥有2个12位精度的μs级的ADC转换器允许双通道采样/保持，3个16位的定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器和编码器接口输入。一个高级PWM定时器可提供：①6路PWM输出；②边沿对齐和中心对齐；③死区产生；④紧急故障停车，可与2路ADC同步及其它定时器同步；⑤可编程的防范机制，用于防止对寄存器的非法写入。以上专门的外围电路与Cortex-M3内核的结合，可使执行矢量控制环软件执行时间最短为20 μs，所以STM32F103VET6非常适合永磁同步电机的控制。

3.2CAN通信模块设计

CAN通信模块主要包括STM32F103VET6（内置CAN控制器）和CAN总线收发器。其中STM32F103VET6负责完成CAN的通信协议，实现报文的打包和拆分、信息的过滤和校验等。CAN收发器选用TLE6250，实现CAN控制器和CAN总线的物理连接。如图2所示。CAN通信模块主要完成EPS系统与整车的通信和信息的共享。包括车速、发动机运转等信号的接收和转矩转角信号、EPS状态信号的输出。

3.3 电源模块设计

在一个系统中，电源是可靠性、稳定性的重要组成部分，本EPS系统采用12 V车载蓄电池作为供电电源，选用ALLEGRO公司的汽车多输出稳压器A8450。它具有宽输入电源范围，适用于环境温度较高的场合。可提供一路3.3 V电压的输出为STM32F103VET6供电，两路5 V电压的输出，其中一路为模拟5 V，另一路为数字5 V。另外可使用两个输入引脚启用或者禁用该器件。ENB引脚上的逻辑电路级输入允许启用/禁用STM32F103VET6，ENBAT引脚上接受引擎点火信号，使能A8450为逻辑电路和MCU提供电源，如图3所示。

3.4 电机驱动模块设计

电动机作为EPS的动力源是EPS系统的重要组成部分。本系统选用永磁同步电机作为EPS的助力电机，额定电压为12 V，额定电流为40 A。电路采用6个英飞凌（Infineon）公司生产的SPB80N04S2型MOSFET，连续工作电流为80 A，击穿电压为40 V，漏源通态电阻4 mΩ。满足本EPS系统对MOSFET功率放大管低压大电流的要求。电流采样在满足要求的情况下考虑经济因素，故本系统采用单电阻电流采样。因为STM32F103VET6引脚的驱动电流较小，故不能直接驱动MOSFET，所以需前置驱动器用于驱动MOSFET，美国ALLEGRO公司推出的A3935三相功率MOSFET控制器是特别为功率电机的汽车应用而设计，能为驱动外部MOSFET提供恒定的电源电压，并可对诊断输出进行监视，以在电池短路、电源短路、电桥断开和电池欠/过压的情况下保护驱动器。故采用A3935驱动芯片。

3.5 故障代码显示电路设计

为了能快速排除EPS故障，本系统设计了EPS故障代码显示功能，方便驾驶员和修理人员及时准确的定位故障原因。故障诊断代码一般由专业的故障诊断仪读出。为了节省成本，本系统直接将故障诊断代码发送到1602液晶屏，如图4所示。

4 系统软件设计

4.1 控制软件流程

本EPS系统软件部分主要完成以下几部分功能：继电器的开闭、信号的采集和处理、CAN信号的收发、电机的FOC控制，根据转矩信号依据助力特性确定目标电流、根据助力模式确定电机进行助力控制、回正控制和阻尼控制。主程序主要包括系统的初始化和助力模式的选择，控制电机的转向和电流、EPS的自我诊断；车速信号、转矩转角传感器信号的发送和EPS状态信息的发送主要由CAN中断子程序完成。子程序包括永磁同步电机的FOC控制、助力电流大小的计算。程序流程图如图5所示。

4.2 故障诊断程序

本系统EPS故障诊断主要分成两个部分：一是系统初始化后的自检测，二是实时诊断。系统初始化后的自检测主要包括：转矩转角传感器的检测、车速传感器的检测、CAN收发模块的自检测、电动机故障检测和蓄电池电压检测等。实时诊断主要是对EPS控制程序的检测，由于MCU工作环境往往处于电磁场干扰中，可能会造成程序跑飞，程序无法继续工作以及发生不可预料的结果，所以必须在程序的运行过程中对MCU的运行状态进行实时的监测。故障代码表见表1。

5 试验结果

采用上述的硬件电路和软件设计出EPS控制器，并在EPS硬件在环系统中进行试验，图6为使用LABVIEW所测得的汽车在原地转向有助力和无助力时的驾驶员作用在转向盘上的扭矩值，在EPS工作时驾驶员作用在转向盘上的力矩远小于EPS不工作时驾驶员作用在转向盘上的力矩。试验表明本EPS控制器能取得明显的助力效果。

6 总结

本系统以STM32F103VET6为核心，设计了基于永磁同步电机的EPS系统，经试验证明具有良好的助力特性、回正特性和阻尼特性。自诊断功能能使使用者快速地定位错误原因。芯片所带的CAN接口能方便的和整车进行通信，方便与ABS/ESP进行整车协调控制。

参考文献：

［1］ 姜平，姜虎强，巴文厂. 基于ARM的汽车电动助力转向系统［J］.仪表技术与传感器，2007，10：62-64.

［2］ 刘俊，陈无畏，王其瑞.单片机控制的汽车电动助力转向系统［J］.电子技术，2004，10:7-11.

［3］ 肖生发，冯樱，刘洋.电动助力转向系统助力特性的研究［J］.湖北汽车工业学院学报， 2001，3:34-37.

［4］ 王永虹，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［5］ 黄李琴，季学武，陈奎元.汽车电动助力转向控制系统的初步研究［J］.汽车技术，2003，6:3-6.

［6］ Ji-hoon Kim， Jac-Bok Song. Control logic for an electric power steering system using assist motor［J］.Mechatronics， 2002，12：447-459.

［7］ 时培成，姜武华，陈奎元.基于整车多体模型的电动助力转向虚拟试验［J］.汽车科技，2006，6:42-45.