CN112092901A - 一种无转角传感器的eps控制系统和测量方向盘角度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种无转角传感器的EPS控制系统和测量方向盘角度的方法，涉及电机控制技术领域。EPS控制系统包括车载蓄电池、输入部分、控制器部分、输出执行部分；控制器包括控制单元、转子位置传感器RPS、PMSM电机、反电动势整流电路、PWM脉宽调制模块、预驱模块和驱动桥。本发明采用无转角传感器技术，简化了EPS控制系统，减低了成本；无转角传感器的EPS控制系统在转子位置传感器RPS低功耗模式的唤醒状态下，实现了无转角传感器软件算法，该系统不仅能在车辆点火启动状态下正常测量方向盘的角度，而且在熄火状态下也能准确的测量方向盘角度，采用Turns软件同步方法，转子位置传感器RPS不用频繁地在程序中对Turns读数。

Description

一种无转角传感器的EPS控制系统和测量方向盘角度的方法
技术领域
本发明涉及一种汽车转向控制及测量领域，特别涉及一种无转角传感器的EPS控制系统和测量方向盘角度的方法。
背景技术
汽车转向系统是汽车上的一个重要组成部件，能影响到汽车的操纵稳定性，对于保证车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶人员的人身安全、改善驾驶人员的工作条件起着重要的作用。随着汽车电子技术以及控制技术的不断创新发展，汽车转向系统发展到今天大致经历了纯机械转向系统(Manual Steering简称MS)、液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering简称HPS)、电动液压助力转向系统(Electric HydraulicPower Steering简称EHPS)、汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering简称EPS)。而现如今大范围推广使用的是电动助力转向系统，即EPS系统。EPS控制系统为了实现方向盘的主动回正、自动泊车、智能驾驶等附加功能需要实时获取方向盘的角度信息。然而，在传统的EPS控制系统中，转角传感器是获取方向盘角度信号的一个重要的组成部件，从而导致了成本大幅度增加。
发明内容
本发明针对上述传统的控制系统，提出了一种无转角传感器的EPS控制系统和测量方向盘角度的方法，解决在车辆熄火且没有转角传感器的情况下，也能实现传统有转角传感器的EPS控制系统的功能,实时跟踪方向盘角度的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种无转角传感器的EPS控制系统，EPS控制系统包括车载蓄电池、输入部分、控制器部分和输出执行部分；输入部分包括扭矩传感器和点火钥匙，控制器部分包括控制单元、PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、反电动势整流电路、PMSM电机和转子位置传感器RPS，输出执行部分包括减速装置和机械执行单元，机械执行单元的部件包括方向盘、管柱、中间轴和方向机；EPS控制系统的连接关系是：车载蓄电池连接控制单元和转子位置传感器，输入部分连接控制单元，扭矩传感器将扭矩信号传递给控制单元；控制器部分控制单元依次串联PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、PMSM电机、转子位置传感器RPS、控制单元形成一条回路，PWM脉宽调制模块将产生的PWM脉宽调制信号传递给预驱模块，转子位置传感器RPS将电机转子位置信息和Turns计数值传递给控制单元，PMSM电机连接反电动势整流电路再连接转子位置传感器RPS；输出执行部分的减速装置连接PMSM电机和机械执行单元；转子位置传感器RPS有满功率工作和低功耗两种模式，低功耗模式包括睡眠和唤醒两种状态。
