CN103895696B - 一种电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动助力转向系统，包括电池、三相逆变桥、永磁同步电机、选择开关、泵压模块、泵压控制模块，其中，选择开关选择性的与电池通路或与泵压模块通路，泵压控制模块根据电机q轴参考电流I_qref、电机当前转速和泵压模块的输出电压V_boost通过算法计算出输出控制信号，控制信号控制泵压模块的工作。该电动助力转向系统可以根据实际操纵工况，泵升电压，拓宽永磁同步电机的工作范围，尤其是要求高转速大转矩输出时，可以解决车辆原地或者低速快速操纵转向盘时手感沉重的问题。

Description

一种电动助力转向系统

技术领域

本发明主要涉及一种电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增加一个动力辅助装置(即电机和减速器装置)而成，由于取消了机械液压转向系统的油压管路，通过电机驱动来提供辅助转向助力，因此具有结构简单的优点。另外，由于该系统根据驾驶员施加在转向盘上的操纵转矩和车速等信号，经过一个电子控制器单元(ECU)计算电机所需提供的助力，因此一方面，电机只在必要时提供助力，可以节省燃油，另一方面，助力大小可以根据车速进行调节，进而获得可变的转向特性。正是由于上述优点，电动助力转向系统正逐渐取代传统的液压助力转向系统。

近年来，中高级轿车对电动助力转向系统的需求急剧增加，为了满足中高级轿车的助力需求，电动助力转向系统的助力电机必需向无刷化和大功率化方向发展。

驾驶员操纵转向盘的速度范围很宽，这就要求助力电机具备很宽的调速范围，在供电电压不变的情况下，永磁同步电机需进行弱磁控制，才能拓宽调速范围。永磁同步电机进入弱磁控制后，转速越高，所需要的弱磁电流越大，由于电流极限圆的限制，弱磁电流的增加会造成转矩电流的减小，因此输出的助力转矩也减小，造成手感变沉。

而永磁同步电机需要进入弱磁控制的根本原因是电机的反电势超过了供电电压，因此在加入弱磁电流后等效地抵消了一部分永磁体磁通，降低了反电势，因此可以实现电机扩速。

对于电动助力转向系统，助力电机不仅要实现转速跟随，还要实现转矩跟随，尤其是原地或者低速快速操纵转向盘时，助力电机不仅要求能达到很高的转速，而且必须提供足够的助力，否则驾驶员会感到操纵沉重，造成驾驶不舒适感。在此工况下，意味着电机的弱磁电流I_d和转矩电流I_q都需要达到较大值，而I_d和I_q要受电流极限圆的限制，即I_d ²+I_q ²≤I_lim ²，I_lim为电流极限。I_d的增大会造成I_q的降低，而助力电机的输出转矩T＝K_t×I_q，K_t为转矩系数，因此输出的助力转矩会下降。

现有技术中，专利CN1893248B提出了一种升压电路的方案，可以确保斩波电路的开关元件发生故障的情况下持续给电机供电，防止转向助力急剧地变成零。专利CN101883706B提出了一种通过升压电路对辅助电源充电，该辅助电源与车载蓄电池串联，在电动助力转向需要大功率输出时，两个电源同时供电的方案。专利CN201592731U提供一种对电源进行升压和为助力转向控制器提供升压电源的升压模块，以保证系统能够输出足够的扭矩，使车辆驾驶更为舒适，该升压模块将蓄电池电压升压至一个固定的电压值。

虽然上述对电机都采用了升压方法以保证系统能够输出足够的扭矩，但是上述的升压方法都是将电压升到一个固定电压值。但是实际工况中，电机所需的电压是不同的，固定的电压值可能或出现供压不足或供压过足，导致转向感变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可以根据驾驶员操纵转向盘的工况，实时调节泵压电路的输出电压的电动助力转向系统。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电动助力转向系统，包括电池、三相逆变桥、永磁同步电机，所述电池用于对所述电机供电；所述三相逆变桥连接在所述电机的电流输入电路上，用于将直流电逆变成频率和幅值可变的交流电，控制所述电机运行，所述电动助力转向系统还包括选择开关、泵压模块、泵压控制模块；

所述泵压模块并联连接在所述电池两端；

所述选择开关设置在所述三相逆变桥的电流输入电路上，所述选择开关的第一端连接在所述三相逆变桥的电流输入端，第二端连接在所述电池的电流输出端，第三端连接在所述泵压模块的电流输出端，所述选择开关的第一端选择性地与所述第二端或所述第三端相连；

所述泵压控制模块根据所述电机的q轴参考电流I_qref、所述电机当前转速和所述泵压模块的输出电压V_boost通过算法计算出输出控制信号，所述控制信号控制所述泵压模块的工作。

