CN102594231B - 用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块 - Google Patents

Abstract

本发明是用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块，通过构建的硬件电路采集无刷电机换向霍尔传感器三路电平信号和位置霍尔传感器两路正交信号，并通过合理的算法加以解算。其中软件算法包括了无刷电机转子位置区间判断，无刷电机转子绝对基础位置确定，无刷电机转子绝对位置计算，无刷电机转子绝对位置校验四个部分；硬件电路部分包括了使得无刷电机控制芯片、反相器、换向霍尔和位置霍尔传感器工作的电源部分，无刷电机控制器芯片最小电路部分，换向霍尔和位置霍尔传感器信号采集部分三个部分。实现了对无刷电机转子位置信号低成本和高精度的解算，并且相应的软件算法和硬件电路的原理和实现都简单可靠，适用于汽车电动助力转向系统无刷电机控制技术的广泛应用。

Description

用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块

技术领域

本发明属于汽车用无刷电机控制的技术领域，尤其涉及一种用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块。

背景技术

在汽车电动助力转向系统中，无刷电机因其高效率、高功率因数、高转矩惯性比、不需常维护的优点，正成为一个技术发展的趋势。在电动助力转向系统中，对无刷电机需要进行力矩闭环控制，这就要求整个系统中无刷电机转子位置传感器满足以下几点：第一，高的分辨率，使得系统能够达到较高的控制精度，较小的转矩脉动；第二，低廉的成本，使得电动助力转向系统以及整车具有市场竞争力；第三，较高的抗干扰性，使得系统能够适应于车辆中恶劣的工作环境。

在无刷电机控制中，转子位置信号传感器的应用有许多种，例如旋转变压器、光电编码器、换向霍尔传感器等等。旋转变压器，解码精度较高，但需要有单独的专用的解码芯片以及相对应的硬件电路，涉及到正负电源、励磁信号放大、与主控芯片通讯等问题，使得硬件电路复杂，成本昂贵，不利于在车辆上的广泛应用；光电编码器，解码精度很高，然而在车辆上的工作环境比较恶劣，高振动、高温、严寒、潮湿会对光电编码器工作产生影响，使其不能应用于车辆；换向霍尔传感器，成本低廉，原理简单，但分辨率太低，会使得在控制无刷电机时产生转矩脉动，这直接会造成电动助力转向系统给驾驶员以不好的手感。这些已应用的解算模块，均不能同时达到低成本、高精度和适用于复杂恶劣的工作环境的要求，因而限制了无刷电机在电动助力转向系统中更为广泛的应用。

近两年，随着汽车工业的发展，对电动助力转向系统的需求进一步增加，产生了一种新型无刷电机转子位置传感器，包含换向霍尔传感器和位置霍尔传感器，满足了系统的要求。

发明内容

针对上述新型无刷电机转子位置传感器，本发明的目的是提供一种新型无刷电机转子位置信号解算模块，能够对该传感器进行合理有效的解算。

本发明实现的技术方案是：

一种用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号的新型解算模块，其采用了换向霍尔传感器三路信号和位置霍尔传感器两路信号，作为输入信号。模块对该信号采集并解算，得到无刷电机转子的绝对位置。

整个模块，包括解算换向霍尔和位置霍尔传感器信号得到无刷电机转子位置的软件算法和采集换向霍尔和位置霍尔传感器信号的硬件电路两部分。

软件算法部分包括了无刷电机转子初始位置区间的判断，无刷电机转子绝对基础位置的确定，无刷电机转子绝对位置的计算和无刷电机转子绝对位置的校验四个部分。

在解算中，首先通过三路换向霍尔传感器信号的高低电平，判断电机转子初始位置区间，便可以采用两两导通的方式控制无刷电机启动运行；启动运行后通过三路换向霍尔传感器信号的上升下降沿确定无刷电机转子绝对基础位置；由无刷电机转子绝对基础位置和两路位置霍尔传感器信号得到的相对位置，即得到了无刷电机转子的绝对位置；并通过三路换向霍尔传感器信号的上升下降沿得到的电机转子位置对绝对位置进行校验。

