CN105359407A - 控制电动助力转向系统的电动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制电动助力转向系统的电动机的方法，电动机(14)具有多个相(21)，该方法包括采取指示期望的辅助扭矩的输入信号(12)作为输入以及由期望的辅助扭矩确定要被施加到电动机的每个相的电压，其中确定要被施加到每个相的电压的步骤包括取决于由电源(3)提供给电动机(14)的电压，限制确定要被施加到电动机的每个相的电压。

Description

控制电动助力转向系统的电动机的方法
技术领域
本发明涉及控制电动助力转向系统的电动机的方法和相关设备。
已知提供了电动助力转向(EPAS)系统，其中电动机向转向系统的一部分施加辅助扭矩以使得驾驶者更容易转动车辆的车轮。辅助扭矩的大小是根据控制算法确定的，控制算法接收诸如由驾驶者转动方向盘施加到转向柱的扭矩、车辆速度等的一个或多个参数作为输入。
为了精确控制电动机扭矩，有必要控制施加到电动机的电流。通常使用根据脉冲宽度调制控制/驱动策略操作的星形连接的三相电动机，被连接到上驱动级和下驱动级开关的每个相分别地连接到电池电源和地。在PWM策略中，每个相用周期性PWM驱动信号驱动，周期性PWM驱动信号具有第一状态和第二状态以及指示周期中的每个状态的时间花费的比例的占空比。电动机需要的扭矩由控制电路依据d-q轴电动机电流需求信号来确定。然后如由驱动电路需要的，这些转换为静态参考系的三相电流，这需要位置的电动机转子电角度的知识。可以提供位置传感器测量转子位置或系统也可以是诸如WO2004/023639教导的无传感器型的。最后，使用测量的实际电流作为反馈，计算了需要用于产生需要的实际平均电流的每个相的脉冲宽度调制(PWM)占空比，其被用于驱动电动机的各相。
电动机从车辆电源(一般为电池)汲取电流，其中电池是由被车辆的传动系驱动的交流发电机充电的(或在制动期间从引擎或再生电力获取电力)。由电动机汲取的电流是电池电压和施加到每个相的驱动信号的占空比的函数。
在需要高度辅助的时间，开关的占空比将是高的并且由电动机从电池汲取的总电流也将是高的。对于健康的车辆电气系统，对高电流的需求一般可以由交流发电机满足，从而电池不会被耗尽。电动机的最大电流汲取应该被设置为可以由交流发电机满足的水平。在发生从低辅助需求到高辅助需求的突然改变而交流发电机不能立刻提供需要的电流的情况下，电流中的一些将是从电池抽出的，直到交流发电机有时间来提升输出。如果电池被部分地或完全地耗尽，或可能断开，则可能不能满足对电流突然增大的需求，导致电压下降直到最终交流发电机响应，这仅影响电池电压的变化。这通常通过调光将自身呈现给车辆的驾驶者。在最坏的情况下，到引擎的关键部分的电压可能会下降从而引擎自身失速，这可能导致失控。
在我们的英国专利申请No.1218674.8(通过引用并入此处)中，我们先前已经提出限制这样的EPAS系统需求的电流的变化速率。虽然这可以至少部分地改善EPAS系统的功率需求突然改变的问题，我们发现，在某些环境中，功率需求的突然改变仍能导致由这样EPAS系统需求的电压中的瞬时峰值。因此，尽管比以前不那么明显并且出现在较短期内，以上描述的问题仍然会发生。
根据本发明的第一方面，提供了控制电动助力转向系统的电动机的方法，电动机具有多个相，方法包括采取指示期望的辅助扭矩的输入信号作为输入以及由期望的辅助扭矩确定要被施加到电动机的每个相的电压，其中确定要被施加到每个相的电压的步骤包括取决于由电源提供给电动机的电压，限制确定要被施加到电动机的每个相的电压。
因此，该方法降低了如下可能性，该可能性为电动机被提供具有从电源取得的这样大的比例的电压，而电源不能提供需求的电压或提供需求的电压将影响由电源电路供电的其他电路的操作。我们已经意识到，取代我们先前提出的限制电流变化的速率，电动机消耗的功率(其中功率与电流和电压的乘积成比例)可以通过限制提供给电动机的电压来控制；限制乘积中的一个因子将会限制由电动机消耗的功率。
