一種無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器及控制方法
2023-06-01 10:45:51 1
專利名稱：一種無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器及控制方法
技術領域：
本發明屬於汽車電動助力轉向系統領域，具體涉及一種無刷電機助力式電動助 力轉向控制器。
背景技術：
與傳統的汽車液壓轉向系統相比，電動助力轉向系統可以很好地解決轉向輕便 性和路感之間的矛盾，因此電動助力轉向系統已成為汽車轉向系統發展的必然趨勢。有刷直流電機和無刷直流電機已成熟應用在電動助力轉向系統中，但有刷直流 電機中的碳刷和整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉，影響了電機及電動助力轉向系 統的可靠性和穩定性。無刷直流直流電機具有體積小、功率密度大、低速轉矩大、調速 範圍寬、動態響應好等優點，但目前在無刷直流電機助力式電動助力轉向系統中，無刷 直流電機的換相邏輯是由微處理器控制的，這樣使得控制程序更加複雜，而且增加了微 處理器的負擔，削弱了控制器的實時性；如果出現控制程序「亂跑」的現象，那麼無刷 直流電機就會失去換相邏輯控制，出現停步或失步的情況，導致汽車危險的發生。
發明內容
本發明的目的是為克服現有電動助力轉向控制器控制無刷直流電機工作的不足 而提出一種能提高控制實時性和滿足安全性的新型無刷直流電機助力式電動助力轉向控 制器及控制方法，控制器在不同工況下發出指令控制集成晶片驅動無刷直流電機輸出相 應的轉矩。
本發明控制器採用的技術方案是包括一個ARM7LPC2131微處理器，微處理器前 端串接信號採集及處理模塊、後端串接MC33034P120驅動集成晶片，驅動集成晶片的 輸入連接無刷直流電機轉子位置傳感器的輸出、輸出連接功率橋；功率橋的輸出分別連 接無刷直流電機和電流反饋及保護模塊；驅動集成晶片和功率橋的上半橋之間串接升壓 泵；電流反饋及保護模塊連接反饋電流信號處理模塊，反饋電流信號處理模塊的輸出串 接於微處理器和驅動集成晶片之間形成閉環控制迴路。本發明控制方法是具有如下步驟1)微處理器上電後根據轉向盤轉矩信號、轉 角信號和車速信號判別出汽車行駛工況；2)當需無刷直流電機提供轉向助力時，微處理 器的通用輸入輸出埠 P0.1和P0.3分別為低電平和高電平，P0.2根據轉矩的方向輸出高 電平或低電平，脈寬調製埠 PWMl輸出隨轉向盤轉矩變化佔空比的脈寬調製波；3) 當轉向盤低速回正時，微處理器輸出較小佔空比的脈寬調製波，通用輸入輸出埠 P0.2 為低電平控制驅動集成晶片使無刷直流電機反向運轉；4)高速回正時加入阻尼控制，脈 寬調製埠 PWMl輸出隨車速變化佔空比變化的脈寬調製波，通用輸入輸出埠 P0.1輸 出高電平使功率橋的上橋臂斷開、下橋臂閉合，無刷直流電機三相繞組短接產生阻尼。本發明的有益效果是採用驅動集成晶片MC33034P120實現無刷直流電機的換 相，減輕了微處理器的負擔，使微處理器有更多的時間運算其他程序，因此增強了控制的實時性；而且避免了控制器程序「亂跑」而造成無刷電機停步或失步的情況，提高了 電機驅動的安全性。微處理器能根據輸入信號判別車輛行駛工況，發出指令給驅動集成 晶片，完成無刷直流電機調速、調轉矩、正反轉以及制動產生阻尼等控制，實現汽車助 力控制、回正控制、阻尼控制。此控制器實時性和可靠性高，同時降低了系統開發的周 期和複雜性，適應汽車產品安全、節能、環保的要求。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明
