CN104903179B - 电动助力转向系统的电动机的控制策略 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向系统的电动机的控制策略，在这种电动助力转向系统中控制装置产生供给到电动机驱动装置的电动机电流要求信号，所述要求信号取决于所述电动机要求的助力转矩的量，所述电动机驱动装置被布置成使得电流根据需要流入所述电动机的各相，以满足要求的助力转矩，所述控制策略包括如果所述电动机从车辆的电源汲取的电流的变化速率原本会超过变化速率阈值，则限制所述电动机从车辆的电源汲取的电流的变化速率。

Description

电动助力转向系统的电动机的控制策略

技术领域

本发明涉及电动助力转向系统的电动机的控制策略。

背景技术

已知的是，提供了一种电动助力转向系统，在其中电动机向转向系统的一部分施加助力转矩以使得驾驶员更容易转动车辆的车轮。根据控制算法确定助力转矩的大小，该控制算法接收一个或多个参数(诸如，因驾驶员转动车轮而向转向柱所施加的转矩、车速等)作为输入。

为了准确地控制电动机转矩，重要的是控制向电动机施加的电流。通常，使用按照脉宽调制控制/驱动策略来工作的星型连接(star connected)三相电动机，各相连接到分别与电池电源和地连接的上驱动级开关和下驱动级开关。在PWM策略中，用周期PWM驱动信号来驱动各相，周期PWM驱动信号具有第一状态和第二状态并且具有指示周期中每种状态所花时间之比的占空比。由控制电路依据d-q轴电动机电流要求信号来确定电动机所需要的转矩。接着，根据需要，由控制电路将这些转矩转换成静止坐标系中的三相电流，这需要获知位置的电动机转子电角度。可设置测量转子位置的位置传感器或者系统可以是无传感器类型的，诸如，在WO 2004/023639中所教导的。最后，使用实际电流的测量值作为反馈，计算产生所需实际平均电流所需要的各相位的脉宽调制(PWM)占空比，且该脉宽调制占空比被用于驱动电动机相位。

电动机从车辆电源汲取(draw)电流，车辆电源通常是被由车辆的传动系统(drivetrain)驱动的交流发电机所充电(top up)的电池(从发动机取得能量或在制动期间取得再生能量)。从电动机汲取的电流随着电池电压和施加到各相的驱动信号的占空比而变化。

在需要高助力的时间，开关的占空比将是高的并且电动机从电池汲取的整体电流将进而是高的。对于健康的车辆电气系统而言，通常可用交流发电机满足高电流要求，所以电池没有变得被耗尽。应该将电动机的最大电流汲取设置成交流发电机可满足的水平。在出现从低助力要求到高助力要求的突然变化的情况下，交流发电机可能不能够立即提供所需的电流，在这种情况下，将消耗(drain)来自电池的部分电流，直到交流发电机有时间加速(ramp up)。如果电池被部分或完全耗尽或可能被断开，则可能不满足突然增大的电流要求，从而导致电压降低，直到仅对电池电压的变化做出反应的交流发电机。通常，通过灯的变暗向车辆的驾驶员来表现这个现象。

发明内容

根据第一个方面，本发明提供了一种用于在其中控制装置产生供给到电动机驱动装置的电动机电流要求信号的那种车辆的电动助力转向系统的电动机的控制策略，所述要求信号取决于所述电动机要求的助力转矩的量，所述电动机驱动装置被布置成使得电流根据需要在所述电动机的各相流动，以满足要求的助力转矩，所述控制策略包括在由所述电动机从车辆的电源汲取的电流的变化速率原本(otherwise)会超过变化速率阈值时，限制所述电流的变化速率。

通常，电源将包括与交流发电机连接的电池，该交流发电机保持电池被充电并且当车辆的发动机正在运行时向电动机供电。因此，因为本发明指的是从电源汲取电流，它应该被概括地理解为正从电池、从电池和交流发电机或仅仅从交流发电机汲取整体电流。在电池被断开的情况下，可应用后一种情况。

所述策略可包括产生在两个或更多个时间上间隔的时段处的正从电源汲取的电流的估计值，将由所述电动机汲取的电池电流的估计变化速率产生为至少两个估计值和估计值之间的过去(elapsed)时间之间的关系。所述时段可非常短并且有效地代表瞬时电流测量值。