电源可以包括车辆交流发电机和车辆电池中的至少一种。在电源包括交流发电机和电池两者但是电池发生已经故障或已被断开时，该方法是非常有用的。该方法可以防止当使用我们以前提出的限制电流变化的速率的方法时可能发生的初始瞬时高压需求。此外，由于电动机提供的扭矩通常直接取决于电动机电流，通过不限制电流，对于系统可用的扭矩存在更少的限制。
限制施加到每个相的电压的步骤可以包括确定施加在每个相两端的电势差的限制的步骤。限制可以设为指示电源电压的最大比例的因子。该因子可以从电源的第一电压处的较低限制到电源的高于第一电压的第二电压处的较高限制变化，典型地但是并非必需的，为线性变化。
方法可以包括确定最大调制深度，以及向调制深度应用该因子以创建考虑到电压的限制的修正调制深度。调制深度指示可以施加在电动机的相两端的最大电压差；可以施加到相的最大电压为1/2VPSM，其中VPS是电源电压，M是调制指数。对于星形绕线式电动机，其中一个相两端的最大电压是电源电压的三分之二，调制指数将是4/3。因此修正调制指数可以由Mmod＝fM表示，其中f是因子，不大于一。因此，施加到每个相的电压的限制可以表示为：
1/2VPSMmod＝1/2VPSfM
因为该已经使用的算法在确定要被施加到相的电压时利用了调制指数，所以使用调制指数是方便的。
指示期望的辅助扭矩的信号可以表示期望的电动机电流。因此，方法可以包括基于对要被施加到每个相的电压的限制确定要被施加的电压以获得这样的电流。
电动机可以设有控制电路和驱动级，驱动级包括取决于控制电路的指示布置为将电压从电源切换到各相的开关。因此，电源提供的电压可以是提供给驱动级的电压，其中基于电源提供的电压确定对所述电压的限制。
确定提供给每个相的电压的方法可以包括确定要被施加给来自电源的电压的脉冲宽度调制(PWM)占空比以及向每个相提供PWM电压的步骤，之后方法包括取决于对电压的限制(并且优选地取决于修正调制指数)确定PWM比率。
方法还可以包括取决于电池电流变化的期望速率，限制确定要被施加到电动机的每个相的电压。典型地，电压限制将是取决于电源电压的项以及取决于电池电流变化的速率的项中的最小值。取决于电池电流变化的速率的项可以根据我们的英国专利申请No.1218674.8(通过引用并入此处)的其中所称的梯度限制设置点来确定。典型地，修正调制指数将是取决于电源电压的项和取决于电池电流变化的速率的项的最小值。
根据本发明的第二方面，提供了用于电动机的控制电路，电动机具有多个相，控制电路包括用于期望的辅助扭矩的输入和用于要被施加到电动机的驱动级的开关的控制信号的输出，控制电路还具有用于要被施加到电动机的电源电压的输入，控制电路包括处理器，处理器布置为采取指示期望的辅助扭矩的输入信号，以及由期望的辅助扭矩确定要被施加到电动机的每个相的电压并因此提供控制信号，其中通过取决于电源电压限制确定要被施加到电动机的每个相的电压，处理器确定要被施加到每个相的电压。
电源电压可以包括车辆交流发电机和车辆电池的至少一种。在电源包括交流发电机和电池两者但是电池已经发生故障或断开时，该方法是特别有用的。
处理器可以布置为产生控制信号以限制施加在每个相两端的电势差。限制可以设为指示电源电压的最大比例的因子。该因子可以从电源的第一电压处的较低限制到电源的高于第一电压的第二电压处的较高限制变化，典型地但是并非必需的，为线性变化。
处理器可以布置为确定最大调制深度，以及向调制深度应用该因子以创建考虑到电压的限制的修正调制深度。调制深度指示可以施加在电动机的相两端的最大电压差；可以施加到相的最大电压为1/2VPSM，其中VPS是电源电压，M是调制指数。对于星形绕线式电动机，其中一个相两端的最大电压是电源电压的三分之二，调制指数将是4/3。因此修正调制指数可以由Mmod＝fM表示，其中f是因子并不大于一。因此，施加到每个相的电压的限制可以表示为：
1/2VPSMmod＝1/2VPSfM
因为该已经使用的算法在确定要被施加到相的电压时利用了调制指数，所以使用调制指数是方便的。
指示期望的辅助扭矩的信号可以表示期望的电动机电流。因此，方法可以包括基于对要被施加到每个相的电压的限制确定要被施加的电压以获得这样的电流。
