CN102009688A - 一种无刷直流电机助力式电动助力转向控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种汽车无刷直流电机助力式电动助力转向控制器及控制方法，微处理器后端串接MC33034P120驱动集成芯片，驱动集成芯片的输出连接功率桥；功率桥的输出分别连接无刷直流电机和电流反馈及保护模块；电流反馈及保护模块连接反馈电流信号处理模块，反馈电流信号处理模块的输出串接于微处理器和驱动集成芯片之间形成闭环控制回路；微处理器根据转向盘转矩、转角信号和车速信号判别出汽车行驶工况，控制驱动集成芯片驱动无刷直流电机实现汽车助力控制、回正控制和阻尼控制；本发明采用驱动集成芯片实现无刷直流电机的换相，减轻微处理器负担，增强了控制实时性；避免电机停步或失步，提高了电机驱动的安全性。
Description
一种无刷直流电机助力式电动助力转向控制器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于汽车电动助力转向系统领域，具体涉及一种无刷电机助力式电动助 力转向控制器。
背景技术
[0002] 与传统的汽车液压转向系统相比，电动助力转向系统可以很好地解决转向轻便 性和路感之间的矛盾，因此电动助力转向系统已成为汽车转向系统发展的必然趋势。
[0003] 有刷直流电机和无刷直流电机已成熟应用在电动助力转向系统中，但有刷直流 电机中的碳刷和整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，影响了电机及电动助力转向系 统的可靠性和稳定性。无刷直流直流电机具有体积小、功率密度大、低速转矩大、调速 范围宽、动态响应好等优点，但目前在无刷直流电机助力式电动助力转向系统中，无刷 直流电机的换相逻辑是由微处理器控制的，这样使得控制程序更加复杂，而且增加了微 处理器的负担，削弱了控制器的实时性；如果出现控制程序“乱跑”的现象，那么无刷 直流电机就会失去换相逻辑控制，出现停步或失步的情况，导致汽车危险的发生。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为克服现有电动助力转向控制器控制无刷直流电机工作的不足 而提出一种能提高控制实时性和满足安全性的新型无刷直流电机助力式电动助力转向控 制器及控制方法，控制器在不同工况下发出指令控制集成芯片驱动无刷直流电机输出相 应的转矩。
本发明控制器采用的技术方案是：包括一个ARM7LPC2131微处理器，微处理器前 端串接信号采集及处理模块、后端串接MC33034P120驱动集成芯片，驱动集成芯片的 输入连接无刷直流电机转子位置传感器的输出、输出连接功率桥；功率桥的输出分别连 接无刷直流电机和电流反馈及保护模块；驱动集成芯片和功率桥的上半桥之间串接升压 泵；电流反馈及保护模块连接反馈电流信号处理模块，反馈电流信号处理模块的输出串 接于微处理器和驱动集成芯片之间形成闭环控制回路。
[0005] 本发明控制方法是具有如下步骤：1)微处理器上电后根据转向盘转矩信号、转 角信号和车速信号判别出汽车行驶工况；2)当需无刷直流电机提供转向助力时，微处理 器的通用输入输出端口 P0.1和P0.3分别为低电平和高电平，P0.2根据转矩的方向输出高 电平或低电平，脉宽调制端口 PWMl输出随转向盘转矩变化占空比的脉宽调制波；3) 当转向盘低速回正时，微处理器输出较小占空比的脉宽调制波，通用输入输出端口 P0.2 为低电平控制驱动集成芯片使无刷直流电机反向运转；4)高速回正时加入阻尼控制，脉 宽调制端口 PWMl输出随车速变化占空比变化的脉宽调制波，通用输入输出端口 P0.1输 出高电平使功率桥的上桥臂断开、下桥臂闭合，无刷直流电机三相绕组短接产生阻尼。
