用于汽车电动助力转向系统的PMSM电机伺服设计

前言

汽车电动助力转向系统(EPS)是近年来得到迅速推广并代表未来主流发展方向的助力转向系统，相比传统的动力转向系统，该系统使驾车者方向感好，行车稳定，同时还具备节能特性，整体提高了汽车的运行性能。本文主要针对EPS系统提出一种以XC164CM作为核心控制芯片同时采用定子磁场定向原理(FOC)实现永磁同步电动机的伺服控制的PMSM电机伺服系统的设计。

 

一、EPS系统结构原理

EPS利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向, 一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及蓄电池电源所构成。汽车在转向时，转矩(转向)传感器会"感觉"到转向盘的力矩和转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。如果不转向，则本套系统就不工作，处于休眠状态。

图1所示为一个典型的电动助力转向系统，其核心是一个电动机变频调速系统。由于永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷、与异步电动机相比，它不需要无功励磁电流，因而功率因数高，体积小，电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、定转子气隙大、控制性能好，是汽车电动助力转向系统的首选。

　　

永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。在要求高精度，高动态性能以及小体积的场合，应用PMSM电机伺服系统具有明显优势。

 

二、硬件设计

本文设计方案经仿真和实验结果表明，该系统具有较快的动态响应和较高的控制精度，完全能够满足电动助力转向系统的要求。特别值得指出的是, XC164CM强大的DSP功能在很短的时间内能完成一系列复杂的运算, 不仅保证了PMSM电机矢量控制的实时性, 同时也保证了EPS系统其他任务的顺利实施。

XC164CM和CAPCOM6E

　　XC164CM是目前广泛使用的C166系列单片机的一种新的派生型，是基于增强型 C166S V2结构的，优于现有的16位解决方案。XC164CM具有很强的 DSP性能和先进的中断处理，加上各种高效灵活的外设和高性能片上Flash，使得它成为工业和汽车应用设备控制的理想选择。其灵活的智能PWM单元CAPCOM6E提供交流电机(AC), 直流无刷电机(BLDC)和开关磁阻电机(SRM)等各类电机的PWM控制。而高速、高分辨和具有同步触发功能的ADC能快速和精确地转换复杂的模拟环境变量。具有自动网关功能的高速TwinCAN模块则能实现高效的网络化的方案。XC164CM封装为P-TQFP-100，框图如图2所示。

　　

　　C166S V2与C166相比有不少优异之处。首先，它采用增强哈佛结构(程序存储器和数据存储器具有各自的多带宽总线)、具有单周期指令集, 在40MHz的CPU时钟时具备40MIPS的指令执行速度。其次, 它不仅有5级指令流水线, 还新增了2级预取指令流水线, 具有无可比拟的程序分支预测判断能力, 从而实现零周期程序跳转。它除了拥有高速硬件乘/除单元外, 还特别集成了单周期乘加器(MAC)单元, 从而具有强劲的DSP功能(含DSP指令集), 使得其运算能力大为提高。配套的DSP函数库能使用户快捷方便地实现各种DSP运算如FIR, IIR, FFT, 等等。C166S V2 还集成了带JTAG接口的片上调试系统(OCDS) 。

　　XC164CM 的智能PWM单元CAPCOM6E如图3所示。它能产生各种类型的PWM波形, 如SPWM, 空间矢量PWM (SVPWM)等。本系统使用SVPWM, 其产生原理如图4所示。8种可能的开关状态形成6种可能的磁场方向(加上两个零矢量), 磁场矢量可以达到六边形(逆变器的运行区域)内的所有点, 而不能超出该六边形。PWM开关频率为20KHz。

　　

　　其时间计算公式(30o)为：

　　

　　磁场定向(FOC) 控制及其实现

　　为建立永磁同步电动机的转子轴(d, q轴)数学模型，作如下假定：

　　·忽略电机铁心的饱和；

　　·不计电机的涡流和磁滞损耗；

　　·转子没有阻尼绕组。

　　在上述假定下，以转子参考坐标(轴)表示的电机电压方程如下：