CN103684185B - 一种电动助力转向系统用助力电机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制方法，包括以下步骤：控制器输入端接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号以及母线电压信号；运算后控制器输出三相占空比信号给电机驱动器，电机驱动器输出三相电压信号驱动永磁同步电机工作；永磁同步电机在电机驱动器和负载系统的共同作用下工作；信号采集及处理系统采集电机的两相电流信号和三相电压信号，并进行信号调理后生成控制器可以读取的信号后输入控制器，由控制器输出信号对电机进行控制。实现所述方法的控制系统，包括控制器、电机驱动器、永磁同步电机及负载系统、信号采集及处理系统。本发明省去了机械式的位置传感器；同时有效控制了电机输出转矩波动。

Description

一种电动助力转向系统用助力电机控制方法及系统

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用永磁同步电机控制方法及系统，尤其是永磁同步电机无位置传感器混合控制方法。

背景技术

目前，电动助力转向系统的助力电机选择已经逐渐向永磁同步电机发展。永磁同步电机由于其功率密度高、体积小、转动惯量小、损耗扭矩小、可靠性高等优点，正越来越多地受到广泛应用。传统的永磁同步电机高性能转矩控制中的转子位置信息一般来源于旋转变压器、霍尔编码器等，其存在成本高或是精度低等缺点。

无位置传感器控制技术可分为适用于低速和中高速的两类方法。电机处于低速时利用电机凸极性来检测转子位置，主要为高频信号注入法，此种方法不受电机参数变化的影响，但随着电机转速的增大，信号处理复杂，高速区动态性能下降，估算效果变差。中高速时通过电机的反电动势估计转子位置信息，此类方法结构相对简单，动态性能好，但对电机参数敏感，在低速区由于信噪比降低，很难准确提取转子位置信息。

实现永磁同步电机广泛速度区间无位置传感器控制，需将两类方法结合起来。通常两类方法结合的方式有采用直接切换的方式，但这种方法是点切换，不利于转向系统助力电机转矩波动指标的控制。而为了保证两类算法之间的平滑切换，还有采用加权函数对两种算法的位置信号进行融合的方法，但此种方法需要对两种算法估计的位置信息进行加权，由于估计系统中电机转子位置的估计值均来源于电机转速估计值的积分，并且系数加权式混合控制的算法选择变量是电机转速估计值，因此采用转速估计值加权的方法更加直接简洁。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够不需要机械式电机转子位置传感器，仅利用电机电流和电压信号，就可进行永磁同步电机矢量控制的控制系统和方法。该控制系统及方法可以实现永磁同步电机广泛转速区间内的无位置传感器控制，且电机输出转矩波动满足电动助力转向系统对助力电机转矩波动指标的要求。

为了达到以上目的，本发明的技术方案是：

一种汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制方法，包括以下步骤：控制器输入端接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号以及母线电压信号；运算后控制器输出三相占空比信号给电机驱动器，电机驱动器输出三相电压信号驱动永磁同步电机工作；永磁同步电机在电机驱动器和负载系统的共同作用下工作；信号采集及处理系统采集电机的两相电流信号和三相电压信号，并进行信号调理后生成控制器可以读取的信号后输入控制器，完成电流闭环控制。

进一步：在控制器中同时实现永磁同步电机电流闭环控制，以及无位置传感器永磁同步电机的转子位置估计。

所述转子位置估计功能的实现是仅利用电机端的电流信号和电压信号通过估计算法将电机转子位置估计得到，从而用于电机的矢量控制。

按照电机转速将电机运行工况分为低转速区和高转速区，在低转速区利用基于高频信号注入的方法估算出转子位置信息；在高转速区利用基于反电动势的方法估算出转子位置信息；在低转速区/高转速区向高转速区/低转速区过渡的切换过程中，利用信息融合的方法。

所述信号融合方法是根据切换区间内电机转矩波动不能恶化且尽量平滑的要求，两种估计算法切换时电机转子位置估计误差应在相当水平，分析得到转子位置估计算法切换的转速区间。

在转速切换区间内，采用系数加权的方法，根据制定的系数分配规则，分别对低转速估计算法的电机转速估计值和高转速估计算法的电机转速估计值进行系数加权，得到混合区间内可用的电机转速估计值，进而得到电机转子位置估计值；在估计算法混合区间外，保证分别只有一种估计算法会对估计结果起到影响。