处理器可以布置为确定要被施加到来自电源的电压的脉冲宽度调制(PWM)占空比，并提供控制信号作为开关导通时间和开关关断时间的PWM信号，处理器被布置为取决于电压的限制(并且优选地，取决于修正调制指数)确定PWM比率。
处理器还可以布置为取决于电池电流变化的期望最大速率，限制确定要被施加到电动机的每个相的电压。典型地，电压限制将是取决于电源电压的项以及取决于电池电流变化的速率的项的最小值。取决于电池电流变化的速率的项可以根据我们的英国专利申请No.1218674.8(通过引用并入此处)的其中称为梯度限制设置点来确定。典型地，修正调制指数将是取决于电源电压的项和取决于电池电流变化的速率的项的最小值。
根据本发明的第三方面，提供了组合电路，其包括本发明的第二方面的控制电路和用于电动机的驱动级，驱动级包括多个开关，开关被布置为取决于来自控制电路的控制信号切换电源电压到电动机的各相。
根据本发明的第四方面，提供了具有多个相的电动机和本发明的第三方面的组合电路的组合，开关被耦合到电动机的各相。
根据本发明的第五方面，提供了电动助力转向系统，其包括转向机构和本发明的第四方面的组合，电动机被耦合到转向机构以提供辅助扭矩。
接下来仅以举例的方式，参考附图描述了本发明的实施例的说明，其中：
图1是示出电动转向系统电源的连接的车辆电气系统的一部分的概览；
图2是根据本发明的实施例的示例性电动助力转向(EPAS)系统的关键部分的示意图；
图3是示意地示出图2的EPAS系统的控制电路、驱动级和电动机的图示；
图4是示出由图3的控制电路所进行的计算的流程图；
图5是示出由图3的控制电路计算相电压限制的进一步的流程图；
图6是示出其产生第一修正调制指数的映射的曲线图；
图7是示出其产生第二修正调制指数的映射的曲线图；和
图8是示出确定为图6和图7示出的第一和第二调制指数的最小值的总修正调制指数的曲线图。
如图1所示，车辆设有电动助力转向(EPAS)系统，该系统从车辆电源通过电源轨2汲取电流ibattery。电源包括通常额定为12伏DC的电池3，其又由交流发电机4充电。电池也向其他车辆配件5提供电流。
附图的图2中示意地示出了EPAS系统1。它包括附连到方向盘11的转向柱10、扭矩传感器12、电动机控制和驱动电路13以及电动机14，其中扭矩传感器12测量由于驾驶者转动方向盘而施加到转向柱10的扭矩。
扭矩传感器12可以附连到串联转向柱10的中空轴，通常通过变速箱15，电动机14可以充当转向系统的转向柱或其他部件。
电动机14通常包括三相绕线式定子元件和具有例如六个嵌入其中的磁体的转子，其在该情况下被布置为提供围绕转子的南北极之间交替的六个极。因此转子限定了围绕转子均匀分布的三个直轴或d轴以及在d轴之间相互间隔的三个交轴或q轴。d轴与磁体的磁极对齐，其中来自转子的磁通线为径向方向，q轴介于d轴之间，其中来自转子的磁通线为切线方向。
三个电动机定子绕组21以星形网络连接，其中每个相的一端连接到中性点22并且另一端连接到相应于该相的晶体管桥20a、20b。控制和驱动电路13的驱动电路部分13b包括形成开关级的三相桥。桥的每个臂包括一对开关，该开关为上晶体管20a和下晶体管20b串联连接在电池电源轨2和地线之间的形式。电动机绕组各自从相应的互补对晶体管之间分出。晶体管以由控制和驱动电路控制的方式导通和关断，以提供施加到各端子的电势的脉冲宽度调制(PWM)，从而控制施加跨过每个绕组的电势差，并因此也控制取决于电动机的每个相21的占空比d的流过绕组的电流。这接着控制由绕组产生的磁场的强度和取向，进而控制电动机扭矩。
从扭矩传感器12输出的扭矩信号被送到产生一组电动机电流需求信号的控制和驱动电路13的电动机控制装置13a的输入。需求信号是d-q轴参考系中的两个电流需求信号的形式。d轴和q轴需求信号的值取决于测量的扭矩并根据辅助扭矩策略进行设置。这可以使用可能存储在控制装置的存储器中的查找表来实现，其中控制装置的存储器存储针对扭矩信号值的电流需求信号值。