[0006] 本发明的有益效果是：采用驱动集成芯片MC33034P120实现无刷直流电机的换 相，减轻了微处理器的负担，使微处理器有更多的时间运算其他程序，因此增强了控制的实时性；而且避免了控制器程序“乱跑”而造成无刷电机停步或失步的情况，提高了 电机驱动的安全性。微处理器能根据输入信号判别车辆行驶工况，发出指令给驱动集成 芯片，完成无刷直流电机调速、调转矩、正反转以及制动产生阻尼等控制，实现汽车助 力控制、回正控制、阻尼控制。此控制器实时性和可靠性高，同时降低了系统开发的周 期和复杂性，适应汽车产品安全、节能、环保的要求。
附图说明
[0007] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 图1是本发明控制器的结构示意图；
图2是本发明控制方法流程图；
图1中：1.信号采集及处理模块；2.微处理器；3.驱动集成芯片；4.功率桥；5.无 刷直流电机；6.继电器；7.升压泵；8.反馈电流信号处理模块；9.电流反馈及保护模 块；10.无刷直流电机转子位置传感器；
图2中：θ s为转向盘转角；Th为转向盘操纵力矩；Ttl为开始提供助力时转向盘操 纵力矩；ν为车速，vQ=40km/h。
具体实施方式
[0008] 参见图1，本发明无刷直流电机助力式电动助力转向控制器包括一个 ARM7LPC2131微处理器2，在微处理器2前端串接信号采集及处理模块1，微处理器2的 后端串接MC33034P120驱动集成芯片3。驱动集成芯片3是专用于有位置传感器的无刷 直流电机的集成电路模块，具有防上下功率管直通和超前导通的功能，包括转子位置译 码器、误差放大器、脉宽调制比较器、过流欠压保护电路和上、下桥臂驱动器等。驱动 集成芯片3的输入连接无刷直流电机转子位置传感器10的输出。驱动集成芯片3的输出 连接功率桥4，作为功率桥4的驱动模块。功率桥4的输出分别连接无刷直流电机5和电 流反馈及保护模块9。在驱动集成芯片3和功率桥4的上半桥之间串接升压泵7，以提升 上半桥的栅极电压。功率桥4的供电电源是12V，在功率桥4和功率桥供电电源之间连 接继电器6，当微处理器2检测到故障时可通过继电器6切断功率桥4的电源供应。
[0009] 功率桥4通过电流反馈及保护模块9连接反馈电流信号处理模块8，反馈电流信 号处理模块8的输出串接在微处理器2和驱动集成芯片3之间，形成本发明控制器内部的 闭环控制回路。
[0010] 汽车的转矩传感器的转矩信号、发动机转速信号、车速传感器的车速信号、转 角信号分别输至信号采集及处理模块1，信号采集及处理模块1将采集的上述各信号经过 滤波、整形、电平转换等处理后分别送到微处理器2的模数转换端口 AD0.4、捕获端口 CAP0.1和CAP0.2、通用输入输出端口 P0.5。微处理器2的脉宽调制端口 PWM1、通用 输入输出端口 P0.1〜P0.4、模数转换端口 AD0.5分别连接驱动集成芯片3的转速转矩调节 端口 PWM、制动端口 Break、电机正反转控制端口 Fwd/Rev、使能端口 OE、故障输出端 口 Fi®、过流保护端口 ISEN。微处理器2的脉宽调制端口 PWMl、通用输入输出端口 P0.1〜P0.3输出信号给驱动集成芯片3，通用输入输出端口 P0.4接收来自驱动集成芯片3 的故障输出端口 Fi®的信号。[0011] 微处理器2的脉宽调制端口 PWMl输出一定占空比的脉宽调制波控制电机的速 度和力矩，通用输入输出端口 P0.1为高电平时电机制动、P0.2为高电平时电机正转、 P0.3为高电平时电机使能运行，反之则停止。系统故障时驱动集成芯片3停止工作，故 障输出端口 Fi®输出低电平告知微处理器2发生故障。