圖1是本發明控制器的結構示意圖2是本發明控制方法流程圖1中1.信號採集及處理模塊；2.微處理器；3.驅動集成晶片；4.功率橋；5.無 刷直流電機；6.繼電器；7.升壓泵；8.反饋電流信號處理模塊；9.電流反饋及保護模 塊；10.無刷直流電機轉子位置傳感器；
圖2中θ s為轉向盤轉角；Th為轉向盤操縱力矩；Ttl為開始提供助力時轉向盤操 縱力矩；ν為車速，vQ=40km/h。
具體實施例方式參見圖1，本發明無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器包括一個 ARM7LPC2131微處理器2，在微處理器2前端串接信號採集及處理模塊1，微處理器2的 後端串接MC33034P120驅動集成晶片3。驅動集成晶片3是專用於有位置傳感器的無刷 直流電機的集成電路模塊，具有防上下功率管直通和超前導通的功能，包括轉子位置譯 碼器、誤差放大器、脈寬調製比較器、過流欠壓保護電路和上、下橋臂驅動器等。驅動 集成晶片3的輸入連接無刷直流電機轉子位置傳感器10的輸出。驅動集成晶片3的輸出 連接功率橋4，作為功率橋4的驅動模塊。功率橋4的輸出分別連接無刷直流電機5和電 流反饋及保護模塊9。在驅動集成晶片3和功率橋4的上半橋之間串接升壓泵7，以提升 上半橋的柵極電壓。功率橋4的供電電源是12V，在功率橋4和功率橋供電電源之間連 接繼電器6，當微處理器2檢測到故障時可通過繼電器6切斷功率橋4的電源供應。功率橋4通過電流反饋及保護模塊9連接反饋電流信號處理模塊8，反饋電流信 號處理模塊8的輸出串接在微處理器2和驅動集成晶片3之間，形成本發明控制器內部的 閉環控制迴路。汽車的轉矩傳感器的轉矩信號、發動機轉速信號、車速傳感器的車速信號、轉 角信號分別輸至信號採集及處理模塊1，信號採集及處理模塊1將採集的上述各信號經過 濾波、整形、電平轉換等處理後分別送到微處理器2的模數轉換埠 AD0.4、捕獲埠 CAP0.1和CAP0.2、通用輸入輸出埠 P0.5。微處理器2的脈寬調製埠 PWM1、通用 輸入輸出埠 P0.1 P0.4、模數轉換埠 AD0.5分別連接驅動集成晶片3的轉速轉矩調節 埠 PWM、制動埠 Break、電機正反轉控制埠 Fwd/Rev、使能埠 OE、故障輸出端 口 Fi 、過流保護埠 ISEN。微處理器2的脈寬調製埠 PWMl、通用輸入輸出埠 P0.1 P0.3輸出信號給驅動集成晶片3，通用輸入輸出埠 P0.4接收來自驅動集成晶片3 的故障輸出埠 Fi 的信號。
微處理器2的脈寬調製埠 PWMl輸出一定佔空比的脈寬調製波控制電機的速 度和力矩，通用輸入輸出埠 P0.1為高電平時電機制動、P0.2為高電平時電機正轉、 P0.3為高電平時電機使能運行，反之則停止。系統故障時驅動集成晶片3停止工作，故 障輸出埠 Fi 輸出低電平告知微處理器2發生故障。反饋電流信號處理模塊8的輸出串接在微處理器2的模數轉換埠 AD0.5和驅動 集成晶片3的過流保護埠 ISEN之間，模數轉換埠 AD0.5和過流保護埠 ISEN都接 收來自反饋電流信號處理模塊8的電流信號。模數轉換埠 AD0.5採集電流信號是構成 閉環控制。過流保護埠 ISEN接收電流信號是為了在過流時及時切斷驅動集成晶片3給 功率橋4的驅動信號，從而保護功率橋4和無刷直流電機5。反饋電流信號處理模塊8是 RC濾波網絡，作用是濾除功率橋4換相時產生的高頻脈衝防止過流保護誤判。電流反饋 及保護模塊9是阻值在20毫歐左右的大功率電阻，通過檢測電阻上的電壓就可以得到反 饋電流。