所述控制策略当用于使用脉宽调制(PWM)以用具有第一状态和第二状态并且具有指示在周期内各状态所花时间之比的占空比的周期脉宽调制(PWM)驱动信号来驱动电动机的各相的驱动电路时，可包括使用所述电动机电流要求信号连同代表施加到各相的PWM信号的占空比的信号一起来确定从电源所汲取的电流的估计值，并且通过修改所述电动机电流要求信号来限制由所述电动机从电源汲取的电流的变化速率。电流汲取估计值可被表达为：

I＝da·Ia_demand+db·Ib_demand+dc·Ic_demand+I_ECU

其中，I＝所汲取的电流的估计值；

da、db和dc是针对相a、b和c中的每个的PWM信号的占空比；

Ia_demand、Ib_demand和Ic_demand是在PWM周期的导通部分期间的瞬时要求相电流；

I_ECU是造成被处理ECU所汲取的电流的可选偏置。

因此，所估计的电流汲取可包括在至少一个PWM周期内估计的平均电流汲取。可使用下面的等式：

其中，I_{bat_gradient}是电流汲取的变化速率(“梯度”)

I_{battery_estimated}与前一等式中的电流I的估计值相同。

优选使用电动机电流要求信号而非瞬时或平均相电流的实际测量值，因为电动机电流要求信号不受原本(otherwise)会需要的任何电流测量电路的输出中所存在的噪声的影响。当然，在替代布置中，在等式中可使用相电流的实际瞬时测量值。申请人之前的专利GB2460192B1公开了一种用于直接测量瞬时电流并用这些瞬时电流测量平均电流的合适技术。该文件的教导以引用方式并入本文。在其它替代形式中，可使用电流传感器(诸如，Rogowski线圈)，其直接产生指示电流的变化速率的输出。

在实际系统中，可以以限定的时间间隔重复地产生估计值。例如，每当由控制装置产生新的电流要求信号值时，便可以产生估计值，这是由控制装置的工作速率来管理的。在操作速率是1kHz的情况下，可每隔1ms进行这个步骤。

在一些系统中，以比产生新电流要求信号值的速率更高的速率来对实际相电流进行采样。经常进行这个步骤，以允许驱动装置对实际电流具有更大的控制，其中驱动装置形成反馈回路的一部分的。每当接收到实际采样时，驱动装置调节占空比以减小测得的实际电流和要求电流之差。在这种情况下，所述策略可以比产生电流汲取的估计值更高的速率对各相的占空比进行采样，在产生平均汲取的电流的估计值的过程中，使用平均占空率(duty rate)值作为da、db和dc的值。

例如，可按产生新电流要求值的速率的五倍来调节占空比，从而允许使用五个占空周期(duty cycle)值的平均值。

汲取电池电流的变化速率的阈值可以是固定阈值或者是可随时间变化的动态阈值。它可根据车辆的一个或多个工作参数而变化。这些参数可包括车速、车辆电源的电池的充电状态、电源电压和来自车辆稳定系统或制动系统的其它参数。

所述策略可包括使得所述控制装置产生指示根据所述电动机所需的转矩而需要的理想电动机电流的中间电动机电流要求信号，并且修改所述理想电流要求信号，以当需要进行限制时通过向所述理想要求信号施加比例因子来产生用于驱动所述电动机的电流要求信号。在低梯度时，由于不应用比例或限制，所以中间和实际将是相同的。然而，当超过了电流汲取的变化速率阈值(“梯度阈值”)时，这二者将不同。

所述电动机电流要求信号可包括d-q电流要求分量并且所述策略可包括用这些分量在α-β(alpha-beta)坐标系中产生各相的三相要求电流。这些电流可以是已经从控制装置得到的，但如果不是，则所述策略可包括使用以下等式来推导这些电流：

其中，I_{alpha_demand}和I_{beta_demand}是静止α-β坐标系中的电流分量，I_{d_demand}和I_{q_demand}是d和q轴电流要求信号，θ是转子电位置。