[0012] 反馈电流信号处理模块8的输出串接在微处理器2的模数转换端口 AD0.5和驱动 集成芯片3的过流保护端口 ISEN之间，模数转换端口 AD0.5和过流保护端口 ISEN都接 收来自反馈电流信号处理模块8的电流信号。模数转换端口 AD0.5采集电流信号是构成 闭环控制。过流保护端口 ISEN接收电流信号是为了在过流时及时切断驱动集成芯片3给 功率桥4的驱动信号，从而保护功率桥4和无刷直流电机5。反馈电流信号处理模块8是 RC滤波网络，作用是滤除功率桥4换相时产生的高频脉冲防止过流保护误判。电流反馈 及保护模块9是阻值在20毫欧左右的大功率电阻，通过检测电阻上的电压就可以得到反 馈电流。驱动集成芯片3的SA、SB、SC端口是接收无刷电机转子信号端口，分别接收 来自无刷直流电机转子位置传感器10的Hall A、HallB, Hall C信号，控制无刷直流电机 换相。驱动集成芯片3的驱动功率桥上半桥输出端口 BT、AT、CT连接升压泵7，经升 压泵7后输出功率桥上半桥驱动信号至功率桥4，驱动功率桥下半桥输出端口 AB、BB、 CB直接输出功率桥下半桥驱动信号至功率桥4。功率桥4由三组半桥构成，功率管是性 能优良的N沟道MOSFET，由于N沟道MOSFET要完全打开需要在栅源间施加8-10V电 压，所以在上半桥驱动信号和上半桥之间增加升压泵7，以提升上半桥的栅极电压。
[0013] 本发明控制器在工作时，由微处理器2根据转向盘转矩、转角信号和车速信号 判别出车辆行驶工况，通过其脉宽调制端口 PWM1、通用输入输出端口 P0.1〜0.3输出相 应信号控制驱动集成芯片3，控制无刷直流电机5的方向和扭矩以驱动无刷直流电机5， 当需要无刷直流电机5提供转向助力时，微处理器2的端口 P0.1和P0.3分别为低电平和高 电平，P0.2根据转矩的方向输出高电平或低电平，PWMl输出随方向盘转矩变化占空比 变化的脉宽调制波；当转向盘低速回正时，微处理器2输出较小占空比的脉宽调制波， P0.2为低电平控制驱动集成芯片3使无刷直流电机5反向运转，帮助汽车回正。高速回 正时，要加入阻尼控制；当需要无刷直流电机5施加转向阻尼时，端口 PWMl输出随车 速变化占空比变化的脉宽调制波，端口 P0.1输出高电平使功率桥4的上桥臂断开、下桥 臂闭合，从而电机三相绕组短接产生阻尼，从而实现转向助力控制、回正控制和阻尼控 制。
[0014] 参见图2，微处理器2上电后对各端口寄存器进行初始化，接收到转矩、转角中 断信号后对转矩和转角信号进行处理，结果存入指定寄存器。接收到车速中断信号后对 车速信号进行处理，结果也存入指定寄存器。微处理器2每隔一定时间读取转矩、转角 和车速寄存器的值，根据这三个信号判别汽车行驶工况。
[0015] 转向盘转角θ s的情况判别，当、~>(3时，微处理器2判别为转向助力状态，
根据转矩信号、车速信号和助力特性运用常规的算法运算出目标电流，与反馈电流的PID 运算结果调节脉宽调制波的占空比，通过端口 PWMl输出给驱动集成芯片3，调节无刷 直流电机5的电枢电压和输出转矩。微处理器2的端口 P0.1和P0.3分别为低电平和高电 平，端口 P0.2根据转矩的转角的方向输入高电平或低电平。[0016] 当ί^ίΟ且& SI0时，Th为转向盘操纵力矩；Ttl为开始提供助力时转向盘操纵
力矩；微处理器2判别为阻尼状态。阻尼控制室为防止汽车高速直线行驶时路面冲击造 成方向盘的振动以及高速回正时回正超调，这种情况下微处理器2的Ρ0.1端口输出高电 平使功率桥4的上桥臂断开、下桥臂闭合，从而无刷直流电机5三相绕组短接产生阻尼； PWMl端口可根据不同车速输出不同占空比的脉宽调制波以达到保持高速直线行驶和高 速回正所需要的阻尼。
