CN101156313A - 电动转向系统 - Google Patents

Abstract

电动转向系统检测施加于转向部件(没有显示)的转向扭矩Ts，根据检测的转向扭矩Ts，在dp坐标中确定电机的q轴电流i*q和d轴电流i*d，根据电源电压Ed，确定q轴电压V*q和d轴电压V*d，使得确定的q轴电流i*q和d轴电流i*d流经电机，转换q轴电压V*q和d轴电压V*d为三相电压V*u、V*v和V*w，并应用三相电压V*u、V*v和V*w驱动电机，从而辅助转向。该电动转向系统包括限制器单元，其限制q轴电压V*q等于或小于上述公式。

Description

电动转向系统

技术领域

本发明涉及电动转向系统，该系统检测施加于转向部件的转向扭矩，根据检测的转向扭矩，在dp坐标中确定电机的两相电流，根据电源电压确定两相电压，使得确定的两相电流流经电机，将两相电压转换成三相电压，并应用三相电压以驱动电机，从而辅助转向。

背景技术

通过驱动电机减少用户负荷来辅助转向的通用电动转向系统包括：配合到转向部件(例如，方向盘、手柄)的输入轴，通过例如小齿轮和齿条连接到车轮的输出轴，以及连接输入轴和输出轴的连接轴。扭矩传感器根据联接轴的扭转角检测施加于输入轴的转向扭矩，并且根据检测的转向扭矩值控制连接到输出轴的转向辅助电机的驱动。

近年来，无刷直流电机被用于电动转向系统。在电动转向系统的无刷直流电机内，旋转永久磁铁的磁极位置被控制，这样得到正弦波励磁电流，并且三相正弦波电压被应用于电机(电机以预定速度转动的时候)。为了限制三相电压指令值总是正弦波，设定振幅的最大值等于或小于电源电压Ed的一半是必要的。

此外，如JP-A-2003-304697中所述，为了限制三相电压指令值总是梯形波，设定振幅的最大值等于或小于电源电压Ed是必要的。另外，为了使三次谐波与具有正弦波的三相电压指令值重叠，设定振幅的最大值等于或小于电源电压Ed的是必要的。

在通过使用dq坐标转换由正弦波控制无刷直流电机时，下面是坐标转换方程式1：

$V*u=\sqrt{(2/3)(V*d\cos \mathrm{\θre}-V*q\sin \mathrm{\θre})},$

$V*=\sqrt{(2/3)(V*d\cos (\mathrm{\θre}-(2\mathrm{\π}/3))-V*q\sin (\mathrm{\θre}-(2\mathrm{\π}/3))},$ 和

V^*＝-V^*u-V^*v  (1)

(这里V^*u、V^*v和V^*w是u相、v相和w相电压指令值，V^*d和V^*q是d轴和q轴电压指令值，θre是电角度。)

因此，d轴和q轴电压指令值需要满足下列方程式2：

$\sqrt{(V*d^2+V*q^2)}\≤\mathrm{Ed}\sqrt{3}/2\sqrt{2}---\left(2\right)$

在现有技术中，为了简单处理而把d轴和q轴电压指令值的极限值Vdmax和Vqmax设定为常数。例如，当下列关系成立时：

$\mathrm{Vd}\max =\mathrm{Vq}\max =\mathrm{Ed}\sqrt{3/4}---\left(3\right)$

方程式2总是满足。

JP-A-2003-304697公开了一种电动转向系统，该系统包括一个限制器单元，用于限制转向辅助无刷电机的三相电压指令值在-Ed/2到+Ed/2(Ed：电源电压)范围内。

如上所述，在现有的电动转向系统中，无刷直流电机的d轴和q轴电压指令值的极限值Vdmax和Vqmax被设定为常数，并且如图7所示在dq坐标轴中示出。例如，在现有技术中，当d轴电压指令值为Vdb时，增加q轴电压指令值直到Vqa是可能的。然而，在实践中，q轴电压指令值被限制为等于或小于q轴极限值Vqmax。换句话说，除非d轴和q轴电压指令值具有极限值Vdmax和Vqmax，获得电源电压的最大利用是不可能的。