所述选择开关的第一端选择与所述第二端或与所述第三端相连是按以下方法进行选择：当所述电机的电压矢量幅值U大于所述电池的电压V_bat时，所述泵压控制模块控制所述泵压模块工作，所述选择开关的第一端与所述第三端相连，即所述选择开关选择泵压模块通路；当所述电机的电压矢量幅值U小于所述电池的电压V_bat时，所述泵压模块不工作，所述选择开关的第一端与所述第二端相连，即所述选择开关选择电池通路。

所述电机的电压矢量幅值U的计算方法采用电机的d轴电流I_d为零且稳态时控制，记为I_d＝0，具体如下：

U_d＝R×I_d+L_d×d(I_d)/dt-w_e×L_q×I_q＝-w_e×L_q×I_qref

U_q＝R×I_qref+L_q×d(I_q)/dt+w_e×(L_d×I_d+P_sif)＝R×I_qref+w_e×P_sif

所述电机的电压矢量幅值U＝sqrt(U_d×U_d+U_q×U_q)；

式中，U_d、U_q分别为所述电机的d、q轴电压；R为所述电机相电阻；L_d、L_q分别为所述电机的d、q轴电感；I_d、I_q分别为所述电机的d、q轴电流；w_e为所述电机的电角速度；P_sif为所述电机的永磁体磁通。

所述泵压模块包括串联连接的电感和二极管，所述电感与所述电池的电流输出端相连，所述二极管的电流输出端与所述选择开关的第三端相连；在所述二极管的两端并联有金属氧化物场效应晶体管和电容，所述电容位于所述二极管的后端，所述金属氧化物场效应晶体管位于所述二极管前端，所述金属氧化物场效应晶体管与所述电容共地连接，所述泵压控制模块的输出信号作用于所述金属氧化物场效应晶体管。

所述电机为面装式永磁同步电机。

所述选择开关和所述三相逆变桥之间还串联连接继电器，用于当所述电动助力转向系统出现紧急故障时切断供电电源。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的电动助力转向系统的泵压控制系统根据电机q轴参考电流I_qref、电机当前转速和泵压模块的输出电压V_boost通过算法计算出输出控制信号，控制信号控制泵压模块的工作，并且通过选择开关的选择性的选择是否需要接通泵压模块电路，该电动助力转向系统可以根据实际操纵工况，泵升电压，拓宽永磁同步电机的工作范围，尤其是要求高转速大转矩输出时，也可以解决车辆原地或者低速快速操纵转向盘时手感沉重的问题。

附图说明

图1为本发明电动助力转向系统示意图；

图2为本发明电动助力转向系统的泵压模块示意图；

图3为不同泵压控制方法的永磁同步电机机械特性曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

一种电动助力转向系统，包括电池1、三相逆变桥6、永磁同步电机5、选择开关3、泵压模块2、泵压控制模块4。如图1所示，电池1用于对电机5供电；泵压模块2并联连接在电池1两端；三相逆变桥6连接在电机5的电流输入电路上，用于将直流电逆变成频率和幅值可变的交流电，控制电机5运行；选择开关3设置在三相逆变桥6的电流输入电路上，选择开关3的第一端连接在三相逆变桥6的电流输入端，第二端连接在电池1的电流输出端，第三端连接在泵压模块2的电流输出端，选择开关3的第一端选择性地与第二端或第三端相连；泵压控制模块4根据电机5的q轴参考电流I_qref、电机5当前转速和泵压模块2的输出电压V_boost通过算法计算出输出控制信号，控制信号控制泵压模块2的工作；电机5具体为面装式永磁同步电机。本发明的电动助力转向系统还包括继电器7，继电器7串联连接在选择开关3和三相逆变桥6之间，用于当电动助力转向系统出现紧急故障时切断供电电源。

选择开关3的第一端选择与第二端相连或与第三端相连是按以下方法进行的：当电机5的电压矢量幅值U大于电池1的电压V_bat时，泵压控制模块4控制泵压模块2工作，选择开关3的第一端与第三端相连，即选择开关3选择泵压模块通路9；当电机5的电压矢量幅值U小于电池1的电压V_bat时，选择开关3的第一端与第二端相连，即选择开关3选择电池通路8。

上述电机5的电压矢量幅值U的计算方法如下，本计算方法采用电机5的d轴电流I_d为零且稳态时控制，记为I_d＝0，具体如下：

U_d＝R×I_d+L_d×d(I_d)/dt-w_e×L_q×I_q＝-w_e×L_q×I_qref

U_q＝R×I_qref+L_q×d(I_q)/dt+w_e×(L_d×I_d+P_sif)＝R×I_qref+w_e×P_sif

电机5的电压矢量幅值U＝sqrt(U_d×U_d+U_q×U_q)；

式中，U_d、U_q分别为电机5的d、q轴电压；R为电机5相电阻；L_d、L_q分别为电机5的d、q轴电感；I_d、I_q分别为电机5的d、q轴电流；w_e为电机5的电角速度；P_sif为电机5的永磁体磁通。

