CN111497929B - 一种汽车eps转向***无位置传感器控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开汽车控制领域中的一种汽车EPS转向***无位置传感器控制器,由EPS状态反馈控制器、带通滤波器、标幺化模块、离散角度判断模块、低通滤波器、两相高频电压计算模块、2s/2r坐标变换模块、3s/2s坐标变换模块、角度初始化模块和低通滤波器组成,EPS状态反馈控制器与两相高频电压计算模块并联后连接EPS转向***的输入端,EPS转向***输出端与3s/2s坐标变换模块串联,3s/2s坐标变换模块输出端与第二低通滤波器、2r/2s坐标变换模块、EPS状态反馈控制器依次串联形成局部闭环控制,通过离散角度判断模块,实现对电机位置角度的精度估算,避免***延迟、抖振等缺陷,通过EPS状态反馈控制器替代传统的串联闭环控制***,提高***的控制精度。
Description
技术领域
本发明属于汽车控制领域,特别涉及汽车的EPS转向***无位置传感器控制器,适用于对汽车EPS转向***进行控制。
背景技术
随着汽车电子技术以及控制技术的不断创新发展,汽车转向助力***从传统的纯机械式转向***到逐渐发展及完善的液压助力转向***再到后来的新型电控液压助力转向***,而现如今大范围推广使用的是电动助力转向***,即EPS***。EPS***采用的是助力电机提供转向助力,其助力的大小由电控***直接进行控制。这种用电机控制助力的方法与以前的液压助力转***相比,电动助力转向***可以节约能源,并且十分环保。
EPS***的动力源是靠助力电机来提供的,其结构主要包括了转矩传感器、助力电机、减速机构以及电机电子控制单元。它取消了液压***,独立于发动机工作,降低了能量消耗;EPS***只采用机械连接和电信号控制,效率较高,有利于底盘集成控制;由于直流电机具备良好的启动和调速性能,使其广泛运用于EPS***,但是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花,形成一个无线电干扰源,使直流电机故障多、可靠性低。而目前永磁同步电机因具有体积小、效率高、功率因素高等诸多优点,已发展为替代EPS***直流电机的新型转向电机,即EPS永磁同步电机。
EPS***作为力矩伺服***,需要快速准确响应的电机助力矩,同时对力矩的脉动非常敏感,因此电机的稳定可靠运行依赖于电机控制技术。在实际的工业控制***尤其是高性能的调速场合,位置传感器是重要的采集转子位置信号的元件,但是在高低温、潮湿等环境下可能发生故障导致传感器精度降低甚至损坏,这将影响电机运行稳定性和可控性。同时安装的位置传感器会增加驱动***的成本以及驱动***的体积和复杂性。因此,电机无位置传感器的控制研究是非常必要的。
传统无位置传感器控制方法是通过高频信号注入,在位置传感控制中采用外差解调技术,由于外差解调存在惯性环节,因此转子位置信号的估算存在延迟,这将直接影响电机的调速性能。
发明内容
本发明的目的是针对EPS永磁同步电机现有无位置传感器控制方案的缺陷,提供一种能有效提高电机无位置传感器控制精度,特别是瞬态工况下高性能控制的汽车EPS转向***无位置传感器控制器。
本发明一种汽车EPS转向***无位置传感器控制器采用的技术方案是:其由EPS状态反馈控制器、带通滤波器、标幺化模块、离散角度判断模块、低通滤波器、两相高频电压计算模块、2s/2r坐标变换模块、3s/2s坐标变换模块、角度初始化模块和低通滤波器组成,EPS状态反馈控制器的第一个输入为参考角度θref、第二个输入为2s/2r坐标变换模块输出的两相旋转坐标系下的基波电流idq(k)、第三个输入为第一低通滤波器输出的最终估计角度θ(k),EPS状态反馈控制器输出的是控制电压uαβ(k);两相高频电压计算模块的输入是高频电压Vin和角频率ωin、输出是两相静止坐标系下的高