基于无刷电机的EPS控制器设计

管东方，曲宝军，张 璐，李洪强，刘 聪

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

EPS系统是电动汽车设计装配过程中的关键部件之一，直接通过电动机对驾驶员提供不同工况下的助力，而且噪声、废弃物污染小,目前国内外很多车型已经配备EPS系统[1]。电动助力转向的性能主要由两方面决定：一方面是助力特性曲线[2],良好的助力特性曲线可以给驾驶员带来较好的路感，另一方面是系统的整体控制策略，鲁棒性较好的控制策略可以提高助力电机电流的跟随性，改善转向系统的动态性能[3]。

EPS系统在运行过程中的工况复杂多变，传统的控制策略难以协调不同工况下的运行需求[4]。在汽车行驶过程中驾驶员的转向操控对助力的控制要求相对较高[5]，EPS系统根据行驶状况提供不同的助力会获得较好的控制效果[6]。本文针对 EPS 系统的助力特性，设计了基于无刷电机的控制策略[7]。

1 EPS系统工作原理概述

EPS系统的结构如图1所示，其在原有的机械转向系统上加装了转角、转矩传感器等众多的信号采集装置。驾驶员在对汽车进行操控的同时，EPS系统实时分析计算传感器回传的车速、转矩和转角，控制器根据传感器信号决定助力的方向与大小，用以改善驾驶员在驾驶过程中的路感。电流传感器串联在直流无刷电机的电枢回路中，通过电流传感器回传的电流值，控制芯片完成电流的闭环控制。

图1 EPS系统结构简图Fig.1 EPS system structure diagram

2 EPS系统控制策略及助力特性设计

2.1 EPS系统整体控制策略

EPS系统是根据原有的机械转向系统增加了电子控制单元，依靠车速、方向盘转矩及转角等各个传感器信号来判断当前汽车所处的工况，通过执行机构来帮助驾驶员较为轻便地实现汽车转向。为实现EPS系统对转矩的控制，必须控制直流无刷电机的母线电流，而对直流无刷电机的控制是根据3个霍尔式传感器返回的位置信号来实现的。调整三相桥式逆变电路PWM的占空比，控制无刷电机电流的大小。

EPS系统的3种基本工况为助力控制模式、阻尼控制模式和回正控制模式，其中阻尼控制模式与回正控制模式都是基于传统助力控制模式进行开发研究的，本文主要研究助力控制模式。

2.2 助力控制策略

在不同车速下助力电机提供不同的转向助力，一般车速越快，助力电机提供的转向助力越小。由于传统的PID控制在时变、非线性等方面存在很多不足，本文通过对无刷电机的电流进行闭环控制，间接实现对助力转矩的控制。微处理器根据目标电流与实际电流的差值进行调节，将结果以PWM占空比的形式经过预驱动电路送至三相桥式逆变电路，三相桥式逆变电路对无刷电机的转矩进行控制，实现本文EPS系统对助力工况的控制要求。EPS系统控制策略如图2所示。

图2 EPS助力控制策略Fig.2 EPS power control strategy

2.3 助力特性曲线的选取

助力特性曲线是指转向盘转矩与助力转矩的关系。一般来讲，电动助力转向的助力特性曲线一般可以概括为3种：直线型、折线型和曲线型，如图3所示。

(a)直线型 (b)折线型 (c)曲线型图3 3种助力特性曲线Fig.3 Three kinds of boost characteristics

虽然直线型助力曲线形式比较简单，容易调节，但不容易满足路况比较苛刻的路感要求，而曲线型助力需求的运算量相当大，对单片机造成很大的运算负担，目前曲线助力只停留在仿真阶段。为了便于单片机计算且保持控制策略的灵活性，采用折线型助力曲线。折线型助力特性曲线如图4所示。

图4 折线型助力特性曲线Fig.4 Polyline characteristic chart

2.4 助力特性参数匹配

以折线型助力曲线为例，整定各个助力特性参数，助力特性需要确定以下4个参数：

1)起始助力转向盘输入转矩Td0

为了便于驾驶员控制，当方向盘上的转矩小于某一定值时，助力电机不提供助力转矩，否则会造成转向过于灵敏，一般取Td0=1 N·m。

2)转向盘的最大输入转矩Tdmax

对于转向盘的最大输入转矩，由于驾驶员对转向盘的最大力矩有不同的要求，而国家标准规定转向盘的最大切向力不能大于50 N，为便于驾驶员轻松驾驶，转向盘的最大输入力矩一般需远小于50 N，结合实际经验，最大输入力矩取Tdmax=7 N·m。

3)最大助力电流Imax

由于汽车助力不能无限制大，故存在助力电机所能提供的最大助力电流。当汽车在原地进行转向时所需要的助力力矩最大。其中汽车原地转向的最大阻力矩Trmax的经验公式为

(1)

式中：f为轮胎与路面的滑动摩擦系数，一般取0.7，接近实际生活中的路面摩擦系数；G为前轴负荷；P为轮胎气压，由于本文设计的管柱式电动助力转向系统适用于中小型汽车，一般轿车重量在1 000～1500 kg之间，并且前轮负荷一般在车重的55%以上，取前轴负荷为G= 800 kg，轮胎的气压随路况的不同会有浮动，一般在220～250 kPa左右浮动，计算时取230 kPa，由式(1)可得Trmax= 348.3 N·m。

无刷电机的最大输出转矩为

(2)

式中：im为电机减速机构传动比；ηm为减速机构传动效率；ηr为齿轮齿条转向器正向传动效率；gt为转向横拉杆到转向轮主销之间的传动比；gr为齿轮齿条转向器传动比。本文电机im=16，gr=20，取ηm、ηr、gt为1，则计算可得Tmmax= 0.65 N·m。

