电动助力转向用无刷直流电机直接转矩控制方法研究

陈修波,黎健明,张志林,金 挺,杭 俊

(1.合肥国轩高科动力能源股份有限公司电驱动分院,安徽合肥 230036;2.安徽农业大学 工学院，安徽合肥 230036)

电动助力转向用无刷直流电机直接转矩控制方法研究

陈修波1,黎健明2,张志林1,金 挺1,杭 俊1

(1.合肥国轩高科动力能源股份有限公司电驱动分院,安徽合肥 230036;2.安徽农业大学 工学院，安徽合肥 230036)

结合EPS系统的功能特点，提出1种适用于汽车转向的无刷直流电机(BLDC)系统直接转矩控制(DTC)方法,以提升汽车转向系统的控制性能。从BLDC系统的转矩特性和磁链特性的关系入手，根据电机系统的转矩、磁链跟踪误差及定子磁链所处扇区号，查询预先规划的离线查找表(LUT)，直接输出最优的电压空间矢量。并基于Matlab/Simulink仿真平台进行BLDC调速系统的仿真实验。结果表明，DTC方法可以对电磁转矩脉动进行有效控制，而且能大大提高BLDC的动、稳态驱动性能，提供了1种适用于电动助力转向EPS系统控制的新思路。

电动助力转向；无刷直流电机；直接转矩控制；转矩脉动抑制

汽车转向系统是完成系统行驶路线和运动方向控制的核心装置，该系统的运行性能直接影响整个汽车的稳定性和操作性。为了保证汽车在转向时获得良好的助力及回正等性能，动力转向系统得到了广泛的应用，该系统从最初的液压助力转向(Hydraulic Power Steering)系统发展为电动助力转向(Electric Power Steering，EPS)系统。伴随着新型电力电子器件和永磁材料的发展，采用无刷直流(Brushless DC，BLDC)电机的EPS系统得到了广泛的应用，无刷直流电机兼具传统直流电机良好的转矩特性、快速响应能力以及交流电机结构简单、便于维护等特点[1]，但由于电磁因素及换相电流等原因使得BLDC转矩脉动比永磁同步电机明显。为了减小转矩脉动问题，提高电机调速系统的控制性能，直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)的思想引入BLDC调速系统控制中[2-3]，根据BLDC实际转矩和定子磁链与期望值的误差，查找一个离线设计的最优开关表，从而实现电机调速系统的简单、可靠控制。研究表明，DTC方案对电机参数鲁棒性强、算法控制简单，此外BLDC调速系统的转矩响应快，系统的动态性能极为优异。本文研究了两两导通控制方式下的BLDC调速系统的DTC控制方案，通过分析BLDC系统的转矩特性和磁链特性的关系，结合电动助力转向系统工况特点，给出详细的BLDC电机DTC设计方案，搭建基于Matlab/Simulink的BLDC系统仿真，对DTC方案应用于BLDC调速系统的可行性和优越性进行验证。

1 BLDC数学模型

BLDC由电机本体、位置传感器以及逻辑驱动单元3部分组成[4]，图1中给出了BLDC调速系统的简要概述图。电机反电动势、电磁转矩以及转速都是反映BLDC能够正常工作的基本物理量，这些物理量实际波形都是非正弦的，包含较多的高次谐波，全部考虑这些谐波将会使模型变的很复杂，为简化系统，假设系统为三相对称的理想系统，驱动系统逆变电路的功率管均具有理想的开关特性，忽略电机铁芯饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗。建立三相桥式Y接的BLDC电机状态方程[5-6]为

(1)

式中uA、uB、uC为三相定子相电压；RS为三相定子绕组电阻;eA、eB、eC为三相定子反电势；iA、iB、iC为三相定子电流；L为电机定子自感；M为电机定子间互感。

电机转矩Te与电机角速度ω的关系为

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/ω.

(2)

根据式(2)可知，为了获得1个恒定Te，当电机角速度ω固定不变时，eAiA+eBiB+eCiC必须保持恒定。因此，文献[7]中把定子电流作为控制对象，运用各种控制策略，以产生方波定子电流。

图1 BLDC调速系统概述图

BLDC一般采用两相导通三相六状态运行模式，如图1a)所示，假设电机刚开始运行时导通的两相绕组是Ua、Ub，此时功率开关管S1和S5导通，电流由A相流入，由B相流出。这种状态维持60°电角度后开始换相，S5关断，S6导通，此时导通相为A、C相，电流由A相流入，由C相流出，这种状态维持60°电角度后又开始换相。依次类推，整个过程形成了三相六拍状态，各功率管的导通顺序为：S1S5→S1S6→S2S6→S2S4→S3S4→S3S5→S1S5……，每个状态维持60°电角度，每相绕组导通120°电角度。这里采用一个6位二进制数对空间矢量电压进行表述，每个功率管对应的开关状态采用二进制数值表示，其中：0为低电平表示功率管关断，1为高电平表示功率管导通。根据功率管开关状态的不同可以得出6个非0电压空间矢量，即V1(100001)、V2(001001)、V3(011000)、V4(010010)、V5( 000110)、V6(100100)以及1个0电压矢量V0(000000)，6个非0电压空间矢量将定子三相坐标系分为6个扇区，0电压矢量位于扇区中心，上述各电压矢量的分布具体如图1b)所示。