实现上述方法的汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制系统，包括控制器、电机驱动器、永磁同步电机及负载系统、信号采集及处理系统，控制器与信号采集及处理系统连接，接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号以及母线电压信号；控制器与电机驱动器连接，将运算后得到的三相占空比信号输出给电机驱动器；电机驱动器与永磁同步电机连接，将三相电压信号输出给永磁同步电机驱动其工作；负载系统与永磁同步电机连接；信号采集及处理系统与永磁同步电机连接，采集永磁同步电机的两相电流信号和三相电压信号，并进行信号调理后生成控制器可以读取的信号后输入控制器。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用易于获取的电机电流电压信号，来估计电机转子位置，省去了机械式的位置传感器；同时采用了对电机转速估计值进行系数加权融合的方式，来扩展了无位置传感器控制技术在广泛电机转速区间的应用，并且有效控制了电机输出转矩波动，符合电动助力转向系统对助力电机转矩波动指标的要求。

附图说明

图1是电动助力转向系统用永磁同步助力电机控制系统结构框架示意图。

图2是永磁同步电机无位置传感器混合控制原理图。

图3是高频信号注入法下电机控制原理框图。

图4是自定义通用旋转坐标系示意图。

图5是D状态观测器结构原理图。

图6是混合控制区间系数加权算法原理图。

图7是10rad/s至15rad/s时高频注入算法转子位置估计结果图。

图8是10rad/s至15rad/s时D状态观测器转子位置估计结果图。

图9是混合控制算法转子位置估计结果图。

图10是混合控制下电机转矩输出结果图。

图11是混合控制下电机输出转矩频率分布图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明是一种汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制系统及方法，包括控制器、电机驱动器、永磁同步电机及负载系统、信号采集及处理系统。控制器输入端接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号、以及母线电压信号，运算后控制器输出三相占空比给电机驱动器，电机驱动器输出三相电压信号驱动永磁同步电机工作，永磁同步电机在电机驱动器和负载系统的共同作用下工作，信号采集及处理系统采集电机的两相电流信号和三相电压信号，并做适当的信号调理后生成控制器可以读取的信号，然后输入控制器。

如图2所示，控制器算法实现主要包含了两部分内容：一是电机电流闭环控制，主要包含电流PI调节器、矢量控制算法，以及空间矢量脉宽调制算法；另一部分为电机转子位置估计器，分别包括高频信号注入法、D状态观测器法，以及混合区间信息融合算法。

如图3所示，高频信号注入法即给电机一个已知的高频信号激励，由于电机凸极性对高频信号的调制，通过两相电机端电流高频分量的解调，就可以获取电机转子位置信息。脉动高频电压信号注入法是在转子同步旋转dq坐标系下，在d轴上注入高频正弦电压信号，考虑注入的高频信号频率远大于电机运行基波频率和永磁同步电机高频电压模型，可以得到估计的转子dq坐标系下的高频电压与电流关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{sdh}}^r}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L^2-\mathrm{\Δ}{L}^2}[(L+\mathrm{\Δ}L\cos 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r){\hat{u}}_{\mathrm{sdh}}^r+\mathrm{\Δ}L\sin 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r{\hat{u}}_{\mathrm{sqh}}^r]\\ \frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{sqh}}^r}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L^2-\mathrm{\Δ}{L}^2}[\mathrm{\Δ}L\sin 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r{\hat{u}}_{\mathrm{sdh}}^r+(L-\mathrm{\Δ}L\cos 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r){\hat{u}}_{\mathrm{sqh}}^r]\end{array}\right.$

其中，分别为坐标系下d、q轴的电压和电流高频分量；L＝(L_d+L_q)/2为平均电感，ΔL＝(L_d-L_q)/2为半差电感，为轴与实际d轴之间的误差角度。由于注入的高频信号已知，通过推导可以得到高频电流信号的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{sdh}}^r=\frac{V_h\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t}{{\mathrm{\ω}}_h(L^2-\mathrm{\Δ}{L}^2)}(L+\mathrm{\Δ}L\cos 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r)\\ {\hat{i}}_{\mathrm{sqh}}^r=\frac{V_h\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t}{{\mathrm{\ω}}_h(L^2-\mathrm{\Δ}{L}^2)}\left(\mathrm{\Δ}L\sin 2{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_r\right)\end{array}\right.$