助力电机的最大助力电流为

Imax=Tmmax/Ki

(3)

式中:Ki代表电机的转矩系数，本文根据实际生产经验取值。

由式(3)计算得Imax=9.5 A,留有一定的余量，本文选取的控制电机Imax=20 A。

4)车速系数

由上述确定的3个参数可以制定出汽车的最大助力曲线，当汽车在原地转向时阻力较大，需要助力电机提供的助力较大， 当车速增大时，若还继续保持原有的助力关系，会出现方向盘“发飘”的情况，故需要适当减小助力。目前仍然没有确定车速系数的具体方法，且对于已经调试好的车速系数来说，不同的车型和对于不同路感要求的车来说并不一定适用。本文试验从0 km/h开始，以20 km/h为间隔选取5个特性车速进行实验，其他车速下的车速系数根据相邻特征车速进行线性插补或拟合获得。

3 控制器的设计

本文选取微处理器TMS320F2811开发直流无刷电机EPS系统。以TMS320F2811为最小系统，设计了电源电路、三相桥式逆变无刷电机驱动电路、信号调理电路、点火开关和霍尔信号采集电路等，同时在电路安全设计方面加入电机过流、过压保护以及报警功能。

3.1 逆变桥电路设计

无刷电机采用电子换向，具有与直流有刷电机一样优良的调速性能，本文采用了比较容易实现且具有较高控制精度的转矩直接控制，采用PWM脉宽调制技术，通过对EPS系统的控制策略确定占空比来控制无刷电机输出的转矩，本文从无刷电机的三相桥式逆变电路和控制策略方面进行优化。

一般采用霍尔传感器实时检测无刷电机的位置，其优势在于减小转矩波动，改善助力特性。考虑到无刷电机的控制器一般采用三相逆变桥驱动，本文设计的带母线电流传感器的全桥逆变电路如图5所示。

图5 带母线电流传感器的全桥逆变电路Fig.5 Full bridge inverter circuit with bus current sensor

图5中，Q1—Q6为功率MOS管IRF80N04,R1—R6为栅极驱动电阻，R7—R10为栅极下拉电阻，R13为精密采样电阻，s1—s6为经过功率放大后的PWM信号，U1为母线电流信号放大元件，控制器根据母线电流信号进行转矩的闭环控制。

其中驱动控制芯片A3935具有优良的故障自诊断功能：当出现电源短路、三相桥式逆变开路、电源过压或欠压等状况及时反馈给控制系统，处理器根据驱动芯片回传的故障代码及时判定故障类型，发出相应的报警，并及时切断PWM模块信号，阻止问题的进一步发生。

3.2 控制器控制流程设计

控制系统的软件由中断服务函数与主程序构成。主程序完成的工作有各个I/O寄存器的配置、相关寄存器的初始化、脉冲驱动信号的计算与输出、各个I/O状态监控和信号高速采集等功能；其中中断服务子函数包括ADC采集、主副转矩占空比采集、hall信号输入捕获与脉冲信号的采集。

结合上述分析，针对EPS系统的特点，结合数字式PID控制器，对EPS整体的控制流程分析如图6所示。

图6 主程序控制流程Fig.6 Main program control flow

4 实验

本文设计的控制器在车辆EPS系统试验台架上进行。EPS实验台架主要包括台架、助力电机控制系统、磁粉制动器以及信号采样分析系统4个部分。磁粉制动器方便模拟不同路况下的路面状况，如图7所示。

图7 电动助力转向系统试验台架Fig.7 Test bench of electric power assisted steering system

本文控制器以TMS320F2811最小系统为核心，设计了信号的采样调理电路，主要采集的信号有转矩、车速、电机母线电流、霍尔传感器的位置信号以及其他的开关信号；选用的汽车级芯片A3935具有过压、过流保护功能，以及故障自诊断功能。

为验证控制策略的有效性，将控制器在电动助力转向的试验台上进行了输入/输出转矩试验和输入转角/输入转矩试验，输入/输出特性曲线如图8所示，记录了在试验台架上0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h 5个车速下输入转矩与输出转矩的关系。由图8可知，各个速度下的输入、输出特性曲线对称性良好，且车速信号越大，助力电机输出的助力转矩降低，满足实验要求。

图8 输入/输出特性曲线Fig.8 Input/output characteristic curves

图9为 60 km/h车速下转向盘转矩曲线图。由图9可知，有电机助力的汽车转向轻便性相比较于无助力的有较大提高；当转向盘转矩的绝对值小于一定值时电机不提供助力，随着转向盘转矩超过临界值，电机的助力转矩也随之增加；且助力电机助力转矩对称性在90%以上，符合电动助力转向系统控制要求。

图9 60 km/h车速下转向盘转矩图Fig.9 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

在车速等于60 km/h时向方向盘施加转向力矩，从而分析助力电机电流的动态特性如图10所示。

图10 60 km/h车速下电机母线电流变化Fig.10 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

由图10可知，有电机助力与无电机助力情况下的母线电流变化，电机助力能够明显降低稳态误差，相应提高响应时间，动态特性较好。

5 结束语

本文研究了电动助力转向系统的助力特性，设计了系统整体控制策略，并基于汽车级芯片A3935设计了直流无刷电机的三相全桥驱动电路，开发了基于DSP数字信号微处理器TMS320F2811的电动助力微控制器。在EPS 系统的软硬件系统设计、开发实验的过程中，出现了控制单元过热等现象。可以采用改变软件算法来控制响应精度、控制单元与最小系统分离等方法进一步提高系统的稳定性，对未来的EPS系统开发有指导意义。