BLDC采用其内置的霍尔传感器进行位置测量，上述位置霍尔传感器可以得到3 个输出信号HA、HB、HC。系统运行时，根据上述HA、HB、HC输出信号来选择相应的电压空间矢量，实现BLDC的有效控制。无刷直流电机各霍尔信号与空间矢量电压的对应关系如表1所示。

表1 电压空间矢量选择表

2 直接转矩控制(DTC)原理

图2 定子磁链扇区划分图

转矩的大小与定子磁链振幅、转子磁链振幅以及定转子磁链夹角θ成正比。在BLDC实际运行中，转子磁链振幅主要是由永磁体产生，其大小近似恒定。因此，要实现对电机的转矩的控制，只能通过控制定子磁链，进而改变θ实现。在直接转矩控制中，其基本的控制方法就是通过空间矢量电压来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变θ，达到控制电机转矩的目的[8-9]。按照DTC理论，为了实现电机转矩控制的高动态性，需要对转矩进行闭环控制。本文采用转矩两点式调节器来实现，定子磁链扇区划分原则如图2所示。

与传统基于电流的BLDC控制方案不同，DTC直接从BLDC的电磁转矩和定子磁链角度出发，免去了电流间接控制带来的动态响应降低问题，从而有效的提升了系统的动态响应性能以及鲁棒性能。实际DTC系统根据BLDC的转矩误差ΔTe、磁链误差Δ|Ψs|以及定子磁链所处扇区号，查询表2(Look Up Table，LUT)即可直接输出最优电压矢量。在dq旋转坐标系下磁链观测模型为

(3)

式中isd、isq为d、q轴定子电流分量；Ψsd、Ψsq为d、q轴定子磁链分量；Ψrd、Ψrq为d、q轴转子磁链分量。

电磁转矩观测模型为

(4)

式中np为电机极对数。

表2 离线查找表

3 仿真分析

3.1仿真原理概述

为了验证上述无刷直流电机DTC方法的可行性和优越性，搭建了基于Matlab/Simulink的无刷直流电机系统仿真，表3给出了无刷直流电机详细参数，图3为无刷直流电机DTC方案结构框图。由图3可知，整个软件控制部分主要包含：转速外环调节器(PI)、转矩和磁链滞环控制器、系统状态观测器以及矢量查找表等部分。其主要结构与永磁同步电机直接转矩控制方案结构相似，不同之处在于开关表和磁链转矩估计器。[10]

表3 BLDC调速系统硬件框图

图3 BLDC无刷直流电机DTC方案结构框图

3.2仿真结果与分析

图4为BLDC调速系统DTC方法下的稳态运行结果。由图4b)可知，BLDC的稳态定子磁链在垂直坐标内呈现为一个带6尖角的不规则圆形轨迹，然而由于磁链外环的存在，定子磁链的振幅始终被控制在期望值附近，其磁链误差也被控制在了一定的滞环环宽以内。此外，BLDC的定子电流分布规律， 电机稳态转矩脉动较小。图5为BLDC调速系统DTC方法下的动态响应结果，在t=0.1 s时电机负载由空载跳变至加载。可以看出，DTC方法的动态响应特性极为优异，BLDC调速系统仅需几毫秒时间即可完成转矩响应。此外，相应的电机转速跌落也较为有限，且在0.03 s以内即可再次跟踪上给定转速。

图4 调速系统稳态响应波形

图5 BLDC调速系统动态响应波形

4 结语

为了提升汽车转向(EPS)系统的控制性能，本文提出1种适用于汽车转向的BLDC调速系统直接转矩控制方法。根据电机系统的转矩、磁链跟踪误差以及定子磁链所处扇区号，查询预先规划的离线查找表(LUT)，从而直接输出最优的电压空间矢量。Matlab/Simulink仿真结果表明，DTC可以有效地抑制BLDC系统存在的转矩脉动问题，同时其动态响应性能极为优异，为电动助力转向(EPS)系统控制提供了一种新思路。

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ResearchonDirectTorqueControlMethodofBrushlessDCMotorforElectricPowerSteering

CHENXiu-bo1，LIJian-ming2，ZHANGZhi-lin1，JINTing1，HANGJun1

(1.ElectricDriveDepartment,HefeiGuoxuanHigh-TechPowerEnergyCo.，Ltd.,Hefei230036,China;2.SchoolofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China)

According to the functional characteristics of EPS system, this article proposes a brushless DC motor (BLDC) direct torque control (DTC) method which is suitable to the automobile steering to improve the control performance of the automobile steering system. Beginning with the relationship between the torque and flux linkage characteristics of BLDC system, and according to the motor system′s torque, flux tracking error and sector number of the stator, it is to search for the pre-planned offline lookup table (LUT) and directly output the optimal voltage space vector. Finally, the experiment of BLDC control system is simulated based on the Matlab/Simulink simulation platform. The experimental results show that the DTC method can effectively control the electromagnetic torque ripple, and greatly improve the dynamic, steady driving performance of BLDC, and provide a new idea that is suitable for the EPS control of the electric power steering system.

electric power steering; brushless DC motor; direct torque control;torque ripple suppression

郭守真)

2013-11-19

陈修波(1987—)，男，安徽庐江人，合肥国轩高科动力能源股份有限公司工程师，工学硕士，主要研究方向为电动汽车电机控制器设计.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.004

TM33

A

1672-0032(2014)03-0015-05