驅動集成晶片3的SA、SB、SC埠是接收無刷電機轉子信號埠，分別接收 來自無刷直流電機轉子位置傳感器10的Hall A、HallB, Hall C信號，控制無刷直流電機 換相。驅動集成晶片3的驅動功率橋上半橋輸出埠 BT、AT、CT連接升壓泵7，經升 壓泵7後輸出功率橋上半橋驅動信號至功率橋4，驅動功率橋下半橋輸出埠 AB、BB、 CB直接輸出功率橋下半橋驅動信號至功率橋4。功率橋4由三組半橋構成，功率管是性 能優良的N溝道MOSFET，由於N溝道MOSFET要完全打開需要在柵源間施加8-10V電 壓，所以在上半橋驅動信號和上半橋之間增加升壓泵7，以提升上半橋的柵極電壓。本發明控制器在工作時，由微處理器2根據轉向盤轉矩、轉角信號和車速信號 判別出車輛行駛工況，通過其脈寬調製埠 PWM1、通用輸入輸出埠 P0.1 0.3輸出相 應信號控制驅動集成晶片3，控制無刷直流電機5的方向和扭矩以驅動無刷直流電機5， 當需要無刷直流電機5提供轉向助力時，微處理器2的埠 P0.1和P0.3分別為低電平和高 電平，P0.2根據轉矩的方向輸出高電平或低電平，PWMl輸出隨方向盤轉矩變化佔空比 變化的脈寬調製波；當轉向盤低速回正時，微處理器2輸出較小佔空比的脈寬調製波， P0.2為低電平控制驅動集成晶片3使無刷直流電機5反向運轉，幫助汽車回正。高速回 正時，要加入阻尼控制；當需要無刷直流電機5施加轉向阻尼時，埠 PWMl輸出隨車 速變化佔空比變化的脈寬調製波，埠 P0.1輸出高電平使功率橋4的上橋臂斷開、下橋 臂閉合，從而電機三相繞組短接產生阻尼，從而實現轉向助力控制、回正控制和阻尼控 制。參見圖2，微處理器2上電後對各埠寄存器進行初始化，接收到轉矩、轉角中 斷信號後對轉矩和轉角信號進行處理，結果存入指定寄存器。接收到車速中斷信號後對 車速信號進行處理，結果也存入指定寄存器。微處理器2每隔一定時間讀取轉矩、轉角 和車速寄存器的值，根據這三個信號判別汽車行駛工況。轉向盤轉角θ s的情況判別，當、~>(3時，微處理器2判別為轉向助力狀態，
根據轉矩信號、車速信號和助力特性運用常規的算法運算出目標電流，與反饋電流的PID 運算結果調節脈寬調製波的佔空比，通過埠 PWMl輸出給驅動集成晶片3，調節無刷 直流電機5的電樞電壓和輸出轉矩。微處理器2的埠 P0.1和P0.3分別為低電平和高電 平，埠 P0.2根據轉矩的轉角的方向輸入高電平或低電平。
當 ^ Ο且& SI0時，Th為轉向盤操縱力矩；Ttl為開始提供助力時轉向盤操縱
力矩；微處理器2判別為阻尼狀態。阻尼控制室為防止汽車高速直線行駛時路面衝擊造 成方向盤的振動以及高速回正時回正超調，這種情況下微處理器2的Ρ0.1埠輸出高電 平使功率橋4的上橋臂斷開、下橋臂閉合，從而無刷直流電機5三相繞組短接產生阻尼； PWMl埠可根據不同車速輸出不同佔空比的脈寬調製波以達到保持高速直線行駛和高 速回正所需要的阻尼。當且時，ν為車速，V(1=40km/h;微處理器2判別為低速
回正狀態。由於定位角的存在，汽車自身具有回正能力，但是低速時，回正力矩偏小不 能使汽車回正，需要施加主動回正才能使轉向輪迴到中位。此時驅動集成晶片3正常工 作，但輸出極小佔空比的脈寬調製波，並且無刷直流電機5向使車輪迴正的方向旋轉。當且ν>ν[)時，微處理器2判別為高速回正狀態，由於汽車高速 時，回正力矩過大會使汽車回正超調，這時需要加入阻尼控制。在上述三種控制狀態下，都需將微處理器2運算出的目標電流和反饋電流進行 PID運算，使無刷直流電機5實際電流能及時的跟蹤目標電流，達到控制精準的目標。
權利要求