转子位置传感器RPS的低功耗唤醒有周期性唤醒和反电动势唤醒两种途径。转子位置传感器RPS通过周期性地自我唤醒来测量电机转子角度及Turns计数称为周期性唤醒；在车辆处于熄火状态时，人为转动方向盘，PMSM电机被拖动产生反电动势，唤醒转子位置传感器RPS测量电机转子的角度变化及Turns计数称为反电动势唤醒。
一种测量方向盘角度的方法，采用了无转角传感器的EPS控制系统，测量方法的步骤如下：
S1在车辆熄火状态下，转子位置传感器RPS处于低功耗模式时,当外力转动方向盘，使方向盘发生偏转时，转动的方向盘经机械执行单元、减速装置拖动电机产生了反电动势；
S2反电动势经反电动势整流电路达到唤醒阈值，将转子位置传感器RPS唤醒，测量电机转子角度的变化及Turns计数；
S3当车辆点火启动，控制单元将转子位置传感器RPS从低功耗模式直接唤醒至满功率模式，同时读取转子位置传感器RPS的电机转子角度信息和Turns计数值，并通过Turns软件同步的方法，实时跟踪电机转子角度转过的圈数；
S4通过电机转子角度转过的圈数及电机转子角度，经传动比转换得到方向盘角度。
方向盘角度由电机转子角度经一定的传动比换算来的，其中：
Figure BDA0002672774240000031
式中，传动比指PMSM电机与方向盘之间的传动比，是个远大于1的常量，由减速装置决定；电机转子角度范围为0°～360°，由转子位置传感器RPS提供。
具体地，当点火钥匙打开，车辆点火启动，控制单元上电，在EPS控制系统提供转向助力的同时，当车辆处于点火启动状态，转子位置传感器RPS被唤醒至满功率模式，并实时记录电机转子转过的圈数，再根据计算公式就可得出方向盘角度。
具体地，当点火钥匙关闭，车辆熄火，转子位置传感器RPS处于低功耗模式，而控制单元及其他模块均处于掉电状态时，EPS系统是不提供转向助力功能的，如果转动方向盘，则会经机械执行单元、减速装置拖动PMSM电机产生的反电动势，反电动势整流电路对产生的反电动势进行整流，整流后的反电动势则会将转子位置传感器从低功耗睡眠状态唤醒来实时测量电机转子角度的变化及Turn计数，再根据计算公式计算方向盘的角度。
具体地，如果点火钥匙重新打开，控制单元会读取转子位置传感器RPS的电机转子位置信息及Turns计数值，再根据计算公式计算车辆熄火状态下方向盘转过的角度。
具体地，转子位置传感器RPS只有处于满功率模式或低功耗模式的唤醒状态时，才会测量电机转子角度的变化以及Turns计数；在低功耗模式中，必须通过唤醒的方式才能使转子位置传感器RPS去记录电机转子角度的变化和Turns计数。由于软件负载率的限制，不能在程序中对Turns的读数过于频繁，因此采用Turns软件同步方法，Turns软件同步方法包括初始化和同步计数两部分。
本发明取得的有益效果是：
1、与传统的EPS控制系统相比较，本发明采用无转角传感器技术简化了EPS控制系统，减少了成本；
2、无转角传感器的EPS控制系统在转子位置传感器RPS低功耗模式的唤醒状态下，实现了无转角传感器软件算法，当车辆熄火时，EPS控制系统的待机功耗低于100微安，实现了低功耗；
3、采用Turns软件同步方法，转子位置传感器RPS不用在程序中频繁地对Turns读数。
附图说明
图1为本发明的控制系统框图；
图2为本发明的转子位置传感器RPS的功耗状态迁移图；
图3为本发明的软件同步方法初始化部分的程序流程图；
图4为本发明的软件同步方法同步计数部分的程序流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个部件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语的具体含义。