频注入电压所述的控制电压uαβ(k)和高频注入电压作为EPS转向***的两个输入,EPS转向***输出三相电流Iabc(k)至3s/2s坐标变换模块,3s/2s坐标变换模块输出两相静止坐标系下的电流Iαβ(k)分别至带通滤波器和第二低通滤波器,带通滤波器输出两相静止坐标系下的高频电流至标幺化模块,第二低通滤波器输出两相静止坐标系下的基波电流iαβ(k)至2s/2r坐标变换模块,2s/2r坐标变换模块输出两相旋转坐标系下的基波电流idq(k);标幺化模块输出标幺化参数Kαβ(k)至离散角度判断模块,作为离散角度判断模块的第一个输入,离散角度判断模块的第二个输入为所述的角频率ωin,离散角度判断模块输出初步估计角度至第一低通滤波器,第一低通滤波器输出最终估计角度θ(k)分别至角度初始化模块、2s/2r坐标变换模块和EPS状态反馈控制器,角度初始化模块输出作为离散角度判断模块的第三个输入的3个初始化角度θ1,θ2,θ3。
本发明的有益效果是:
1、本发明通过离散角度判断模块,实现对电机位置角度的精度估算,从而实现EPS转向***的无位置传感器控制,克服了传统控制中安装位置传感器造成成本增加以及驱动***复杂等缺点。与传统的无位置传感器控制器相比,高效直接,避免了***延迟、抖振等缺陷,实现了高精度的EPS转向***无位置传感器控制。
2、本发明通过EPS状态反馈控制器替代传统的串联闭环控制***,避免了串联闭环***的缺陷,提高***的控制精度。
3、本发明所需控制变量和输入变量均为易测变量,且只需通过模块化软件编程便能够实现该控制器的控制算法,有利于工程实现。
附图说明
图1是本发明的结构框图;
图2是图1中EPS转向***2的结构框图;
图3是图1中EPS状态反馈控制器1的结构框图;
图中:1.EPS状态反馈控制器;2.EPS转向***;3.带通滤波器;4.标幺化模块;5.离散角度判断模块;6.第一低通滤波器;7.两相高频电压计算模块;8.3s/2r坐标变换模块;9.3s/2s坐标变换模块;10.角度初始化模块;12.2r/2s坐标变换模块;13.反馈电压控制器;21.空间电压矢量调制模块;22.电压源逆变器;23.永磁同步电机;24.减速机构。
具体实施方式
如图1所示,本发明由EPS状态反馈控制器1、带通滤波器3、标幺化模块4、离散角度判断模块5、第一低通滤波器6、两相高频电压计算模块7、2s/2r坐标变换模块8、3s/2s坐标变换模块9、角度初始化模块10和第二低通滤波器11组成。
其中,EPS状态反馈控制器1的输出端连接EPS转向***2的第一个输入端,两相高频电压计算模块7的输出端连接EPS转向***2的第二个输入端。EPS转向***2的输出端连接3s/2s坐标变换模块9的输入端,3s/2s坐标变换模块9的输出端分两路,一路依次串接第二低通滤波器11、2s/2r坐标变换模块8和EPS状态反馈控制器1,另一路依次串接带通滤波器3、标幺化模块4、离散角度判断模块5、第一低通滤波器6。第一低通滤波器6的输出端分别连接角度初始化模块10、2s/2r坐标变换模块8和EPS状态反馈控制器1。角度初始化模块10的输出端连接离散角度判断模块5。
EPS状态反馈控制器1有三个输入,第一个输入为参考角度θref;第二个输入为2s/2r坐标变换模块8输出的两相旋转坐标系下的基波电流idq(k),k为离散样本采样指数,且);第三个输入为第一低通滤波器6输出的最终估计角度θ(k)。
EPS状态反馈控制器1对三个输出值进行处理,输出控制电压uαβ(k),该控制电压uαβ(k)是EPS转向***2的第一个输入。
EPS转向***2以控制电压uαβ(k)和高频注入电压作为输入,输出三相电流Iabc(k),该三相电流Iabc(k)输出到3s/2s坐标变换模块9中。3s/2s坐标变换模块9将三相电流Iabc(k)变换为两相静止坐标系下的电流Iαβ(k),分别经过带通滤波器3和第二低通滤波器11,带通滤波器3输出两相静止坐标系下的高频电流第二低通滤波器11输出两相静止坐标系下的基波电流iαβ(k)。2s/2r坐标变换模块8将基波电流iαβ(k)变换为两相旋转坐标系下的基波电流idq(k),并输入到EPS状态反馈控制器1中,作为EPS状态反馈控制器1的第二个输入。