发明内容

考虑以上提及的问题而做出本发明，并且本发明的目的是提供一种电动转向系统，其能够获得电机电源电压的最大利用。

根据本发明的第一方面，提供一种电动转向系统，其检测施加于转向部件的转向扭矩，根据检测的转向扭矩，在dq坐标中确定电机的q轴电流和d轴电流，根据电源电压Ed，确定q轴电压Vq和d轴电压Vd，使得确定的q轴电流和d轴电流流经电机，转换q轴电压Vq和d轴电压Vd为三相电压，并应用该三相电压驱动电机，从而辅助转向。该电动转向系统包括限制器单元，其限制q轴电压Vq等于或小于 $\sqrt{({3n}^2{\mathrm{Ed}}^2/8-{\mathrm{Vd}}^2)},(n=\mathrm{1,2,2}/\sqrt{3}).$

根据本发明的第二方面，在该电动转向系统中，优选地，满足在dp坐标中表示圆的 $\mathrm{Vq}=\sqrt{({3n}^2{\mathrm{Ed}}^2/8-{\mathrm{Vd}}^2)}$ ，限制器单元为每预定角度存储一对值Vq和Vd，根据Vd值和该对值，借助线性内插法计算Vq值，并且限制q轴电压Vq等于或小于计算的Vq值。

如上所述，根据本发明的第一方面，该电动转向系统检测施加于转向部件的转向扭矩，根据检测的转向扭矩，在dq坐标中确定电机的q轴电流和d轴电流，根据电源电压Ed，确定q轴电压Vq和d轴电压Vd，使得确定的q轴电流和d轴电流流经电机，转换q轴电压Vq和d轴电压Vd为三相电压，并应用该三相电压驱动电机，从而辅助转向。该电动转向系统包括限制器单元，其限制q轴电压Vq等于或小于

(n＝1，2，或)。这样，可以实现能够获得电机电源电压的最大利用的电动转向系统。

在上述结构中，当n＝1时，三相电压指令值被限制为总是具有正弦波。当n＝2时，三相电压指令值被限制为总是具有梯形波。当 $n=2/\sqrt{3}$ 时，三相电压指令值被限制为使得三次谐波与正弦波重叠。

根据本发明的第二方面，在该电动转向系统中，满足在dp坐标中表示圆的 $\mathrm{Vq}=\sqrt{({3n}^2{\mathrm{Ed}}^2/8-{\mathrm{Vd}}^2)}$ ，限制器单元为每预定的角度存储一对值Vq和Vd，根据Vd值和该对值，借助线性内插法计算Vq值，并且限制q轴电压Vq等于或小于计算的Vq值。这样，可以实现能够获得电机电源电压的最大利用的电动转向系统。

附图说明

图1是说明根据本发明的实施例的电动转向系统的结构的示意图。

图2是说明图1示出的电动转向系统的主要部件结构的框图。

图3是说明根据本发明的电动转向系统的操作实例的流程图。

图4是说明根据本发明的电动转向系统的操作实例的图。

图5是说明电动转向系统使用的无刷直流电机的特性曲线实例的图。

图6是说明根据本发明的电动转向系统的另一个操作实例的流程图。

图7是说明常规电动转向系统的操作的图。

具体实施方式

下面参考附图，描述本发明的优选实施例。

图1是示出根据本发明的实施例的电动转向系统的构造的示意图。该电动转向系统包括：例如，方向盘1(转向部件)；无刷直流电机6；转向辅助部件，其通过方向盘1驱动；动力传送装置13，其通过减速齿轮机构7将电机6的转动传送给转向机构12；和ECU(控制器)5，其用于控制电机6的驱动。ECU 5接收从用于检测车辆移动速度的车辆速度传感器4输出的车辆速度信号。