一种无转角传感器的EPS控制系统，如图1所示，EPS控制系统包括车载蓄电池、输入部分、控制器部分和输出执行部分；输入部分包括扭矩传感器和点火钥匙，控制器部分包括控制单元、PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、反电动势整流电路、PMSM电机和转子位置传感器RPS，输出执行部分包括减速装置和机械执行单元，机械执行单元的部件包括方向盘、管柱、中间轴和方向机；EPS控制系统的连接关系是：车载蓄电池连接控制单元和转子位置传感器，输入部分连接控制单元，扭矩传感器将扭矩信号传递给控制单元；控制器部分控制单元依次串联PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、PMSM电机、转子位置传感器RPS、控制单元形成一条回路，PWM脉宽调制模块将产生的PWM脉宽调制信号传递给预驱模块，转子位置传感器RPS将电机转子位置信息和Turns计数值传递给控制单元，PMSM电机连接反电动势整流电路再连接转子位置传感器RPS；输出执行部分的减速装置连接PMSM电机和机械执行单元；转子位置传感器RPS有满功率工作和低功耗两种模式，低功耗模式包括睡眠和唤醒两种状态。
一种测量方向盘角度的方法，采用了无转角传感器的EPS控制系统，测量方法的步骤如下：
S1在车辆熄火状态下，转子位置传感器RPS处于低功耗模式时,当外力转动方向盘，使方向盘发生偏转时，转动的方向盘经机械执行单元、减速装置拖动电机产生了反电动势；
S2反电动势经反电动势整流电路达到唤醒阈值，将转子位置传感器RPS唤醒，测量电机转子角度的变化及Turns计数；
S3当车辆点火启动，控制单元将转子位置传感器RPS从低功耗模式直接唤醒至满功率模式，同时读取转子位置传感器RPS的电机转子角度信息和Turns计数值，并通过Turns软件同步的方法，实时跟踪电机转子角度转过的圈数；
S4通过电机转子角度转过的圈数及电机转子角度，经传动比转换得到方向盘角度。
传统的EPS控制系统通过转角传感器实时获取方向盘角度信息。而本系统采用了无转角传感器技术，方向盘角度由电机转子角度经一定的传动比换算过来，其中：
Figure BDA0002672774240000071
式中，传动比是指PMSM电机与方向盘之间的传动比，是个远大于1的常量，由减速装置决定，在本实施例中取值为20.5；电机转子角度范围为0°～360°，由转子位置传感器RPS提供；方向盘转角的范围大约为-720°～+720°。
Turns计数值可以用来指示PMSM电机转子转过的圈数，每当PMSM电机转子转过45°，Turns计数值就会加1。控制单元通过串行外设接口SPI从转子位置传感器RPS获取Turns计数值。
具体地，当点火钥匙打开，车辆点火启动，控制单元被唤醒时，如果转动方向盘，控制单元检测到扭矩传感器产生的扭矩信号，并控制脉宽调制模块产生PWM脉宽调制信号，经预驱模块、驱动桥驱动PMSM电机，再经减速装置、机械执行单元来助力方向盘，这个过程称之为转向助力。在EPS控制系统提供转向助力的同时，控制单元会实时读取转子位置传感器的电机转子位置信息及Turns计数值，再根据上述公式计算方向盘的角度。
具体地，当点火钥匙关闭，车辆熄火，转子位置传感器处于低功耗模式，而控制单元及其他模块均处于掉电状态时，EPS系统是不提供转向助力功能的，如果转动方向盘，转动的方向盘会经机械执行单元、减速装置拖动PMSM电机产生的反电动势，反电动势整流电路对产生的反电动势进行整流，整流后的反电动势将转子位置传感器从低功耗睡眠模式唤醒来实时测量电机转子角度变化及Turns计数值，再根据上述公式计算方向盘的角度。
具体地，如果点火钥匙重新打开，控制单元会读取转子位置传感器的电机转子位置信息及Turns计数值，再根据上述公式计算车辆熄火状态下方向盘转过的角度。
具体地，转子位置传感器RPS只有处于满功率模式或低功耗模式的唤醒状态时，才会去测量电机转子位置信息以及Turns计数值。在低功耗模式中，必须通过唤醒的方式才能测量电机转子角度变化以及Turns计数值。
进一步地，转子位置传感器RPS的低功耗唤醒有两种途径。一方面，转子位置传感器RPS会周期性的自我唤醒来测量电机转子角度变化及Turns计数，这种唤醒方式称之为周期性唤醒；另一方面，如果在车辆熄火处于状态时，人为转动方向盘，PMSM电机则会被拖动，从而产生反电动势，唤醒转子位置传感器来测量电机转子此时的角度变化及Turns计数，这种唤醒方式我们称之为反电动势唤醒。这两种唤醒方式彼此共存，互相补充。
受待机功耗的限制，周期性唤醒的频率不会太高，因此，周期性唤醒适用于电机被低转速拖动的情况。假设周期性唤醒的最大适用转速为R1，则