进一步分析可以看出，d轴和q轴的高频电流分量的幅值都与转子位置估计误差角有关，但当估计误差角为零时，q轴的高频电流分量等于零，因此可以通过对q轴的高频电流信号进行适当处理，来获取位置估计误差信息。

如图4、图5所示，D状态观测器估计转子位置的方法是在自定义的通用旋转坐标系下完成的，正交的γ-δ坐标系即为以任意角速度ω旋转的通用坐标系，旋转方向定义从γ轴向δ轴方向为正。在通用旋转坐标系下，永磁同步电机的电磁特性方程可以表示为如下所示：

v₁＝R_si₁+[sI+ωJ]Φ₁

${\mathrm{\φ}}_1=[\mathrm{LI}+\mathrm{\ΔLQ}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\right)]i_1+{\mathrm{\Φ}}_f\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]$

$Q\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos 2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}& \sin 2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\\ \sin 2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}& -\cos 2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]$

sθ_γ＝ω_γ-ω

$J=\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right]$

上述式中2x1矢量v₁、i₁和Φ₁为定子电压、电流及磁链；Φ_f为常数；ω_r为转子电角速度；s为微分算子；I为单位矩阵。通过以上方程可以构造如下状态观测器来估计转子磁链位置：

$\left\{\begin{array}{c}D(s,\mathrm{\ω}){\widehat{\mathrm{\φ}}}_1=G[v_1-R_s{i}_1]+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\γ}}[I-G]J{\widehat{\mathrm{\φ}}}_m\\ {\widehat{\mathrm{\φ}}}_m={\widehat{\mathrm{\φ}}}_1-G{\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right.$

式中：Φ_i为由定子电流引起的磁链，为转子磁体引起的磁链估计值；D(s,ω)被称作是2x2“D模块”，G是一个2x2状态观测器的增益，它们定义如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}D(s,\mathrm{\ω})\mathrm{sI}+\mathrm{\ωJ}\\ G=g_{1}I-\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\γ}}\right)g_{2}J;g_1=\mathrm{const},g_2=\mathrm{const}>0\end{array}\right.$

通过D状态观测器可以得到γ轴上的转子磁链，其相位估计值也为γ轴上，所以需要锁相环将γ轴锁定在转子N极上。通过位置误差信息构建一个闭环相位同步控制器，即可将转子速度同步估计出来。

为了实现永磁同步电机可以在广泛的转速区间内进行无位置传感器矢量控制，需要将以上两种方法结合起来使用。考虑到电动助力转向系统对助力电机的转矩波动指标要求较高，在两种估计算法的切换方法的问题上，本发明采用了系数加权的渐变切换方法，即在规定的转速切换区间内，分别对两种估计算法的电机转速估计结果进行系数加权，进而得到电机转子位置的估计结果，如图6所示。对于两种算法切换区间的选择，需要遵循两个基本原则：一是保证在切换区间内，两类算法的估计效果相差不大；二是保证两类算法实现平滑切换，在切换区间内，电机转矩输出性能不会有严重的恶化。

通过在Matlab/Simulink中进行控制系统仿真可以得到如图7、图8的实验结果，可以看出，永磁同步电机转速在5秒内由10rad/s增加到15rad/s，两种算法的转子位置估计误差在±1°电角度，估计误差基本相当，且该转速区间内两种算法位置误差基本保持不变，满足切换区间内两种算法估计效果不会出现突变的要求。因此，选择转速10rad/s至15rad/s为两种算法的切换融合区间。在切换区间内，对两种算法采用系数加权的方法以实现平滑过渡，加权算法如图6所示。此外，为了减小注入的高频信号对电机输出性能的影响，当过渡到中高速后，在15rad/s至20rad/s的区间内匀速将高频注入电压信号的幅值减小直至为零，相当于在中高速下仅有D状态观测器工作。而当电机转速低于20rad/s时，高频电压信号又会重新注入到电机内。

根据上述确定的算法切换区间和切换区间内信息融合的方法，对整个电机控制系统进行计算机仿真实验，可以得到如图9所示的电机转子位置估计结果。从图中可以看出，电机转速指令值从0开始，匀速增加到25rad/s，保持恒速4秒钟后，由25rad/s减到0，并保持零速4秒。由仿真结果可以看出，算法切换第一次发生在5.6秒至6.4秒之间，第二次发生在13.6秒至14.4秒之间。混合控制下，电机转速估计值可以很好地跟踪目标值；高频信号注入法加权系数Kh的变化符合设计的加权函数；电机转子位置估计值也可以很好地跟踪实际值，最大位置估计误差在±2°电角度。估计系统在算法切换区间可以完成平滑过渡。