高频电流输入标幺化模块4中,标幺化模块4对高频电流进行标幺化处理,得到标幺化参数Kαβ(k),并输入至离散角度判断模块5中,作为离散角度判断模块5的第一个输入。离散角度判断模块5的第二个输入为高频电压的角频率ωin,第三个输入为角度初始化模块10输出的初始化角度θ1,θ2,θ3,离散角度判断模块5输出的是初步估计角度初步估计角度经过第一低通滤波器6,第一低通滤波器6输出最终估计角度θ(k)。最终估计角度θ(k)作为角度初始化模块10的输入,角度初始化模块10输出初始化角度θ1,θ2,θ3,该初始化角度θ1,θ2,θ3作为离散角度判断模块5的第三个输入。
如图2所示,EPS转向***2由依次串接的空间电压矢量调制模块21、电压源逆变器22、永磁同步电机23和减速机构24组成。EPS转向***2以两相静止坐标系下的控制电压uαβ(k)和高频注入电压作为输入,输出为三相电流Iabc(k)。空间电压矢量调制模块21以控制电压uαβ(k)与高频注入电压之和作为输入,输出开关脉冲信号Ta、Tb、Tc,电压源逆变器22以开关脉冲信号Ta、Tb、Tc作为输入,输出三相电流Iabc(k),永磁同步电机23以三相电流Iabc(k)为输入,输出力矩Te给减速机构24。
如图3所示,EPS状态反馈控制器1由2r/2s坐标变换模块12和反馈电压控制器13组成。两相旋转坐标系下的电流idq(k)和参考角度θref及估计角度θ(k)一并作为反馈电压控制器13的输入,反馈电压控制器13输出两相旋转坐标系下的控制电压udq(k),该控制电压udq(k)作为2r/2s坐标变换模块12的第一个输入,2r/2s坐标变换模块12的第二个输入是估计角度θ(k),经2r/2s坐标变换模块12的坐标变换后输出两相静止坐标系下的控制电压uαβ(k),该控制电压uαβ(k)是EPS状态反馈控制器1的输出。
其中,反馈电压控制器12的表达式为:
式中,X=[id(k),iq k(k),θ(k),Eθ]T,为***的状态变量矩阵。id(k),iq(k)为同步旋转坐标系下的电流,为转速误差的积分,k为离散采样指数,T为采样周期。P为2×4的反馈电压控制器12的增益系数矩阵,根据EPS转向***2的实际参数和工作情况,反馈电压控制器1的增益系数矩阵为:
式中,k为离散采样指数,T为采样周期。
EPS转向***2输出的三相电流Iabc(k)经过3s/2s坐标变换模块9变换为两相静止坐标系下的电流Iαβ(k),分别经过带通滤波器3和第二低通滤波器11输出两相静止坐标系下的高频电流和基波电流iαβ(k)。
所述的角度初始化模块10输入为估计角度θ(k),输出为3个初始化角度θ1,θ2,θ3。角度初始化模块10首先对估计角度θ(k)进行延迟处理,得到上个周期的估计角度θ(k-1),根据估计角度θ(k-1)计算3个初始化角度θ1,θ2,θ3,分别为:
(1)将3个初始化角度θ1,θ2,θ3分别记为3个迭代角度θ′1,θ′2,θ′3,并设置迭代终止系数λ;
(2)分别将迭代角度θ′1,θ′2,θ′3结合标幺化参数Kαβ(k)、角频率ωin以及采样周期T计算出3个成本函数Q1,Q2,Q3,成本函数计算公式如下:
若估计的转子角度完全精确,则对应的成本函数值Q1,Q2,Q3为0,因此成本函数值的大小表现转子位置信号的精度。
(3)将迭代角度θ′1,θ′2,θ′3对应的3个成本函数值Q1,Q2,Q3进行比较,取其中最小的成本函数值对应的迭代角度为最优角度θop。
(4)令θ′1=θop,θ′2=θop+2π/3·2-n,θ′3=θop-2π/3·2-n,其中n为当前迭代次数。
(5)若(θ′2-θ′1)<λ,则终止迭代,否则返回步骤(2)。