[0017] 当且时，ν为车速，V(1=40km/h;微处理器2判别为低速
回正状态。由于定位角的存在，汽车自身具有回正能力，但是低速时，回正力矩偏小不 能使汽车回正，需要施加主动回正才能使转向轮回到中位。此时驱动集成芯片3正常工 作，但输出极小占空比的脉宽调制波，并且无刷直流电机5向使车轮回正的方向旋转。
[0018] 当且ν>ν[)时，微处理器2判别为高速回正状态，由于汽车高速 时，回正力矩过大会使汽车回正超调，这时需要加入阻尼控制。
[0019] 在上述三种控制状态下，都需将微处理器2运算出的目标电流和反馈电流进行 PID运算，使无刷直流电机5实际电流能及时的跟踪目标电流，达到控制精准的目标。
Claims (5)
1. 一种无刷直流电机助力式电动助力转向控制器，包括一个ARM7LPC2131微处理 器（2)，其特征是：微处理器（2)前端串接信号采集及处理模块（1)、后端串接 MC33034P120驱动集成芯片（3)，驱动集成芯片（3)的输入连接无刷直流电机转子位 置传感器（10)的输出、输出连接功率桥（4)；功率桥（4)的输出分别连接无刷直流 电机（5)和电流反馈及保护模块（9)；驱动集成芯片（3)和功率桥（4)的上半桥 之间串接升压泵（7)；电流反馈及保护模块（9)连接反馈电流信号处理模块（8)， 反馈电流信号处理模块（8)的输出串接于微处理器（2)和驱动集成芯片（3)之间形 成闭环控制回路。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征是：微处理器（2)的脉宽调制端口 PWMU通用输入输出端口 P0.1〜P0.4、模数转换端口 AD0.5分别连接驱动集成芯片（3) 的转速转矩调节端口 PWM、制动端口 Break、电机正反转控制端口 Fwd/Rev、使能端口 OE、故障输出端口 Fi®、过流保护端口 ISEN。
3.根据权利要求1所述的控制器，其特征是：驱动集成芯片（3)包括有转子位置译 码器、误差放大器、脉宽调制比较器、过流欠压保护电路和上和下桥臂驱动器。
4. 一种无刷直流电机助力式电动助力转向控制器的控制方法，其特征是具有如下步骤：1)微处理器（2)上电后根据转向盘转矩信号、转角信号和车速信号判别出汽车行 驶工况；2)当需无刷直流电机（5)提供转向助力时，微处理器（2)的通用输入输出端口 P0.1和P0.3分别为低电平和高电平，P0.2根据转矩的方向输出高电平或低电平，脉宽调 制端口 PWMl输出随转向盘转矩变化占空比的脉宽调制波；3)当转向盘低速回正时，微处理器（2)输出较小占空比的脉宽调制波，通用输入 输出端口 P0.2为低电平控制驱动集成芯片（3)使无刷直流电机（5)反向运转；4)高速回正时加入阻尼控制，脉宽调制端口 PWMl输出随车速变化占空比变化的脉 宽调制波，通用输入输出端口 P0.1输出高电平使功率桥（4)的上桥臂断开、下桥臂闭 合，无刷直流电机（5)三相绕组短接产生阻尼。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：步骤1)中微处理器（2)判别汽车行驶工况的方法是：当、〜>0时是转向助力状态，当^仙且时是阻尼状态；当〜〜ί0, &卜气且^玄巧时是低速回正状态；当-|&|>10且”>1；(]时是高速回正状态；θ 8为转向盘转角，Th为转向盘操纵力矩，Ttl为开始提供助力时转向盘操纵力矩， ν 为车速，v0=40km/h。
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