CN101927785A - 具有pmsm电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统。该系统由转向装置、扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电机以及减速机构组成。PMSM的控制由控制单元、逆变器、电流传感器和电机转速传感器共同完成。与一般的电动助力转向系统相比，本发明的主要特点是控制单元中增添了电流检测零点标定模块。该模块可以在系统运行过程中利用传感器输出的电机电流及转速信号自动校正电流传感器误差，消除由检测电阻的零点漂移带来的EPS助力电机电流控制误差，以减小助力电机扭矩输出脉动，提高驾驶员操作舒适性。

Description

具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，尤其是一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统是由其助力电机输出扭矩，通过减速机构施加于机械转向系统上，达到为驾驶员提供助力的目的。其中助力电机的输出扭矩大小由电子控制单元(ElectronicControl Unit，简称ECU)根据驾驶员操作及车辆状态进行控制。助力电机的扭矩控制效果直接影响驾驶员的手感，所以对电机的扭矩脉动控制要求非常高。

在大功率的EPS中，助力电机一般选用永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，简称PMSM)。该类电机的扭矩控制需要电机相电流反馈，其相电流通常使用精密电阻进行检测。在使用过程中，由于各种原因会造成ECU的温度发生巨大的变化，导致检测电阻的零点漂移。而这种零点漂移会对电机的控制造成不可避免的控制误差，进而形成电机输出的扭矩脉动。在这种情况下无法通过一般的人工手段对检测电阻的零点漂移进行标定。

发明内容

本发明的目的是为了消除由检测电阻的零点漂移带来的EPS助力电机电流控制误差，以减小助力电机扭矩输出的脉动而提出一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统。

为达到以上目的，本发明的技术方案是：

一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统，该系统由转向装置、扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、助力电机以及减速机构组成，扭矩传感器用以检测转向装置的扭矩信号并将该扭矩信号输送至电子控制单元，车速传感器用以检测车速信号并将该车速信号输送至电子控制单元；所述电子控制单元输送控制信号至逆变器，逆变器与助力电机连接并将电子控制单元的控制指令转化为实际的控制电压，对助力电机输出扭矩进行控制，所述助力电机通过减速机构控制转向装置工作，其特征在于，所述电子控制单元包括电流传感器、助力电机转速传感器、信号采集与处理模块、电流检测零点标定模块和电机控制模块，其中电流传感器和助力电机转速传感器的信号检测端与助力电机信号连接，用以检测助力电机输出的相电流信号和助力电机的转速信号，电流传感器和助力电机转速传感器的信号输出端与信号采集与处理模块的信号采集端经检测的相电流信号和助力电机的转速信号输送至信号采集与处理模块进行处理，信号采集与处理模块的输出端接电机控制模块的输入端，电机控制模块输出端接逆变器，电流检测零点标定模块的信号采集端接信号采集与处理模块的输出端，电流检测零点标定模块的输出端接信号采集与处理模块的标定端，以在系统运行过程中自动对电流传感器、助力电机转速传感器的零点漂移进行标定，消除由检测电阻的零点漂移带来的助力电机电流控制误差，以减小助力电机扭矩输出的脉动。

所述电流检测零点标定模块包括智能缓存器、离散傅立叶变换器和检测零点调节器，其中智能缓存器的输入端输入电流测量值并能依据人为设定的缓存规则对采集到的电流信号进行缓存；智能缓存器的输出端接离散傅立叶变换器的输入端，以将缓存的电流信号输入至离散傅立叶变换器，离散傅立叶变换器将从缓存的内容中提取出有用的电流波动信息并输送至检测零点调节器，检测零点调节器在该信息的帮助下根据一定的调节策略输出检测零点调节值进行检测零点的调节。

智能缓存器的缓存规则需要保证采集的数据是在转速相对稳定并在一定范围内获得的并且缓存规则要对当前的电机转速以及转速变化量作出检查，确保满足条件。该智能缓存器可以自动筛选输入的电流信号，只保存在电机转速符合转速条件的情况下的数据。

所述的转速条件为电机转速ω_e大小位于固定的转速区间内，转速变化量不得大于转速变化限定值ε。

所述机转速ω_e大小位于固定的转速区间内由以下公式表示：

ω_{e_min}≤ω_e≤ω_{e_max}

其中ω_{e_max}、ω_{e_min}为指定的转速区间的上下限，根据电机控制系统的频率特性来选择。

所述转速变化量不得大于转速变化限定值ε由以下公式表示：

|ω_e(k)-ω_e(k-1)|≤ε

其中，ω_e(k)表示前一次转速测量值，ω_e(k-1)表示后一次转速测量值。

所述离散傅立叶变换器将从缓存的内容中提取出有用的电流波动信息是指在当前电机转速频率下的电流波动分量。

所述的检测零点调节器可以根据电机电流的波动大小变化情况对电流检测零点进行实时的调节。

所述的检测零点调节器在电机电流波动大于1个电流检测分辨率时开始电流检测零点的调节；当电流波动减小时保持电流检测零点的调节方向；在电流波动增大时改变调节方向；当电流波动小于门限值时停止调节。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：在驾驶员使用的过程中可以自动校正电流传感器误差，消除零点漂移带来的电机输出转矩脉动，提高驾驶员的操作舒适性。