动力传送装置13包括：输出轴8，连接轴9，小齿轮轴10和齿条轴11，其中输出轴8与输入轴2相连，并且输入轴2通过扭杆(没有显示)连接到方向盘1，连接轴9通过万向接头与输出轴8相连，小齿轮轴10通过万向接头与连接轴9相连，齿条轴11具有与装配到小齿轮轴10的小齿轮相啮合的带齿齿条，并通过转向机构12与左右转向控制轮A连接起来。转向轴14由输入轴2和动力传送装置13组成。

扭矩传感器3布置在输入轴2附近，并且根据扭杆的扭转检测由于方向盘1的转动而作用于输入轴2的转向扭矩。ECU 5根据通过扭矩传感器3检测的转向扭矩控制电机6的驱动。

减速齿轮机构7包含与电机6的输出轴相连接的蜗杆和装配到输出轴8的蜗轮，并且通过蜗杆和蜗轮传送电机6的转动给输出轴8。

在具有上述结构的电动转向系统中，通过方向盘1产生的转向力通过输入轴2、扭杆(没有显示)、输出轴8、连接轴9和小齿轮轴10被传送到齿条轴11，并且使齿条轴11沿其轴向移动，从而操作转向机构12。同时，ECU 5根据扭矩传感器3检测的转向扭矩控制电机6的驱动，并且传送电机的驱动力给输出轴8，从而辅助转向力。这样，驱动器的转向力被减小了。

图2是说明图1示出的电动转向系统的结构的框图。在该电动转向系统中，通过扭矩传感器3检测的转向扭矩值Ts被提供给相位补偿单元31，并且转向扭矩值的相位通过相位补偿单元31被补偿。然后，转向扭矩值被传送给ECU 5的扭矩-电流表表(torque-current table)33。通过车辆速度传感器4检测的车辆速度值Vs被提供给扭矩-电流表表33和收敛性校正单元27。

在扭矩-电流表表33中，当转向扭矩值超出预定感测范围时，电机电流的目标值与转向扭矩值的增长成正比增长，并且其中当转向扭矩值大于预先确定的值时目标值饱和的函数根据车辆速度值Vs而改变。这个函数被设置为，随着车辆速度值Vs增大，电机电流的目标值与转向扭矩值之比变小，并且目标值的饱和值变小。通过扭矩-电流表表33设定的电机电流的目标值It被提供给加法单元20和指令电流方向指定单元29。

在使用dp坐标变换的电机控制中，电机电流的目标值It是指示d轴电流目标值的带符号的值，并且该目标值的符号指示转向辅助方向。

指令电流方向指定单元29根据提供的电机电流的目标值It的正或负号产生指示转向辅助方向的方向信号Sdir，并且提供该方向信号给收敛性校正单元27。

电机6是辅助转向的无刷电机，其具有用于检测转子的转动位置的位置传感器25。通过位置传感器25检测的位置信号被发送到ECU 5的转子角度传感器62，然后转换成电角度θre。转换的信号被传送至正弦波ROM表40和转子角速度计算单元42。

正弦波ROM表根据接收的电角度θre检测正弦波数值sinθre，并传送检测的正弦波数值给三相交流/dq坐标转换单元38和dq/三相交流转换单元32。

转子角速度计算单元42根据电角度θre计算转子角速度ωre，并传送计算值给收敛性校正单元27。收敛性校正单元27根据车辆速度值Vs、方向速度Sdir和转子角速度ωre产生补偿电流值ic，以确保车辆收敛性，并传送补偿电流值ic给加法单元20。

加法单元20将补偿电流值ic与电机电流的目标值It相加，并传送相加值给减法单元24，作为q轴电流指令值i^*q。

v相电流检测单元54和u相电流检测单元56检测流经电机6的v相磁线圈和u相磁线圈的电流值iv和iu，并分别传送检测的电流值给三相交流/dq坐标转换单元38。

三相交流/dq坐标转换单元38根据接收的正弦波值sinθre将电流值iv和iu转换成q轴电流值iq和d轴电流值id，并分别传送q轴电流值iq和d轴电流值id给减法单元24和22。