Figure BDA0002672774240000081
式中，T为转子位置传感器的唤醒周期，可以通过软件配置，本系统的T取值为100毫秒。
电机被拖动的转速越大，产生的反电动势越大，就越容易达到转子位置传感器的唤醒阈值(阈值可配置，本系统的取值为300毫伏)，因此，反电动势唤醒适用于电机的拖动转速不太低的情况。假设反电动势唤醒的最小适用转速为R2，则
Figure BDA0002672774240000091
式中，k为电机的反电动势系数，E为电机反电动势。
因此，周期性唤醒和反电动势唤醒是共存互补的关系，R1、R2的取值要满足R2≤R1的条件，这样才能做到转速区间全覆盖无死角地唤醒转子位置传感器RPS，而且还需要综合考虑待机功耗和电机特性。
具体地，综上，假设RPS的唤醒周期T取值为100毫秒，转子位置传感器RPS唤醒阈值取值为300mV，k由电机特性决定，取值为5.85mV/rpm，
Figure BDA0002672774240000092
Figure BDA0002672774240000093
因此，是符合R2≤R1的条件的。
具体地，图2为转子位置传感器RPS的功耗状态迁移图。转子位置传感器RPS在低功耗模式的唤醒状态下，会检测转子角度变化并进行Turns计数；转子位置传感器RPS在低功耗模式的睡眠状态下，进入休眠不做任何工作；当转子位置传感器RPS打开低功耗配置且与控制单元没有通讯时，就会进入低功耗模式的唤醒状态，当控制单元通过串行外设接口SPI向转子位置传感器RPS发送指令时，会从低功耗的唤醒状态进入到满功率模式；转子位置传感器RPS的周期性唤醒和反电动势唤醒，转子位置传感器RPS会从睡眠状态进入到唤醒状态；当转子位置传感器RPS在唤醒状态检测完转子角度变化和Turns计数后，控制单元没有与转子位置传感器RPS通讯，转子位置传感器RPS则会进入到睡眠状态重新休眠；当控制单元通过串行外设接口SPI发送指令给转子位置传感器RPS时，转子位置传感器RPS会从低功耗的睡眠状态直接进入到满功率模式。
进一步地，由于软件负载率的限制，不能在程序中对Turns计数的读取过于频繁，因此本发明采用Turns软件同步方法，当转子位置传感器RPS处于满功率模式或者低功耗模式的唤醒状态时，电机每转过45°，Turns都会自加或自减，通过Turns就可以计算电机转子转过的圈数，这个Turns是由转子位置传感器RPS自行检测并记录的。
进一步地，Turns变化时对应的电机角度为Turns偏移角常量，Turns偏移角在同一个上电周期内是一个固定的常量，当重新上电或重新标定，这个值就会变化。
进一步地，软件同步方法包含初始化和同步计数两部分，其中，初始化程序流程图如图3所示；同步计数程序在定时中断中执行，软件同步计数程序流程图如图4所示。
本发明采用软件优化算法代替转角传感器，与传统的EPS控制系统相比较简化了控制系统；减低了成本；无转角传感器的EPS控制系统在转子位置传感器RPS低功耗模式的唤醒状态下，实现了无转角传感器软件算法，当车辆熄火时，EPS控制系统的待机功耗低于100微安。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (10)

1.一种无转角传感器的EPS控制系统，其特征在于：所述EPS控制系统包括车载蓄电池、输入部分、控制器部分和输出执行部分；所述输入部分包括扭矩传感器和点火钥匙，所述控制器部分包括控制单元、PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、反电动势整流电路、PMSM电机和转子位置传感器RPS，所述输出执行部分包括减速装置和机械执行单元，所述机械执行单元的部件包括方向盘、管柱、中间轴和方向机；所述EPS控制系统的连接关系是：所述车载蓄电池连接控制单元和转子位置传感器，所述输入部分连接控制单元，所述扭矩传感器将扭矩信号传递给控制单元；所述控制器部分控制单元依次串联PWM脉宽调制模块、预驱模块、驱动桥、PMSM电机、转子位置传感器RPS、控制单元形成一条回路，所述PWM脉宽调制模块将产生的PWM脉宽调制信号传递给预驱模块，所述转子位置传感器RPS将电机转子位置信息和Turns计数值传递给控制单元，所述PMSM电机连接反电动势整流电路再连接转子位置传感器RPS；所述输出执行部分的减速装置连接PMSM电机和机械执行单元；所述转子位置传感器RPS有满功率工作和低功耗两种模式，所述低功耗模式包括睡眠和唤醒两种状态。