所述策略可允许由控制装置从电池汲取额外的电流。这通常被体现为ECU运行合适的控制算法并且因此能够预测消耗的电流。代表由ECU汲取的电流的偏置电流汲取值可与由电动机汲取的电流的估计值相加，以产生电动转向系统的整体电流汲取估计值，并且如果该整体电流汲取超过阈值，则所述策略可限制电动机的电流汲取梯度。

所述策略可包括将平均汲取的电流的估计值传递通过滤波器，以产生滤波后的估计平均电流汲取值。所述滤波器可包括低通滤波器，该低通滤波器的通带被调节以减少估计电池梯度信号中的噪声。

所述策略可包括将估计的电池电流变化速率供给到PI(或PID)控制器，PI控制器的输出修改由作为反馈控制回路的一部分的电动机所要求的最大电流。

在估计的电池电流梯度在电池变化速率的启用阈值的可容许范围内的情况下，则可禁用该PI控制器。该启用阈值可不同于由电动机电流所允许的变化速率的最大阈值。

电池变化速率的启用阈值可以是电流梯度值，单位为安培每秒(A/s)。最大阈值梯度也可以是相同单位。

可选择PI控制器的比例和积分增益值，以向最大电流要求的修改提供所需的阻尼量。如果阻尼太低并且施加突然限制，则这样会造成要求信号的值的快速变化，这是不期望的。如果阻尼太高，则可能过于缓慢地引入电流汲取的限制，从而允许出现电池的过度消耗。

通常，电池将连接到交流发电机，交流发电机提供电力以保持电池被充电并且驱动电负载。因此，由于本发明涉及产生电池电流汲取梯度的估计值，应该理解，这意味着更一般而言整体电流正在从电池系统被汲取，该系统包括电池和交流发电机。只要交流发电机正在发挥作用，即使电池故障或被断开，电动机也将仍然工作，且在该极端情况下，电池电流梯度的估计值将是从交流发电机汲取的电流梯度的估计值。

根据第二个方面，本发明提供了一种电动助力转向系统的电动机的控制装置，在这种电动助力转向系统中，控制装置产生供给到电动机驱动装置的电动机电流要求信号，所述要求信号取决于由所述电动机要求的助力转矩的量，所述电动机驱动装置被布置成根据需要提供在所述电动机的各相中流动的电流，以满足要求的电动机转矩，所述控制装置包括：

估计器装置，其适于可选地产生在时间上间隔的时段处的正从所述电源汲取的电流的估计值并且用这些估计值产生由所述电动机汲取的电流的估计的变化速率，作为估计值和估计值之间过去的时间之间的关系，且在所述电流的变化速率超过电流的变化速率阈值的情况下，所述控制器适于限制由所述电动机汲取的最大电流。

控制装置可与驱动装置在组合的控制和驱动电路中组合。这可用硬件、用软件或用这二者的组合来实现。

附图说明

现在，将参照附图以举例方式仅描述本发明的一个实施例，其中

图1是示出电动转向系统和电源的连接的车辆电气系统的一部分的概观；

图2是可应用本发明的控制策略的示例性电动转向系统的关键部件的示意图；

图3是示出本发明的控制策略如何结合到转向系统的控制和驱动装置中的框图；

图4是提供算法、输入参数和输出的不同步骤的概观的框图；

图5是图4中示出的策略的一个特定示例性实现方式的表示；

图6示出在没有电池电流梯度限制器的情况下响应于电动机转矩(且因此电流)的快速增加的需要的随时间变化的测量电池电流的变化；

图7示出当电池电流梯度限制器是激活的时候的等同变化；

图8是示出各种功能部件之间的信号流动的设备的替代表示。

具体实施方式

如图1中所示，车辆设置有电动助力转向(EPAS)系统，该系统通过导电轨2从车辆电源汲取电流i_battery。电源包括电池3，电池3的额定电压通常是12伏DC，进而由交流发电机4充电。电池还向其它车辆配件5提供电流。

在附图的图2中示意性示出EPAS系统1。它包括：转向柱10，其附接于方向盘11；转矩传感器12，其测量当驾驶员转动转向轮时驾驶员施加到转向柱10的转矩；电动机控制和驱动电路13以及电动机14。