附图说明

图1是本发明的电子控制单元的示意图。

图2是本发明的电流检测零点标定模块原理图。

图3是电流检测零点标定模块中的智能缓存器工作流程图。

图4是电流检测零点标定模块中的检测零点调节器的调节策略流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例子作进一步的详细描述，但本实施例子并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构以及相似变化，均应列入本发明的保护范围之内。

一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统，该系统由转向装置、扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、助力电机以及减速机构组成，扭矩传感器用以检测转向装置的扭矩信号并将该扭矩信号输送至电子控制单元，车速传感器用以检测车速信号并将该车速信号输送至电子控制单元；所述电子控制单元输送控制信号至逆变器，逆变器与助力电机连接并将电子控制单元的控制指令转化为实际的控制电压，对助力电机输出扭矩进行控制，所述助力电机通过减速机构控制转向装置工作。

如图1所示的PMSM控制系统，即电子控制单元。其中助力电机为永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)。电子控制单元包括电流传感器、助力电机转速传感器、信号采集与处理模块、电流检测零点标定模块和电机控制模块，其中电流传感器和助力电机转速传感器的信号检测端与助力电机信号连接，用以检测助力电机输出的相电流信号和助力电机的转速信号，电流传感器和助力电机转速传感器的信号输出端与信号采集与处理模块的信号采集端经检测的相电流信号和助力电机的转速信号输送至信号采集与处理模块进行处理，信号采集与处理模块的输出端接电机控制模块的输入端，电机控制模块输出端接逆变器，电流检测零点标定模块的信号采集端接信号采集与处理模块的输出端，电流检测零点标定模块的输出端接信号采集与处理模块的标定端，以在系统运行过程中自动对电流传感器、助力电机转速传感器的零点漂移进行标定，消除由检测电阻的零点漂移带来的助力电机电流控制误差，以减小助力电机扭矩输出的脉动。

假设电流传感器因温度变化发生了零点漂移，并造成的相电流检测误差为ΔI_x(x＝a，b，c)。通常PMSM的电流检测采取两相电流检测的形式。即只检测A、B两相电流，C相电流由i_a+i_b+i_c＝0计算获得，则

i_a ^m＝i_a+ΔI

i_b ^m＝i_b+ΔI

i_c ^m＝i_c-2ΔI

其中上标“m”表示测量值。

由于PMSM控制多用矢量控制，所以需要将静止三相(ABC)坐标系下的变量变换到旋转两相(d-q)坐标系下。则电流闭环控制中的反馈量：

${i_d}^m=\frac{2}{3}[{i_a}^m\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)+{i_b}^m\sin ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+{i_c}^m\sin ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]$

${i_q}^m=\frac{2}{3}[{I_a}^m\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)+{i_b}^m\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+{i_c}^m\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]$

可推导出检测单元零点漂移造成的检测误差：

${\mathrm{\Δi}}_d={i_d}^m-i_d=2\mathrm{\Δ}I\sin ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\frac{1}{3}\mathrm{\π})$

${\mathrm{\Δi}}_q={i_q}^m-i_q=2\mathrm{\Δ}I\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\frac{1}{3}\mathrm{\π})$

设指令电流I_ref的闭环增益为K₁，检测误差ΔI_dq的闭环增益为K₂(K₁、K₂均随各自信号的频率不同发生改变)。则I_dq(s)＝K₁(s)I_ref(s)-K₂(s)ΔI_dq(s)。而测量所得的d轴电流：

i_d ^m＝i_d+Δi_d＝i_{d_ref}+(1-K₂)Δi_d

由此可见只要分析出d轴电流在电机转动频率

下的波动大小，即可获得零点漂移相关的信息ΔI的大小，并根据该信息进行检测零点的调节。

图2显示了电流检测零点标定模块的原理。该电流检测零点标定模块包括智能缓存器、离散傅立叶变换器和检测零点调节器，其中智能缓存器的输入端输入d轴电流测量值，智能缓存器依据人为设定的缓存规则对采集到的电流信号进行缓存，智能缓存器的输出端接离散傅立叶变换器的输入端，离散傅立叶变换器将从缓存数组中提取出有用的d轴电流波动信息，检测零点调节器在该信息的帮助下根据一定的调节策略输出检测零点调节值进行检测零点的调节。

图2中的离散傅立叶变换器通过以下的变换公式进行信号的处理：

$X\left[k\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-i\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}x\left[n\right]$

其中k由期望分析的频率(即f_e)决定，N为离散傅立叶变换点数，本实施例子中N＝128。

在图3所示的智能缓存器工作流程图中，对转速ω_e的检查需要保证符合以下条件：

1)电机转速必须在指定范围内，即ω_{e_min}≤ω_e≤ω_{e_max}

2)前后两次的转速变化大小必须小于一个人为指定的限值，即|ω_e(k)-ω_e(k-1)|≤ε

其中ω_{e_max}、ω_{e_min}为指定的转速区间的上下限，根据电机控制系统的频率特性来选择；ε为转速变化的限值，根据转速传感器的性能来选择。ω_e(k)表示前一次转速测量值，ω_e(k-1)表示后一次转速测量值。在本实施例子中ω_{e_max}＝280转/分、ω_{e_min}＝320转/分、ε＝20转/分。