本发明的泵压模块2包括串联连接的电感10和二极管11，电感10与电池1的电流输出端相连，二极管11的电流输出端与选择开关3的第三端相连；在二极管11的两端并联连接有一个金属氧化物场效应晶体管(Mosfet)12和一个电容13，Mosfet12位于二极管11的前端，电容13位于二极管11的后端，Mosfet12和电容13共地连接，泵压控制模块4的输出信号作用于Mosfet12。

图3为不同泵压控制方法的永磁同步电机的机械特性曲线图，分别为采用12V蓄电池直接供电的I_d＝0控制算法、采用12V蓄电池供电的弱磁(即I_d≠0)控制算法和采用本发明电动助力转向系统的泵压控制方法。

采用12V蓄电池直接供电的I_d＝0控制算法时，永磁同步电机能运行的区域为直线A、曲线B与坐标轴所包围的范围，其中，直线A为最大恒转矩输出线，曲线B为12V蓄电池供电的i_d＝0控制算法在转速超过基速时的机械特性曲线。

采用12V蓄电池供电的弱磁(即I_d≠0)控制算法时，永磁同步电机能运行的区域为直线A、曲线C与坐标轴所包围的范围，曲线C为12V蓄电池供电的弱磁控制算法在转速超过基速时的机械特性曲线。

采用本发明电动助力转向系统的泵压控制方法，蓄电池同样采用12V的蓄电池供电，I_d＝0且稳态控制，泵压模块工作。图中，曲线D、E、F分别为泵压到14V、18V、24V时，当转速超过基速时的机械特性曲线，其与曲线A和坐标轴所包围的范围即为永磁同步电机能运行的区域。

从图3中可以看出，根据实际操纵工况，泵升电压，可以拓宽永磁同步电机的工作范围，尤其是要求高转速大转矩输出时，无需进入弱磁控制，直接采用简单的I_d＝0控制算法，可以解决车辆原地或者低速快速操纵转向盘时手感沉重的问题。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动助力转向系统，包括电池、三相逆变桥、永磁同步电机，所述电池用于对所述电机供电；所述三相逆变桥连接在所述电机的电流输入电路上，用于将直流电逆变成频率和幅值可变的交流电，控制所述电机运行，其特征在于，所述电动助力转向系统还包括选择开关、泵压模块、泵压控制模块；

所述泵压模块并联连接在所述电池两端；

所述选择开关设置在所述三相逆变桥的电流输入电路上，所述选择开关的第一端连接在所述三相逆变桥的电流输入端，第二端连接在所述电池的电流输出端，第三端连接在所述泵压模块的电流输出端，所述选择开关的第一端选择性地与所述第二端或所述第三端相连；

所述泵压控制模块根据所述电机的q轴参考电流I_qref、所述电机当前转速和所述泵压模块的输出电压V_boost通过算法计算出输出控制信号，所述控制信号控制所述泵压模块的工作；

所述选择开关的第一端选择与所述第二端或与所述第三端相连是按以下方法进行选择：当所述电机的电压矢量幅值U大于所述电池的电压V_bat时，所述泵压控制模块控制所述泵压模块工作，所述选择开关的第一端与所述第三端相连，即所述选择开关选择泵压模块通路；当所述电机的电压矢量幅值U小于所述电池的电压V_bat时，所述泵压模块不工作，所述选择开关的第一端与所述第二端相连，即所述选择开关选择电池通路。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述电机的电压矢量幅值U的计算方法采用电机的d轴电流I_d为零且稳态时控制，记为I_d＝0，具体如下：

U_d＝R×I_d+L_d×d(I_d)/dt-w_e×L_q×I_q＝-w_e×L_q×I_qref

U_q＝R×I_qref+L_q×d(I_q)/dt+w_e×(L_d×I_d+P_sif)＝R×I_qref+w_e×P_sif

所述电机的电压矢量幅值U＝sqrt(U_d×U_d+U_q×U_q)；

式中，U_d、U_q分别为所述电机的d、q轴电压；R为所述电机相电阻；L_d、L_q分别为所述电机的d、q轴电感；I_d、I_q分别为所述电机的d、q轴电流；w_e为所述电机的电角速度；P_sif为所述电机的永磁体磁通。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述泵压模块包括串联连接的电感和二极管，所述电感与所述电池的电流输出端相连，所述二极管的电流输出端与所述选择开关的第三端相连；在所述二极管的两端并联有金属氧化物场效应晶体管和电容，所述电容位于所述二极管的后端，所述金属氧化物场效应晶体管位于所述二极管的前端，所述金属氧化物场效应晶体管与所述电容共地连接，所述泵压控制模块的输出信号作用于所述金属氧化物场效应晶体管。

4.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述电机为面装式永磁同步电机。

5.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于，所述选择开关和所述三相逆变桥之间还串联连接继电器，用于当所述电动助力转向系统出现紧急故障时切断供电电源。