转矩传感器12可以串联地与柱10附接于套筒轴(quill shaft)，且电动机14可通常通过变速箱15作用于转向柱或转向系统的其它部件。

电动机14通常包括三相绕组定子(three phase wound stator)元件和转子，转子在其内具有例如六个嵌入式磁体，在这种情形下，这些磁体被布置成提供绕转子的在北和南之间交替的六个极。因此，转子限定绕转子均匀间隔的三个直接轴或d轴和在d轴之间间隔(interspaced)的三个正交轴或q轴。d轴与磁体的磁极对齐，其中源自转子的磁通线处于径向方向上；q轴在d轴之间隔开(spaced)，其中源自转子的磁通线处于切向方向上。

三个电动机定子绕组以星型网络形式来连接。控制和驱动电路13的驱动电路部分包括形成开关级的三相桥。桥的每个臂包括以串联连接在电池电源轨道2和地线之间的顶部晶体管和底部晶体管为形式的一对开关。电动机绕组均是从晶体管的相应互补对之间抽头(tapped off)的。这些晶体管以受控的方式被控制和驱动电路导通和截止，以提供施加到各端子的电势的脉宽调制(PWM)，从而控制施加到各绕组上的电势差，因此还控制流过绕组的电流，该电流取决于电动机的各相(a、b或c)的占空周期d。这进而控制了绕组所产生的磁场的强度和方向并进而控制了电动机转矩。

输出自转矩传感器12的转矩信号被供给到产生电动机电流要求信号组的控制和驱动电路的电动机控制装置的输入。该要求信号是以d-q轴坐标系中的两个电流要求信号为形式的。d轴和q轴要求信号的值取决于测得的转矩并且是根据助力转矩策略来设置。这可使用有可能存储在控制装置的存储器中的查询表来实现，该查询表存储与转矩信号值相对的电流要求信号值。

驱动电路将输出自控制装置的d-q轴电流转换成静止坐标系中的三个电流要求分量，每个部分对应于电动机的各相(a、b、c)。然后，由驱动电路结合转子位置的估计值将这些要求电流转换成合适的PWM信号，通过开关的PWM将这些PWM信号供应到开关电动机相。本领域中已知了一系列PWM开关策略，所以这里将不再详细进行描述。开关布置是熟知的并且在诸如EP 1083650A2的文件中有所描述。

控制和驱动电路的控制装置部分和驱动电路部分二者均可使用电子控制单元通过运行存储在存储器区域中的软件来实现。

如附图中的图3、图4和图8中所示，控制和驱动电路的控制装置部分还包括电池电流梯度限制算法，该控制部分进而具有两个区别部分：

1)估计器20，其估计电池电流梯度，电池电流梯度意指由电动机从电池汲取的电流的变化速率；

2)限制器30，如果由电动机汲取的电池电流的变化速率超过阈值或者在阈值周围的一系列值内，则限制器30限制该变化速率。

申请人已经发现，在电源传递高电流变化速率的能力被削弱的情况下，设置梯度限制器是有用的，因为如果电池被部分或完全耗尽或者变成断开则会发生这种情况。这样的作用是，确保由电动机汲取的电池电流的变化速率(电池梯度)不超过预定阈值。

梯度限制器部分将由控制装置id、iq所产生的d-q轴电流要求接收为输入。梯度限制器部分还将电动机驱动电路的各相的占空比以及电动机电位置接收为输入。需要用电动机位置以将定子的d-q坐标系要求转换成定子的开始坐标系，即，将定子的电磁场与转子的永久磁体对齐，以在转子转动时产生要求的转矩。

每当由控制装置产生新的值并且根据以下表达式由静止坐标系转换该值时，对d-q轴电动机电流要求信号进行首次采样：

这些值指示各相所要求的电流。选定的PWM开关策略将这些转换成占空比为da、db和dc的PWM波形。接着，由梯度限制电路使用这些以利用以下公式来得到由电动机正在汲取的电池电流的估计值：

I＝da·I_{a_demand}+db·I_{b_demand}+dc·I_{c_demand}+I_ECU

其中，I是电池电流估计值；

da、db和dc是针对相a、b和c的PWM信号的占空比；

I_{a_demand}、I_{b_demand}和I_{c_demand}是要求的相电流；

I_ECU是造成(account for)被处理ECU所汲取的电流的可选偏置。

I_ECU可包括指示由电动助力转向系统(而不是电动机相)的组件所消耗的电流的分量。通常，这些组件包括驱动电路、控制电路、开关、电力滤波器(power filter)等。控制电路经常被实施为ECU中的程序。当电动机是零速度并且在绕组中没有或基本上没有电流在流动时，该分量可以被估计为恒定的。

