基于XC164CM的汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統

前言

　　近年來(lái), 動(dòng)力轉向系統已成為一些轎車(chē)的標準設置，全世界約有一半的轎車(chē)采用動(dòng)力轉向。隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，目前一些轎車(chē)已經(jīng)使用電動(dòng)助力轉向系統(EPS)，使汽車(chē)的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和機動(dòng)性都有所提高。EPS利用電動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車(chē)者進(jìn)行動(dòng)力轉向, 一般是由轉矩(轉向)傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機、減速器、機械轉向器、以及蓄電池電源所構成。汽車(chē)在轉向時(shí)，轉矩(轉向)傳感器會(huì )感覺(jué)到轉向盤(pán)的力矩和轉動(dòng)的方向，這些信號會(huì )通過(guò)數據總線(xiàn)發(fā)給電子控制單元，電控單元會(huì )根據傳動(dòng)力矩、擬轉的方向等數據信號，向電動(dòng)機控制器發(fā)出動(dòng)作指令，從而電動(dòng)機就會(huì )根據具體的需要輸出相應大小的轉動(dòng)力矩，從而產(chǎn)生了助力轉向。如果不轉向，則本套系統就不工作，處于休眠狀態(tài)。由于電動(dòng)助力轉向的工作特性，駕車(chē)者會(huì )覺(jué)得方向感更好，高速時(shí)更穩不發(fā)飄。又由于它不轉向時(shí)不工作，而且只需電力不用液壓，與傳統動(dòng)力轉向系統在各種行駛條件下均可節能80%左右，提高了汽車(chē)的運行性能。在近年得到迅速的推廣，也是今后助力轉向系統的發(fā)展方向。

　　圖1所示為一個(gè)典型的電動(dòng)助力轉向系統，其核心是一個(gè)電動(dòng)機變頻調速系統。由于永磁同步電動(dòng)機(PMSM)具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點(diǎn)，和直流電機相比，它沒(méi)有機械換向器和電刷、與異步電動(dòng)機相比，它不需要無(wú)功勵磁電流，因而功率因數高，體積小，電流和定子電阻損耗小，且轉子參數可測、定轉子氣隙大、控制性能好，是汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統的首選。

永磁同步電動(dòng)機的矢量控制一般通過(guò)檢測或估計電機轉子磁通的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同，這樣通過(guò)檢測轉子的實(shí)際位置就可以得知電機轉子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡(jiǎn)化。在要求高精度，高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場(chǎng)合，應用PMSM電機伺服系統具有明顯優(yōu)勢。本文即專(zhuān)門(mén)討論一種用于EPS系統的PMSM電機伺服系統的設計。該系統使用XC164CM作為EPS系統的核心控制芯片，同時(shí)采用定子磁場(chǎng)定向原理(FOC)實(shí)現永磁同步電動(dòng)機的伺服控制。實(shí)驗結果證明，該系統設計合理，性能可靠，非常具有針對性。

　　XC164CM和CAPCOM6E

　　XC164CM是目前廣泛使用的C166系列單片機的一種新的派生型，是基于增強型 C166S V2結構的，優(yōu)于現有的16位解決方案。XC164CM具有很強的 DSP性能和先進(jìn)的中斷處理，加上各種高效靈活的外設和高性能片上Flash，使得它成為工業(yè)和汽車(chē)應用設備控制的理想選擇。其靈活的智能PWM單元CAPCOM6E提供交流電機(AC), 直流無(wú)刷電機(BLDC)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(SRM)等各類(lèi)電機的PWM控制。而高速、高分辨和具有同步觸發(fā)功能的ADC能快速和精確地轉換復雜的模擬環(huán)境變量。具有自動(dòng)網(wǎng)關(guān)功能的高速TwinCAN模塊則能實(shí)現高效的網(wǎng)絡(luò )化的方案。XC164CM封裝為P-TQFP-100，框圖如圖2所示。

C166S V2與C166相比有不少優(yōu)異之處。首先，它采用增強哈佛結構(程序存儲器和數據存儲器具有各自的多帶寬總線(xiàn))、具有單周期指令集, 在40MHz的CPU時(shí)鐘時(shí)具備40MIPS的指令執行速度。其次, 它不僅有5級指令流水線(xiàn), 還新增了2級預取指令流水線(xiàn), 具有無(wú)可比擬的程序分支預測判斷能力, 從而實(shí)現零周期程序跳轉。它除了擁有高速硬件乘/除單元外, 還特別集成了單周期乘加器(MAC)單元, 從而具有強勁的DSP功能(含DSP指令集), 使得其運算能力大為提高。配套的DSP函數庫能使用戶(hù)快捷方便地實(shí)現各種DSP運算如FIR, IIR, FFT, 等等。C166S V2 還集成了帶JTAG接口的片上調試系統(OCDS) 。

　　XC164CM 的智能PWM單元CAPCOM6E如圖3所示。它能產(chǎn)生各種類(lèi)型的PWM波形, 如SPWM, 空間矢量PWM (SVPWM)等。本系統使用SVPWM, 其產(chǎn)生原理如圖4所示。8種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)形成6種可能的磁場(chǎng)方向(加上兩個(gè)零矢量), 磁場(chǎng)矢量可以達到六邊形(逆變器的運行區域)內的所有點(diǎn), 而不能超出該六邊形。PWM開(kāi)關(guān)頻率為20KHz。

其時(shí)間計算公式(30o)為：

磁場(chǎng)定向(FOC) 控制及其實(shí)現

　　為建立永磁同步電動(dòng)機的轉子軸(d, q軸)數學(xué)模型，作如下假定：

　　?忽略電機鐵心的飽和；

　　?不計電機的渦流和磁滯損耗；

　　?轉子沒(méi)有阻尼繞組。

　　在上述假定下，以轉子參考坐標(軸)表示的電機電壓方程如下：

　　定子電壓方程

式中：ud，uq為d，q軸電壓； id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感； Rs為定子電阻； we為轉子電角速度； yf為轉子勵磁磁場(chǎng)鏈過(guò)定子繞組的磁鏈； p為微分算子； Pn為電機極對數； wm為轉子機械轉速； J為轉動(dòng)慣量； TL為負載轉矩。
上述方程是通過(guò)a，b，c坐標系到d，q轉子坐標系的變換得到的。這里取轉子軸為d軸，q軸順著(zhù)旋轉方向超前d軸90o電角度。其坐標變換如下：

　　克拉克(CLARKE)變換

從轉子坐標來(lái)看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵磁電流id。因此，矢量控制中通常使id=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉矩。此時(shí)，式(5)的電機轉矩表達式為

由式(11)看出，Pn及yf都是電機內部參數，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值。從上面d, q軸的分析可知，iq的方向可以通過(guò)檢測轉子軸來(lái)確定。從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡(jiǎn)化。整個(gè)PMSM電機的磁場(chǎng)定向控制(FOC)如圖5所示。