硬件电路部分包括了使得无刷电机控制芯片、反相器、换向霍尔和位置霍尔传感器工作的电源部分，无刷电机控制器芯片最小电路部分，换向霍尔和位置霍尔传感器信号采集三个部分。

该模块实现了对无刷电机转子位置信号相对低成本和相对高精度的解算，以及包含了对解算到的位置信号的校验，该方式尤其适用于对无刷电机进行力矩控制，从而应用于汽车电动助力转向系统。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的两路位置霍尔信号和三路换向霍尔信号之间角度关系的示意图。

图2是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的无刷电机转子位置信号解算算法流程图。

图3是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的无刷电机转子位置区间判断的算法流程图。

图4是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的无刷电机转子绝对基础位置确定的算法流程图。

图5是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的无刷电机转子绝对位置计算的算法流程图。

图6是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块的无刷电机转子绝对位置校验的算法流程图。

图7是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块硬件电路部分框架结构示意图。1是无刷电机控制器的电源电路，2是无刷电机控制器的型号为TMS320F2812的主控芯片的最小电路，3是无刷电机控制器的无刷电机传感器信号采集电路。

图8是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块硬件电路部分的型号为TMS320F2812的主控芯片的最小电路原理图。

图9是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块硬件电路部分的供电电源模块的原理图。

图10是本发明所述的用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块硬件电路部分的传感器信号采集模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

图1是本发明两路位置霍尔信号和三路换向霍尔信号之间角度关系的示意图。HALLa、HALLb和HALLc为三路换向霍尔信号，QEP1和QEP2为两路位置霍尔信号。每路换向霍尔信号在360度范围内，有180度为高电平，另180度为低电平，根据三路换向霍尔信号的高低电平、上升下降沿和相互之间的关系可以判断电机转子所在位置区间和电机转子的绝对基础位置。位置霍尔信号传感器，只有在电机运行后才会发出两路正交的电平信号，每路换向霍尔信号在360度范围内共包含12个上升下降沿，两路共包含24个上升下降沿，即每次发生上升沿或下降沿表明电机转子变化了15度。

图2是本发明电机转子位置信号解算算法流程图。首先采集换向霍尔传感器的三路高低电平信号，可以确定无刷电机转子的位置区间，通过两两导通的电机控制方法能够驱动无刷电机启动运行。在无刷电机运行后，采集换向霍尔传感器三路信号的上升和下降沿可以确定无刷电机在三路换向霍尔信号上升下降沿发生时刻的绝对位置，称为转子的绝对基础位置。确定绝对基础位置后，采集两路正交的位置霍尔信号，每次采集到位置霍尔信号的上升或者下降沿都表示电机转子旋转了15度，以此来计算电机转子相对于绝对基础位置的相对变化量，即可以计算出电机在任意时刻的绝对位置，精度为15度。这样的精度，可以保证采用相对复杂和精确的控制技术驱动电机运行，尤其适用于控制无刷电机转矩的应用。电机运行中，继续采集换向霍尔传感器三路信号的上升和下降沿，以此来判断所计算出电机转子任意时刻的绝对位置的正确性并加以校正。

图3是本发明无刷电机转子位置区间判断的算法流程图，该流程图展开并详细说明了图2中确定无刷电机转子位置区间的方法。根据图1，如果将三路换向霍尔信号的高电平设为1，低电平设为0，那么当HALLa＝1，HALLb＝0，HALLc＝1，确定电机转子位置在0度到60度；当HALLa＝1，HALLb＝0，HALLc＝0，确定电机转子位置在60度到120度；当HALLa＝1，HALLb＝1，HALLc＝0，确定电机转子位置在120度到180度；当HALLa＝0，HALLb＝1，HALLc＝0，确定电机转子位置在180度到240度；当HALLa＝0，HALLb＝1，HALLc＝1，确定电机转子位置在240度到300度；当HALLa＝0，HALLb＝0，HALLc＝1，确定电机转子位置在300度到360度。即通过三路换向霍尔信号的高低电平的关系，可以确定无刷电机转子位置所在区间。