智能缓存器工作流程具体流程如下：在缓存开始后，首先检测转速是否符合条件，如符合条件，则进行数据缓存，如不符合条件，则清空缓存返回至缓存开始。若缓存装满，则输出数据并清空缓存，返回至缓存开始。若缓存没有装满，则锁存上一次输出数据，进行下一次数据缓存。

图4则表示了检测零点调节器的调节策略。检测零点调节器在电机电流波动大于1个电流检测分辨率时开始电流检测零点的调节；在图4中，检测零点调节器首先检测电机电流是否存在期望分析的频率f_e下的波动，若不存在，则不进入下一步，若存在，则检测电机电流波动I_offest是否增大或减小，且增大或减小的幅值是否变化在限定范围内，若在限定的范围内，则返回停止调节，若没有在限定范围内，则看波动幅值是否减小，若减小，则保持电流检测零点的调节方向，返回，若不是减小，电流波动I_offest增大，改变调节方向返回。

Claims (10)

1.一种具有PMSM电流传感器误差自校正功能的电动助力转向系统，该系统由转向装置、扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元、助力电机以及减速机构组成，扭矩传感器用以检测转向装置的扭矩信号并将该扭矩信号输送至电子控制单元，车速传感器用以检测车速信号并将该车速信号输送至电子控制单元；所述电子控制单元输送控制信号至逆变器，逆变器与助力电机连接并将电子控制单元的控制指令转化为实际的控制电压，对助力电机输出扭矩进行控制，所述助力电机通过减速机构控制转向装置工作，其特征在于，所述电子控制单元包括电流传感器、助力电机转速传感器、信号采集与处理模块、电流检测零点标定模块和电机控制模块，其中电流传感器和助力电机转速传感器的信号检测端与助力电机信号连接，用以检测助力电机输出的相电流信号和助力电机的转速信号，电流传感器和助力电机转速传感器的信号输出端与信号采集与处理模块的信号采集端经检测的相电流信号和助力电机的转速信号输送至信号采集与处理模块进行处理，信号采集与处理模块的输出端接电机控制模块的输入端，电机控制模块输出端接逆变器，电流检测零点标定模块的信号采集端接信号采集与处理模块的输出端，电流检测零点标定模块的输出端接信号采集与处理模块的标定端，以在系统运行过程中自动对电流传感器、助力电机转速传感器的零点漂移进行标定，消除由检测电阻的零点漂移带来的助力电机电流控制误差，以减小助力电机扭矩输出的脉动。

2.如权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述电流检测零点标定模块包括智能缓存器、离散傅立叶变换器和检测零点调节器，其中智能缓存器的输入端输入电流测量值并能依据人为设定的缓存规则对采集到的电流信号进行缓存；智能缓存器的输出端接离散傅立叶变换器的输入端，以将缓存的电流信号输入至离散傅立叶变换器，离散傅立叶变换器将从缓存的内容中提取出有用的电流波动信息并输送至检测零点调节器，检测零点调节器在该信息的帮助下根据一定的调节策略输出检测零点调节值进行检测零点的调节。

3.如权利要求2所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述智能缓存器的缓存规则需要保证采集的数据是在转速相对稳定并在一定范围内获得的并且缓存规则要对当前的电机转速以及转速变化量作出检查，确保满足条件。

4.如权利要求3所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述智能缓存器可以自动筛选输入的电流信号，只保存在电机转速符合转速条件的情况下的数据。

5.如权利要求4所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述的转速条件为电机转速ω_e大小位于固定的转速区间内，转速变化量不得大于转速变化限定值ε。

6.如权利要求5所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述电机转速ω_e大小位于固定的转速区间内由以下公式表示：

ω_{e_min≤}ω_e≤ω_{e_max}

其中ω_{e_max}、ω_{e_min}为指定的转速区间的上下限，根据电机控制系统的频率特性来选择。

7.如权利要求5所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述转速变化量不得大于转速变化限定值ε由以下公式表示：

|ω_e(k)-ω_e(k-1)|≤ε

其中，ω_e(k)表示前一次转速测量值，ω_e(k-1)表示后一次转速测量值。

8.如权利要求2所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述离散傅立叶变换器将从缓存的内容中提取出有用的电流波动信息是指在当前电机转速频率下的电流波动分量。

9.如权利要求2所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述的检测零点调节器可以根据电机电流的波动大小变化情况对电流检测零点进行实时的调节。

10.如权利要求9所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述的检测零点调节器在电机电流波动大于1个电流检测分辨率时开始电流检测零点的调节；当电流波动减小时保持电流检测零点的调节方向；在电流波动增大时改变调节方向；当电流波动小于门限值时停止调节。

Images