减法单元24计算q轴电流指令值I^*q和q轴电流值iq之间的差值eq，并传送该差值eq给q轴电流PI控制单元28。

减法单元22计算d轴电流值id和d轴电流指令值I^*d之间的差值ed，并传送该差值ed给d轴电流PI控制单元26，该I^*d为零，因为它与扭矩无关。

q轴电流PI控制单元28和d轴电流PI控制单元26分别根据传送的差值eq和ed计算q轴电压Vq和d轴电压Vd，用于PI控制，并传送计算的电压值给限制处理单元30。

限制处理单元(限制器单元)30传送接收的d轴电压Vd给dq/三相交流转换单元32，作为d轴电压指令值V^*d。另外，限制处理单元30产生q轴电压指令值V^*q，用于限制q轴电压Vq等于或小于

(Ed：电源电压)，这样总能获得具有正弦波的三相电压指令值，并传送产生的值给dq/三相交流转换单元32。

dq/三相交流转换单元32根据接收的q轴电压指令值V^*q和d轴电压指令值V^*d，执行dq反向转换(三相转换)，以计算u相电压指令值V^*u和v相电压指令值V^*v，并分别传送计算值给减法单元34和三相PWM调制单元50。

减法单元34计算V^*w＝-V^*u-V^*v，并传送获得的w相电压指令值V^*w给三相PWM调制单元50。

三相PWM调制单元50调制接收的三相电压指令值V^*u、V^*v和V^*w的脉冲宽度为三相PWM信号Su、Sv和Sw，并传送调制信号给电机驱动电路52。

电机驱动电路52根据接收的PWM信号Su、Sv和Sw(脉冲信号)在三相磁线圈(没有显示)与电源和接地端子之间执行切换，以便以PWM驱动方式驱动电机6。然后，电机6输出扭矩Tm。

此外，微型计算机21执行扭矩-电流表33、收敛性校正单元27、加法单元20、指令电流方向指定单元29、转子角速度计算单元42、正弦波ROM表40、三相交流/dq坐标转换单元38、dq/三相交流转换单元32、减法单元24、减法单元22、q轴电流PI控制单元28、d轴电流PI控制单元26、限制处理单元30和减法单元34的功能。

下面，参考在图3中示出的流程图，描述具有上述结构的电动转向系统的电流控制操作。

ECU 5读出通过位置传感器25检测并输出的磁位置信号，并控制转子角度传感器62来计算电角度θre，并根据电角度θre控制正弦波ROM表40输出正弦波值sinθre(S10)。同时，ECU 5控制v相电流检测单元54和u相电流检测单元56来分别检测流经电机6的v相磁线圈和u相磁线圈的电流值iv和iu(S12)。

接下来，ECU 5控制三相交流/dq坐标转换单元38，根据正弦波值sinθre转换电流值iv和iu为q轴电流值iq和d轴电流值id(S14)。

然后，ECU 5控制减法单元24计算q轴电流指令值I^*q和q轴电流值iq之间的差值eq，并控制减法单元22计算d轴电流指令值I^*d和d轴电流值id之间的差值ed，其中I^*d为零(S16)。随后ECU 5控制q轴电流PI控制单元28和d轴电流PI控制单元26，根据差值eq和ed分别计算q轴电压Vq和d轴电压Vd，用于PI控制(518)。

接下来，ECU 5控制限制处理单元30来设定d轴电压Vd为d轴电压指令值V^*d，并产生q轴电压指令值V^*q用于限制q轴电压Vq等于或小于

(Ed：电源电压)，这样总能获得具有正弦波的三相电压指令值(S20)。以这种方式，如图4所示，当d轴电压指令值为Vdc时，可以获得能够使由下列表达式2表示的电源电压得到最大利用的q轴电压指令值Vqc。

$\sqrt{(V*d^2+V*q^2)}\≤\frac{\mathrm{Ed}\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}---\left(2\right)$