图4是本发明无刷电机转子绝对基础位置确定的算法流程图，该流程图展开并详细说明了图2中确定无刷电机转子绝对基础位置的方法。根据图1，当检测到HALLa的上升下降沿，并且HALLb是高电平，确定电机转子绝对基础位置为180度，若HALLb是低电平，确定电机转子绝对基础位置为0度；当检测到HALLb的上升下降沿，并且HALLc是高电平，确定电机转子绝对基础位置为300度，若HALLc是低电平，确定电机转子绝对基础位置为120度；检测到HALLc的上升下降沿，并且HALLa是高电平，确定电机转子绝对基础位置为60度，若HALLa是低电平，确定电机转子绝对基础位置为240度。即通过检测三路换向霍尔信号的上升下降沿，可以确定无刷电机转子绝对基础位置，并初始化NUMBER值为ANGLE_BASE/15。

图5是本发明无刷电机转子绝对位置计算的算法流程图，该流程图展开并详细说明了图2中计算无刷电机转子绝对位置的方法。根据图1，当电机转子按照0度到360度的方向运行时，电机转子为顺时针旋转；当电机转子按照360度到0度的方向运行时，电机转子为逆时针旋转。设定计数变量NUMBER，当电机转子顺时针旋转使得两路位置霍尔信号发生上升或者下降沿的变化，则NUMBER加1；当电机转子逆时针旋转使得两路位置霍尔信号发生上升或者下降沿的变化，则NUMBER减1。具体规则如下：设定两路位置霍尔信号高电平为1，低电平为0。当检测到QEP1的上升或者下降沿，并且QEP1＝1，QEP2＝1，NUMBER减1；QEP1＝1，QEP2＝0，NUMBER加1；QEP1＝0，QEP2＝1，NUMBER加1；QEP1＝0，QEP2＝0，NUMBER减1。当检测到QEP2的上升或者下降沿，并且QEP1＝1，QEP2＝1，NUMBER加1；QEP1＝1，QEP2＝0，NUMBER减1；QEP1＝0，QEP2＝1，NUMBER减1；QEP1＝0，QEP2＝0，NUMBER加1。所以通过检测两路换向霍尔信号的上升下降沿，可以确定无刷电机转子的绝对位置为NUMBER*15，精度为15度。

图6是本发明无刷电机转子绝对位置校验的算法流程图，该流程图展开并详细说明了图2中校验无刷电机转子绝对位置的方法。在计算无刷电机转子绝对位置的同时，并参阅图4不断检测三路换向霍尔信号的上升下降沿来确定换向霍尔信号的上升下降沿发生时刻的无刷电机转子的位置，如果与计算所得无刷电机转子绝对位置相同，则证明计算所得无刷电机转子绝对位置正确；否则用通过三路换向霍尔信号上升下降沿得到的无刷电机转子位置代替计算所得无刷电机转子绝对位置。

图7是本发明硬件电路部分的框架结构示意图。电源芯片LM7805将输入电压12V转换为5V，5V一方面经过接口给无刷电机传感器供电，一方面经过TPS767D318转换为3.3V和1.8V。主控芯片TMS320F2812需要3.3V和1.8V的供电。两个反相器SN74HC14需要3.3V供电。三路换向霍尔传感器信号和两路位置霍尔传感器信号进过接口进入反相器SN74HC14，信号高电平由5V转换为3.3V进入主控芯片TMS320F2812。

图8是本发明硬件电路部分的型号为TMS320F2812的主控芯片的最小电路原理图。TMS320F2812是德州仪器C2000系列的一款176脚的32位DSP，在电机控制领域广泛大量使用了该芯片。涉及TMS320F2812主控芯片的模拟电源3.3V接入、数字电源3.3V接入、数字电源1.8V接入、数字地接入、模拟地接入，以及AD模块的外围电路、外部请求电路、外部中断电路、滤波电路、外部晶振电路。