图10和图11是混合控制下电机转矩输出结果和输出转矩频率成分分析。可以看出，在0s时刻，即使电机转速为零，电机转矩输出也可以很好地跟踪指令值。高频信号注入法工作阶段，1KHz高频信号对输出转矩波动产生了影响，相比之下中高速时的转矩波动则明显小很多。而由图中也可以看出，当算法切换结束后，由于高频注入信号的幅值逐渐趋于零，中高速下实际仅有D状态观测器工作。对输出转矩进行分析发现：高频信号注入法单独工作且维持在零速时，最大转矩波动约为2.1%；加减速时，高频信号注入法最大转矩波动约为2.8%；D状态观测器法单独工作，最大转矩波动约为1%；切换区间内最大转矩波动约为3%。混合控制下的电机转矩波动表现满足EPS转矩波动指标在2%-5%的技术要求。图11进行了电机输出转矩频率成分的分析，输出转矩波动中存在1KHz附近的高频波动成分，这正是由注入的高频信号所引起。考虑到EPS中机械时间常数远大于电气时间常数，频率高于50Hz的转矩波动会被机械系统滤除，不会反映到方向盘上。因此，上述高频信号注入法中3%左右的最大转矩波动，在EPS上会被机械系统滤除高频成分，电机输出转矩波动对EPS的影响会进一步降低。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：控制器输入端接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号以及母线电压信号；运算后控制器输出三相占空比信号给电机驱动器，电机驱动器输出三相电压信号驱动永磁同步电机工作；永磁同步电机在电机驱动器和负载系统的共同作用下工作；信号采集及处理系统采集电机的两相电流信号和三相电压信号，并进行信号调理后生成控制器可以读取的信号后输入控制器，完成电流闭环控制；

在控制器中同时实现永磁同步电机电流闭环控制，以及无位置传感器永磁同步电机的转子位置估计；

所述转子位置估计功能的实现是仅利用电机端的电流信号和电压信号通过估计算法将电机转子位置估计得到，从而用于电机的矢量控制；

按照电机转速将电机运行工况分为低转速区和高转速区，在低转速区利用基于高频信号注入的方法估算出转子位置信息；在高转速区利用基于反电动势的方法估算出转子位置信息；在低转速区/高转速区向高转速区/低转速区过渡的切换过程中，利用信息融合的方法；

所述基于高频信号注入的方法包括在转子同步旋转dq坐标系下，在其中d轴上注入高频正弦电压信号，通过对q轴的高频电流信号进行处理，来获取位置估计误差信息；

所述信息融合的方法包括在规定的转速切换空间内，分别对所述基于高频信号注入的方法估算的电机转速估计值和所述基于反电动势的方法估算的电机转速估计值进行系数加权，得到电机转子位置估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述信息融合的方法是根据切换区间内电机转矩波动不能恶化且尽量平滑的要求，两种估计算法切换时电机转子位置估计误差应在相当水平，分析得到转子位置估计算法切换的转速区间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在转速切换区间内，采用系数加权的方法，根据制定的系数分配规则，分别对低转速估计算法的电机转速估计值和高转速估计算法的电机转速估计值进行系数加权，得到混合区间内可用的电机转速估计值，进而得到电机转子位置估计值；在估计算法混合区间外，保证分别只有一种估计算法会对估计结果起到影响。

4.一种实现权利要求1-3中任一所述方法的汽车电动助力转向系统用永磁同步助力电机的控制系统，其特征在于：包括控制器、电机驱动器、永磁同步电机及负载系统、信号采集及处理系统，控制器与信号采集及处理系统连接，接收指定的助力特性和电机反馈的两相电流信号、三相电压信号以及母线电压信号；控制器与电机驱动器连接，将运算后得到的三相占空比信号输出给电机驱动器；电机驱动器与永磁同步电机连接，将三相电压信号输出给永磁同步电机驱动其工作；负载系统与永磁同步电机连接；信号采集及处理系统与永磁同步电机连接，采集永磁同步电机的两相电流信号和三相电压信号，并进行信号调理后生成控制器可以读取的信号后输入控制器。