然后，ECU 5控制dq/三相交流转换单元32和减法单元34，根据q轴电压指令值V^*q和d轴电压指令值V^*d执行反向dq转换(三相转换)，来计算u相电压指令值V^*u，v相电压指令值V^*v，和w相电压指令值V^*w(S22)。随后，ECU 5控制三相PWM调制单元50来将三相电压指令值V^*u、V^*v和V^*w的脉冲宽度调制成PWM信号Su、Sv和Sw，并控制电机驱动电路52来根据PWM信号Su、Sv和Sw在三相磁线圈与电源和接地端子之间执行切换，输出三相电压(S24)。通过输出的三相电压驱动电机6。

图5是说明无刷直流电机6的特性曲线的实例的图。图5示出了两种情况之间的比较，一种情况是与现有技术一样限制d轴电压指令值V^*d和q轴电压指令值V^*q，另一种情况是与本发明一样限制这些值。在与本发明一样限制这些值的情况中，当电机以相同速度旋转时，流经电机的电流和作用于电机上的电压大于在现有技术中的这些值，这导致输出扭矩的增大和效率的提高。

满足在dq坐标中表示圆的 $\mathrm{Vq}=\sqrt{(3{\mathrm{Ed}}^2/8-{\mathrm{Vd}}^2)}$ ，限制处理单元30每10°存储一对值Vq和Vd，并根据值Vd和存储的这对值借助线性内插法计算值Vq。然后，限制处理单元30限制q轴电压值Vq等于或小于计算的值Vq，这使得能够减小计算负荷。

例如，如图6所示，分别大于和小于值Vd的值Vd1和Vd2的一对坐标(Vq1，Vd1)和(Vq2，Vd2)被用于计算下列方程式：

Vq＝(Vq2-Vq1)(Vd-Vd1)/(Vd2-Vd1)+Vq1

然后，在其上执行线性内插。

在这种情况下，例如，在图6中，当d轴电压指令值V^*d和q轴电压指令值V^*q符合与电角度5°，15°，25°，...，85°中的任何一个相符所存储的几对值(例如，一对值(Vqf，Vdf))时，电源电压的使用效率是100％。甚至当d轴电压指令值V^*d和q轴电压指令值V^*q符合例如与电角度0°，10°，20°，...，90°中的任何一个相符的一对值(Vqd，Vdd)时(此时电源电压的使用效率是最低的)，也能够在理论上从cos5°获得电源电压使用效率的百分之99.6。

在上述第一实施例中，限制最大振幅值，使得三相电压指令值总是具有正弦波(n＝1)。然而，可以限制最大振幅值，使得三相电压指令值总是具有梯形波(n＝2)。作为替换，可以限制最大振幅，使得三次谐波与具有正弦波的三相电压指令值重叠 $(n=2/\sqrt{3}).$

Claims (2)

1.一种通过驱动电机来辅助转向的电动转向系统，该电动转向系统包括：

扭矩传感器，用于检测施加于转向部件的转向扭矩；

电流确定单元，用于根据扭矩传感器检测的转向扭矩在dq坐标中确定电机的q轴电流和d轴电流；

电压确定单元，用于确定q轴电压Vq和d轴电压Vd，使得由电流确定单元确定的q轴电流和d轴电流流经电机；

限制器单元，用于限制q轴电压Vq使其满足下列方程式：

$\mathrm{Vq}\≤\sqrt{\frac{{3n}^2{\mathrm{Ed}}^2}{8}-{\mathrm{Vd}}^2}$ (n＝1，2，或2/

转换器单元，用于将由限制器单元限制的q轴电压Vq和由电压确定单元确定的d轴电压Vd转换为三相电压；和

驱动单元，用于根据所述三相电压驱动电机。

2.根据权利要求1所述的电动转向系统，其中，满足在dq坐标中表示圆的 $\mathrm{Vq}=\sqrt{({3n}^2{\mathrm{Ed}}^2/8-{\mathrm{Vd}}^2)},$ 所述限制器单元为每预定角度存储一对值Vq和Vd，根据值Vd和该对值通过线性内插法计算值Vq，并限制q轴电压Vq等于或小于计算的值Vq。

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