图9是本发明硬件电路部分的供电电源模块的原理图。其中外部电源的电压为12V，需要经过转换得到数字5V电源为传感器供电，5V继续转换为数字3.3V电源、模拟3.3V电源和数字1.8V电源，为主控芯片供电。12V转5V的电源芯片采用的是意法半导体的LM7805，该芯片输出电压的误差在5％以内，最大输出电流负载1.5A。5V转3.3V和1.8V的电源芯片采用的是德州仪器TPS767D318，该芯片主要应用于DSP的双路电压供电，每路的输出误差在2％以内，每路的最大电流负载为1A，经过该芯片转换得到数字3.3V和数字1.8V电源，数字3.3V电源经过LC滤波得到模拟3.3V电源。该电源模块可以充分保证主控芯片和传感器的正常工作。

图10是本发明硬件电路部分的传感器信号采集模块的原理图，换向霍尔和位置霍尔传感器需要数字5V电源供电，并且共输出5路5V的TTL电平，需要转换为主控芯片可以采集的3.3V的TTL电平。采用两个德州仪器的6路施密特触发反相器SN74HC14，其外围搭接成为双反电路，具有脉冲整形和5V转3.3V的功用。其中INCAP1、INCAP2和INCAP3为换向霍尔传感器输出的信号，CAP1、CAP2和CAP3是经过SN74HC14双反后输入到主控芯片的信号。INQEP1和INQEP2为位置霍尔传感器输出信号，QEP1和QEP2是经过SN74HC14双反后输入到主控芯片的信号。换向霍尔传感器和位置霍尔传感器信号采集接口采用100mil白色防反接头，给传感器供应数字5V电源和接入数字地，采集传感器输出三路换向霍尔信号和两路位置霍尔信号。

Claims (1)

1.一种用于汽车电动助力转向系统的无刷电机转子位置信号解算模块，其特征在于，所述的无刷电机转子位置信号解算模块通过位置信号采集电路采集位置信号，通过无刷电机传感器位置信号解算流程对无刷电机换向霍尔传感器的三路电平信号和位置霍尔传感器的两路正交信号进行采集和解算，得出无刷电机转子的位置，无刷电机传感器位置信号解算流程，包括无刷电机转子初始位置区间的判断，无刷电机转子绝对基础位置的确定，无刷电机转子绝对位置的计算和无刷电机转子绝对位置的校验四个部分；

无刷电机转子初始位置区间的判断，根据换向霍尔传感器的三路信号的高低电平，确定电机转子所处的霍尔区间：0度到60度、60度到120度、120度到180度、180度到240度、240度到300度、300度到360度，通过两两导通的方式驱动无刷电机启动；

无刷电机转子绝对基础位置的确定，当无刷电机启动运行后，根据换向霍尔传感器的三路信号的上升下降沿，确定电机转子位置是位于0度、60度、120度、180度、240度、300度，将第一次检测到的换向霍尔传感器的三路信号中某一路的上升或者下降沿发生时刻的电机转子所处的角度定义为电机转子的绝对基础位置；

无刷电机转子绝对位置的计算，只有在电机运行后，位置霍尔传感器的两路正交信号才会发出，位置霍尔传感器的两路正交信号在电机转子360度范围内共包含24个上升下降沿，即每次发生上升沿或下降沿表明电机转子变化了15度，通过计量上升和下降沿的个数，确定电机转子相对绝对基础位置转过的电角度，当无刷电机启动运行并确定了绝对基础位置后，根据位置霍尔传感器的两路正交信号所确定的相对变化位置，就得到了电机任意时刻的绝对位置，精度为15度；

无刷电机转子绝对位置的校验，当电机正常运行后，得到了电机转子任意时刻的绝对位置，并同时不断检测换向霍尔传感器的三路信号的上升下降沿，确定电机转子在某一时刻是在0度、60度、120度、180度、240度、300度，对解算得到的电机转子绝对位置进行校验，若通过换向霍尔传感器的三路信号的上升下降沿确定的电机转子角度与解算得到的此时刻的电机转子绝对位置相同，则证明解算正确；否则就用换向霍尔传感器的三路信号的上升下降沿确定的电机转子位置角替代解算得到的电机转子绝对位置。