2.根据权利要求1所述无转角传感器的EPS控制系统，其特征在于：所述转子位置传感器RPS的低功耗唤醒有周期性唤醒和反电动势唤醒两种途径；所述周期性唤醒是转子位置传感器RPS通过周期性地自我唤醒来测量电机转子角度及Turns计数；所述反电动势唤醒是当车辆处于熄火状态时，人为转动方向盘，PMSM电机被拖动产生反电动势，转子位置传感器RPS唤醒转子位置传感器测量电机转子的角度变化及Turns计数。
3.一种测量方向盘角度的方法，采用了如权利要求1或2所述的无转角传感器的EPS控制系统，所述测量方法的步骤如下：
S1在车辆熄火状态下，转子位置传感器RPS处于低功耗模式时,当外力转动方向盘，使方向盘发生偏转时，转动的方向盘经机械执行单元、减速装置拖动电机产生了反电动势；
S2反电动势经反电动势整流电路达到唤醒阈值，将转子位置传感器RPS唤醒，测量电机转子角度的变化及Turns计数；
S3当车辆点火启动，控制单元将转子位置传感器RPS从低功耗模式直接唤醒至满功率模式，同时读取转子位置传感器RPS的电机转子角度信息和Turns计数值，并通过Turns软件同步的方法，实时跟踪电机转子角度转过的圈数；
S4通过电机转子角度转过的圈数及电机转子角度，经传动比转换得到方向盘角度。
4.根据权利要求3所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：所述控制单元通过串行外设接口SPI获取电机转子角度信息和Turns计数值。
5.根据权利要求3所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：所述Turns计数值是指通过Turns可计算出PMSM电机转子转过的圈数,PMSM电机转子转过45°，Turns计数值就会加1。
6.根据权利要求3所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：采用软件同步的方式来计算Turns软件计数值，即Turns软件同步方法；所述Turns软件同步方法包括初始化和同步计数两部分。
7.根据权利要求3所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：所述方向盘角度由电机转子角度经一定的传动比换算来的；
其中：
Figure FDA0002672774230000031
所述传动比指PMSM电机与方向盘之间的传动比，是个远大于1的常量，由减速装置决定；所述电机转子角度范围为0°～360°，由转子位置传感器RPS提供。
8.根据权利要求7所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：当车辆处于点火启动状态，转子位置传感器RPS被唤醒至满功率模式，并实时记录电机转子转过的圈数，再根据计算公式就可得出方向盘角度。
9.根据权利要求7所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：当车辆处于熄火状态时，转子位置传感器RPS工作在低功耗模式的唤醒状态，PMSM电机每转过45°，Turns都会自加或自减，通过Turns就可以计算电机转子转过的圈数，再根据计算公式就可得出方向盘角度。
10.根据权利要求8或9所述测量方向盘角度的方法，其特征在于：所述转子位置传感器RPS只有处于满功率模式或低功耗模式的唤醒状态时，才会测量电机转子角度的变化以及Turns计数；在低功耗模式中，必须通过唤醒的方式才能使转子位置传感器RPS去记录Turns计数。
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