如图1,本发明将EPS状态反馈控制器1与两相高频电压计算模块7并联后连接EPS转向***2的输入端,EPS转向***2输出端与3s/2s坐标变换模块9串联,3s/2s坐标变换模块9输出端与第二低通滤波器11、2r/2s坐标变换模块8、EPS状态反馈控制器1依次串联形成局部闭环控制,同时与带通滤波器3、标幺化模块4、离散角度判断模块5、第一低通滤波器6串联最终构成EPS转向***无位置传感器控制器,从而实现EPS转向***的无位置传感器控制。通过EPS状态反馈控制器1替代传统的串联闭环控制***,从而避免了串联闭环***的缺陷,提高***的控制精度。两相高频电压计算模块7通过引入高频电压实现永磁同步电机低速控制。标幺化模块4消除电机参数变化对控制带来的不良影响。本发明克服传统控制方法中安装位置传感器造成成本增加以及驱动***复杂等缺点,避免传统无位置传感器控制锁相环技术造成的控制延迟。通过离散角度迭代优化提升角度估算精度,***延迟、抖振等缺陷。同时EPS状态反馈控制器替代传统的串联闭环控制,控制精度的提高和控制结构的改善实现了高精度的EPS转向***无位置传感器控制。
Claims (7)
1.一种汽车EPS转向***无位置传感器控制器,其特征是:由EPS状态反馈控制器(1)、带通滤波器(3)、标幺化模块(4)、离散角度判断模块(5)、第一低通滤波器(6)、两相高频电压计算模块(7)、2s/2r坐标变换模块(8)、3s/2s坐标变换模块(9)、角度初始化模块(10)和第二低通滤波器(11)组成,EPS状态反馈控制器(1)的第一个输入为参考角度θref、第二个输入为2s/2r坐标变换模块(8)输出的两相旋转坐标系下的基波电流idq(k)、第三个输入为第一低通滤波器(6)输出的最终估计角度θ(k),EPS状态反馈控制器(1)输出的是控制电压uαβ(k);两相高频电压计算模块(7)的输入是高频电压Vin和角频率ωin、输出是两相静止坐标系下的高频注入电压所述的控制电压uαβ(k)和高频注入电压作为EPS转向***(2)的两个输入,EPS转向***(2)输出三相电流Iabc(k)至3s/2s坐标变换模块(9),3s/2s坐标变换模块(9)输出两相静止坐标系下的电流Iαβ(k)分别至带通滤波器(3)和第二低通滤波器(11),带通滤波器(3)输出两相静止坐标系下的高频电流至标幺化模块(4),第二低通滤波器(11)输出两相静止坐标系下的基波电流iαβ(k)至2s/2r坐标变换模块(8),2s/2r坐标变换模块(8)输出两相旋转坐标系下的基波电流idq(k);标幺化模块(4)输出标幺化参数Kαβ(k)至离散角度判断模块(5),作为离散角度判断模块(5)的第一个输入,离散角度判断模块(5)的第二个输入为所述的角频率ωin,离散角度判断模块(5)输出初步估计角度至第一低通滤波器(6),第一低通滤波器(6)输出最终估计角度θ(k)分别至角度初始化模块(10)、2s/2r坐标变换模块(8)和EPS状态反馈控制器(1),角度初始化模块(10)输出作为离散角度判断模块(5)的第三个输入的3个初始化角度θ1,θ2,θ3,k为离散采样指数。
2.根据权利要求1所述的一种汽车EPS转向***无位置传感器控制器,其特征是:EPS状态反馈控制器(1)由2r/2s坐标变换模块(13)和反馈电压控制器(12)组成,两相旋转坐标系下的电流idq(k)和参考角度θref及估计角度θ(k)一并作为反馈电压控制器(12)的输入,反馈电压控制器(12)输出两相旋转坐标系下的控制电压udq(k),该控制电压udq(k)作为2r/2s坐标变换模块(13)的第一个输入,2r/2s坐标变换模块(13)的第二个输入是估计角度θ(k),经2r/2s坐标变换模块(13)输出两相静止坐标系下的控制电压uαβ(k)。
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