1.一種無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器，包括一個ARM7LPC2131微處理 器(2)，其特徵是微處理器(2)前端串接信號採集及處理模塊(1)、後端串接 MC33034P120驅動集成晶片(3)，驅動集成晶片(3)的輸入連接無刷直流電機轉子位 置傳感器(10)的輸出、輸出連接功率橋(4)；功率橋(4)的輸出分別連接無刷直流 電機(5)和電流反饋及保護模塊(9)；驅動集成晶片(3)和功率橋(4)的上半橋 之間串接升壓泵(7)；電流反饋及保護模塊(9)連接反饋電流信號處理模塊(8)， 反饋電流信號處理模塊(8)的輸出串接於微處理器(2)和驅動集成晶片(3)之間形 成閉環控制迴路。
2.根據權利要求1所述的控制器，其特徵是微處理器(2)的脈寬調製埠 PWMU通用輸入輸出埠 P0.1 P0.4、模數轉換埠 AD0.5分別連接驅動集成晶片(3) 的轉速轉矩調節埠 PWM、制動埠 Break、電機正反轉控制埠 Fwd/Rev、使能埠 OE、故障輸出埠 Fi 、過流保護埠 ISEN。
3.根據權利要求1所述的控制器，其特徵是驅動集成晶片(3)包括有轉子位置譯 碼器、誤差放大器、脈寬調製比較器、過流欠壓保護電路和上和下橋臂驅動器。
4.一種無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器的控制方法，其特徵是具有如下步驟1)微處理器(2)上電後根據轉向盤轉矩信號、轉角信號和車速信號判別出汽車行 駛工況；2)當需無刷直流電機(5)提供轉向助力時，微處理器(2)的通用輸入輸出埠 P0.1和P0.3分別為低電平和高電平，P0.2根據轉矩的方向輸出高電平或低電平，脈寬調 制埠 PWMl輸出隨轉向盤轉矩變化佔空比的脈寬調製波；3)當轉向盤低速回正時，微處理器(2)輸出較小佔空比的脈寬調製波，通用輸入 輸出埠 P0.2為低電平控制驅動集成晶片(3)使無刷直流電機(5)反向運轉；4)高速回正時加入阻尼控制，脈寬調製埠PWMl輸出隨車速變化佔空比變化的脈 寬調製波，通用輸入輸出埠 P0.1輸出高電平使功率橋(4)的上橋臂斷開、下橋臂閉 合，無刷直流電機(5)三相繞組短接產生阻尼。
5.根據權利要求4所述的控制方法，其特徵是步驟1)中微處理器(2)判別汽車行駛工況的方法是當、 >0時是轉向助力狀態，當^仙且時是阻尼狀態；當 0, &卜氣且^玄巧時是低速回正狀態；當-|&|>10且」>1；(]時是高速回正狀態；θ 8為轉向盤轉角，Th為轉向盤操縱力矩，Ttl為開始提供助力時轉向盤操縱力矩， ν 為車速，v0=40km/h。
全文摘要
本發明公開一種汽車無刷直流電機助力式電動助力轉向控制器及控制方法，微處理器後端串接MC33034P120驅動集成晶片，驅動集成晶片的輸出連接功率橋；功率橋的輸出分別連接無刷直流電機和電流反饋及保護模塊；電流反饋及保護模塊連接反饋電流信號處理模塊，反饋電流信號處理模塊的輸出串接於微處理器和驅動集成晶片之間形成閉環控制迴路；微處理器根據轉向盤轉矩、轉角信號和車速信號判別出汽車行駛工況，控制驅動集成晶片驅動無刷直流電機實現汽車助力控制、回正控制和阻尼控制；本發明採用驅動集成晶片實現無刷直流電機的換相，減輕微處理器負擔，增強了控制實時性；避免電機停步或失步，提高了電機驅動的安全性。
文檔編號B62D101/00GK102009688SQ20101059231
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者唐斌, 江浩斌 申請人:江蘇大學