在最简单的实施例中，各相的要求占空比被直接应用于该相的开关。在一些情况下，可能有利的是，通过考虑(allowing)在各状态的占空周期内的开关的开关时间，从而根据要求的占空来计算修改的占空比。这是所谓的“不工作时间”补偿，占空周期根据开关的特性而略有增加或减小。接着，可使用修改后的占空比来计算平均电流。

以时间间隔t来周期性重复之前的计算并且用依次的成对估计值之间的差异，通过微分来得到电流汲取梯度I_{bat_gradient}，其可以根据以下等式来表达：

每当由控制电路产生新的一组电流要求信号值时，便求解这个等式。每隔1毫秒便重新计算该要求电流值，但以这个速率的五倍来测量实际电流并调节PWM占空周期。等式中使用的占空比值可因此是通过对时间段t内的所有五个占空比采样而得到的平均值。

这个估计的电流汲取梯度被传递到滤波器40，该估计的电流汲取梯度指示由电动机和ECU从电源所汲取的电流的变化速率。梯度的估计值原本会具有相当大的噪声，因为它是估计电流的微分。这个实施例的算法使用二阶低通滤波器，该二阶低通滤波器由串联连接的具有16毫秒时间常数的两个一阶低通滤波器组成。

从梯度限制设定点减去过滤的估计电流梯度，以得到差值。设定点代表电流汲取的可容许变化速率峰值，该可容许变化速率峰值可以是预设的或者是取决于车辆工作参数(诸如，车速、加速率等)的变量。如果没有超过该设定点，则差值将具有正值，如果超过了该设定点，则差值将具有负值。

接着，差值被供给到PI控制器50中。如果差值低于预定限制，则启用PI控制器50，否则将禁用PI控制器并且不施加限制，因为认为不需要进行限制。

PI控制器50在被启用时输出一值，该值经过信号调节框传递以提供比例值(scaling value)。这个比例值被应用于从控制电路输出的理想d-q轴电动机电流要求信号值，以产生一对新的d-q轴电动机电流要求信号，这些信号受到限制，使得它们不造成从电池汲取的电动机电流的过度增大。

梯度限制器因此在由电动机从电池汲取的电流的变化速率将超过阈值时限制由电动机从电池汲取的电流的变化速率。选择PI控制器50的比例和积分项，以使得在进行限制的期间内暂态既不是欠阻尼的又不是过阻尼的，以尽可能接近地遵循(follow)理想的d-q轴电流要求信号值。

图5更详细地示出了由电池梯度估计器和限制器所使用的策略的各种阶段，尽管应该理解，这只是能实现该策略的一种方式的示例。一旦检测到新的转矩要求(大致1ms)，便运行该限制器。首先，从梯度估计器得到电池电流梯度的估计值，将该估计值与预定限制I_{gradient_lim}进行比较，I_{gradient_lim}是限定最大容许电池电流梯度的可调变量(单位：A/ms)，并且被默认地被设置成0.3A/ms(300A/s)。如果它们之间的差小于启用阈值e_th(另一个可调变量)，则启用PI控制器，否则将PI控制器复位并且不执行梯度限制。PI控制器的输出在其小于r_{lower_lim}(负值)或大于零(范围为从r_{lower_lim}到零)时是饱和的，其中，r_{lower_lim}是控制器输出的下限并且范围为-1到0并且默认地被设置成-0.5。然后，通过加1进行偏置，以得到范围为-r_{lower_lim}至1，+0.5至+1内的输出r。最后，通过将r乘以原始要求大小*I_mag，得到有限电流要求大小*I_{mag_lim}。注意的是，PI控制器增益K_p和K_i也是以1024/1为比例的可调变量。

图6和图7示出在不存在电池梯度限制器(图6)和存在电池梯度限制器(图7)时在突然引入从零安至30安的电池电流要求的阶梯变化的情况下电池电流梯度限制器的效果。如可在图7中看到的，变化速率受到限制并且没有明显的电流欠阻尼或过阻尼。图7示出梯度限制被设置成100A/秒的情况。