驱动电路将从控制装置输出的d-q轴电流转换为静态参考系中的三个电流需求分量，对于电动机的每个相a、b、c各一个。这些需求电流之后由驱动电路结合转子位置的估计值被转换为合适的PWM信号，合适的PWM信号通过开关的PWM被提供给开关电动机相。现有技术中已知PWM开关策略的范围，因此在此不再详细描述。开关布置是众所周知的并且在如EP1083650A2这样的文件中有所描述，开关布置也在图4中大致地描绘出。
控制和驱动电路的控制装置部分和驱动电路部分均可以使用电子控制单元运行存储在存储器区域中的软件来实现。
为了防止如果电池3被完全耗尽或甚至断开而导致从交流发电机4汲取的不期望的大电压，电动机控制电路13a可以如附图的图4中所示出的运作。在这种情况下，由电动机产生的控制信号被计算以限制施加到每个相21的电压。
采取附图的图4中的流程图，由基于转向柱扭矩的扭矩需求，如上所讨论的确定针对每个相的沿着d和q轴的一组电流(步骤30)。在步骤32，其与流经那些轴的实际电流进行比较。在步骤34，其在比例积分器(PI)电路中积分，其输出是期望的电压(在该情况下，沿着d-q轴)。然而，取决于电源轨2上的电压，向PI电路34施加了限制。
该限制通过修正使用于计算期望的电压的调制指数来计算。调制指数被用于确定适于每个相的最大电压。一般地，以往可以应用到给定的相的最大电压是1/2VPSM，其中VPS是电源的额定电压(在汽车环境下，一般为12伏)，M是调制指数。对于该实施例中的星形绕线式电动机，适于在一个相21两端的最大电压是电源电压的三分之二(表示其中上晶体管20a导通而下晶体管20b关断、其他两个相的上晶体管20a关断而下晶体管20b导通的情形)，所以M是4/3。然而，经常使用较低的调制指数以防止产生的信号中的失真，一般地，使用约1.15的调制指数。
通过将调制指数修改为小于先前使用的恒定值，可以减小施加到每个相的最大电压，而不会像每相的电流受限时影响电动机的失速扭矩那么严重。
因此，计算了两种调制指数。第一种由供给驱动电路13b的电源轨2上的电压来确定。可以在附图的图6看到用于针对电源轨2(示为驱动级电压)的电压的第一修正调制指数的示例映射。在此，第一修正调制指数是高电压“调制深度高电压”(modulationdepthuppervoltage)之上的常数，并将采取其惯常值为(对于该电动机布置)例如1.15，此处描绘为“最大调制深度”。“调制深度高电压”的典型值约为8伏。低于较低电压阈值(“调制深度低电压”，例如约为10伏)，第一修正调制指数将是常数“最小调制深度”，以使得系统即使在低电压时仍然尝试提供一些辅助。在那些电压之间，第一修正调制指数从“最小调制深度”到“最大调制深度”线性变化。然而，可以设想该变化可以涉及几个固定点之间的线性插值或完全地非线性变化。
根据附图的图7所示的图示计算第二修正调制指数。这使用“梯度限制设置点”来修正调制指数。“梯度限制设置点”指示从电源轨2采取的电流变化的最大期望速率，并在我们的英国专利申请No.1218674.8(通过引用并入本文)中进一步详细地进行了讨论。与第一修正调制指数类似，第二修正调制指数是高电压“调制深度高梯度”之上的常数，并且将采取其正常值的4/3(对于该电动机布置)，此处描绘为“最大调制深度”。低于较低电压阈值(“调制深度低梯度”)，第一修正调制指数将是常数“最小调制深度”。在那些梯度之间，第一修正调制指数从“最小调制深度”到“最大调制深度”线性变化。然而，可以设想，变化可以涉及几个固定点之间的线性插值或完全地非线性变化。
如附图的图5所示，使用的修正调制指数是第一和第二调制指数的最小值。这在附图的图8中描绘，其中长虚线示出了第一修正调制指数随时间的变化，短虚线示出了第二修正调制指数随时间的变化，实线描绘了沿着两个虚线的较低处的总修正调制指数。正如可以看到的，在第二修正调制指数退出功率限制模式(其中修正调制指数小于其最大值)时遵循第二修正调制指数使用总调制指数，比仅仅遵循第一修正调制指数更温和，从而允许调节任何不利的转向感影响。
修正调制指数被用于确定最大相电压(也使用标称电源电压)，其随后可用于计算PI电路34中的需求的d-q轴电压。
然后这些需求电压在转换步骤36被转换为相电压，并在步骤38从相电压转化为每个相的脉冲宽度调制比率。