Claims (14)

1.一种用于电动助力转向系统的电动机的控制策略，在这种所述电动助力转向系统中，控制装置产生供给到电动机驱动装置的电动机电流要求信号，所述电动机电流要求信号取决于由所述电动机要求的助力转矩的量，所述电动机驱动装置被布置成使得电流根据需要在所述电动机的各相中流动，以满足要求的助力转矩，所述控制策略包括在由所述电动机从车辆的电源汲取的电流的变化速率原本会超过变化速率的阈值情况下，限制由所述电动机从所述车辆的所述电源汲取的电流的变化速率。

2.根据权利要求1所述的控制策略，所述控制策略包括产生在两个或更多个时间上间隔的时刻处的由所述电动机正在汲取的电流的估计值，将由所述电动机所汲取的所述电流的估计变化速率产生为至少两个估计值和估计值之间过去的时间的函数。

3.根据权利要求2所述的控制策略，所述控制策略用于使用脉宽调制PWM来控制在所述电动机的各相中流动的所述电流的驱动电路，所述策略包括使用所述电动机电流要求信号连同代表施加到各相的PWM信号的占空比的信号一起来确定汲取的电流的估计值，并且通过修改所述电动机电流要求信号来限制由所述电动机汲取的电流的变化速率。

4.根据权利要求3所述的控制策略，其中，通过以下等式推导汲取的电流的估计值：

I＝da·Ia+db·Ib+dC·Ic+I_ECU

其中，I是电流估计值；

da、db和dc是针对相a、b和c的PWM信号的所述占空比；

Ia、Ib和Ic是要求相电流；

I_ECU是造成被所述电动机的处理ECU或其它辅助设备所汲取的电流的可选偏置。

5.根据之前任一项权利要求所述的控制策略，其中，每当所述电流要求信号的值被更新时便产生估计值，这是通过所述控制装置的工作频率来管理的。

6.根据权利要求3所述的控制策略，其中，以比更新所述电流要求信号的频率更高的频率对各相的所述占空比进行采样，在产生汲取的电池电流估计值时，使用平均占空比值作为占空周期值。

7.根据权利要求1所述的控制策略，其中，汲取的电流的变化速率阈值是固定阈值。

8.根据权利要求1所述的控制策略，其中，汲取的电流的变化速率阈值是可根据车辆的一个或多个工作参数随时间而变化的动态阈值。

9.根据权利要求1所述的控制策略，所述控制策略包括使得所述控制装置产生指示根据所述电动机要求的转矩所需的理想电动机电流的电动机电流要求信号，并且当需要进行限制时修改理想电流要求信号，以通过向所述理想电流要求信号施加比例因子来产生用于驱动所述电动机的所述电动机电流要求信号。

10.根据权利要求1所述的控制策略，其中，所述电动机电流要求信号包括d、q电流要求分量并且所述策略包括根据这些分量连同电动机位置的估计值一起产生α-β坐标系中的各相的要求相电流。

11.根据权利要求2所述的控制策略，所述控制策略包括将汲取的电流的估计变化速率传递通过低通滤波器，以产生滤波后的值。

12.根据权利要求2所述的控制策略，所述控制策略包括将汲取的电流的估计变化速率供给到用于使用闭环控制来修改所述电动机要求电流的PI或PID控制器。

13.一种用于电动助力转向系统的电动机的控制装置，在这种电动助力转向系统中所述控制装置产生供给到电动机驱动装置的电动机电流要求信号，所述电动机电流要求信号取决于所述电动机要求的助力转矩的量，所述电动机驱动装置被布置成根据需要提供在所述电动机的各相中流动的电流，以满足所述要求助力转矩，所述控制装置包括：

估计器装置，其适于产生由所述电动机正汲取的电流的变化速率估计值，

且在所述电流的变化速率超过电流的变化速率阈值的情况下，则所述控制装置适于限制能够被所述电动机汲取的最大电流。

14.根据权利要求13所述的电动机的控制装置，其中，所述估计器装置适于产生在两个时间上间隔的时段处的由所述电动机汲取的电流的估计值并且用所述估计值产生汲取的电流的变化速率估计值。