通过提供相电压的限制，因此限制了每个相消耗的功率，功率输出得到了限制，减小了电池不提供功率(并因此潜在地允许所有其他电气设备正常工作)时置于交流发电机上的压力。系统是自调节的，从而降低了到电池电压可能恢复的点的功率输出。通过限制电动机的功率输出，获得了我们先前提出的其中电流变化的速率被限制的方式中发现的快速瞬时响应。已经发现的其他控制方式不够快。从功率限制模式的受控退出条件允许保持良好的转向感。受控的退出条件(减缓返回到全功率)保持对车辆电气系统的保护并提供更多时间用于恢复。电压的进一步降低(其很可能伴随车辆在该状态下工作)将不太严重(由于将保持梯度限制)；因此，随后提高了车辆的整体控制。

Claims (15)

1.一种控制电动助力转向系统的电动机的方法，所述电动机具有多个相，所述方法包括采取指示期望的辅助扭矩的输入信号作为输入，并且由所述期望的辅助扭矩确定要被施加到所述电动机的每个相的电压，其中确定要被施加到每个相的电压的步骤包括取决于由电源提供到所述电动机的电压限制确定要被施加到所述电动机的每个相的电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述电源包括车辆交流发电机和车辆电池中的至少一种。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述电源包括交流发电机和电池两者，但是所述电池已经发生故障或已经断开。
4.如前述任一权利要求所述的方法，其中限制施加到每个相的电压的步骤包括确定施加在每个相两端的电势差的限制的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述限制被提供为指示所述电源的电压的最大比例的因子，通常为所述电源的额定电压。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述因子从所述电源的第一电压处的较低限制到所述电源的高于所述第一电压的第二电压处的较高限制变化。
7.如权利要求5或6所述的方法，包括确定最大调制深度以及向所述调制深度应用所述因子以创建考虑了所述电压的限制的修正调制深度。
8.如前述任一权利要求所述的方法，其中指示所述期望的辅助扭矩的所述信号表示期望的电动机电流。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述电动机设有控制电路和驱动级，所述驱动级包括开关，所述开关布置为取决于所述控制电路的指示将电压从所述电源切换到各相，其中作为确定对所述电压的限制的基础的由所述电源提供的所述电压是提供到所述驱动级的电压。
10.如前述任一权利要求所述的方法，包括取决于所述电池电流变化的期望最大速率限制确定要被施加到所述电动机的每个相的电压。
11.如权利要求11所述的方法，其中所述电压限制是取决于所述电源的电压的项以及取决于电池电流变化的期望最大速率的项中的最小值。
12.一种用于电动机的控制电路，所述电动机具有多个相，所述控制电路包括用于期望的辅助扭矩的输入和用于要被施加到用于所述电动机的驱动级的开关的控制信号的输出，所述控制电路还具有用于要被施加到所述电动机的电源电压的输入，所述控制电路包括处理器，所述处理器布置为采取指示期望的辅助扭矩的输入信号，以及由所述期望的辅助扭矩确定要被施加到所述电动机的每个相的电压并由此提供所述控制信号，其中通过取决于所述电源电压限制确定要被施加到所述电动机的每个相的所述电压，所述处理器确定要被施加到每个相的所述电压。
13.一种组合电路，包括权利要求12所述的控制电路和用于所述电动机的驱动级，所述驱动级包括多个开关，所述开关布置为取决于来自所述控制电路的所述控制信号切换所述电源电压到所述电动机的各相。
14.一种具有多个相的电动机和如权利要求13所述的组合电路的组合，所述开关被耦合到所述电动机的各相。
15.一种电动助力转向系统，包括转向机构和如权利要求14所述的组合，所述电动机被耦合到所述转向机构以提供辅助扭矩。
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