CN112234876B - 一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，包括：计算电机电气补偿角度；计算力矩谐波补偿功能输出比例系数；将采集的三相电流变换为电机的dq轴电流；根据当前电机转速与dq轴电流，通过查表获得电机在α轴和β轴上的目标电流值；根据所述电机在α轴和β轴上的目标电流值与所述dq轴电流进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值；对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值进行限幅处理，得到限幅电压值，并根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值进行计算，得到最终补偿电压值。本发明能对不同转速下的力矩谐波进行电压补偿，能够有效消除电机在不同转速下的谐波分量。

Description

一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法
技术领域
本发明涉及电动助力转向技术领域，特别是涉及一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法。
背景技术
电动助力转向***EPS(Electric Power Steering)是现代汽车的重要组成部分，相比于传统的液压助力转向***HPS(Hydraulic Power Steering)，EPS***具有很多优点，但是随着电动助力转向***进一步推广，也伴随产生一些问题，如EPS***中的无刷电机输出的力矩由于谐波过大而导致输出力矩抖动时，将带动方向盘产生振动，从而致使驾驶员感受到方向盘的震感和由于电机震颤带来的噪音，使整车NVH性能变差，严重影响驾驶员的行车体验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，能够有效减缓电机谐波带来的电机力矩波动而引起的方向盘抖动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，包括：
步骤(1)：根据当前电机转速、当前电机电气角度与待补偿谐波阶数来计算电机电气补偿角度；
步骤(2)：将所述当前电机转速与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数；
步骤(3)：根据所述当前电机电气角度和电流传感器采集的三相电流，通过clark变换和park变换来解算获得电机的dq轴电流；
步骤(4)：根据所述当前电机转速和dq轴电流，通过查表获得电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd；
步骤(5)：根据所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd与所述dq轴电流进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd；
步骤(6)：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，并根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终补偿电压值。
所述步骤(1)具体为：根据所述当前电机转速计算得到时刻偏差补偿角度，再将所述时刻偏差补偿角度与所述当前电机电气角度进行求和，再将求和得到的值乘以所述待补偿谐波阶数，得到电机电气补偿角度。
所述步骤(2)中的将所述当前电机转速与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数，公式为：
Figure BDA0002728050920000021
其中，SpdLimit2＞SpdLimit1，MotSpd为当前电机转速，SpdLimit1为第一速度阈值，SpdLimit2为第二速度阈值，K1为满足MotSpd＜SpdLimit1时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，K2为满足MotSpd＞SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，
Figure BDA0002728050920000022
为满足SpdLimit1＜Motspd＜SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数。
所述步骤(3)具体为：通过clark变换将电流传感器采集的三相电流转换至静止两相坐标系下，得到电机在α轴和β轴上的电流，公式为：
Figure BDA0002728050920000023
其中，iα为α轴上的电流，iβ为β轴上的电流，ia、ib和ic为电机的三相电流值；
再根据所述当前电机电气角度，通过park变换将所述静止两相坐标系中的α轴和β轴上的电流转换至旋转两相坐标系下，得到电机的dq轴电流，公式为：
Figure BDA0002728050920000031
其中，id为d轴上的电流，iq为q轴上的电流，θ为当前电机电气角度。
所述步骤(4)具体为：根据所述当前电机转速和dq轴电流，经过查表获得当前状态下电机的力矩谐波补偿值，并将所述力矩谐波补偿值转换为电机在静止两相坐标系α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd。
所述步骤(5)具体为：根据所述dq轴电流与dq轴指令电流获得dq轴电流偏差值，对所述dq轴电流偏差值进行逆Park变换，得到电机在α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr；将所述α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr与所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd。
所述步骤(6)中的对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，具体为：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到电机在α轴和β轴上的限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，若β轴上的限幅电压值Vβlimit大于最大电压限制值时，则：
Figure BDA0002728050920000032
其中，Vlimit为最大电压限制值。
所述步骤(6)中的根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终作用于电机矢量控制上的补偿电压值，具体为：根据所述电机电气补偿角度，将所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行park变换，得到电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd，将所述电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd与所述力矩谐波补偿功能输出比例系数相乘，得到最终补偿电压值VdHarmonicLimitCmd和VqHarmonicLimitCmd。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提供的电机力矩谐波补偿方法可以在EPS进行工作时，针对电机不同转速下的谐波分量进行补偿，可有效消除由于电机转速不同所带来的不同大小的谐波分量干扰，动态调整力矩谐波补偿功能输出比例系数，能够实时响应各种工况；本发明采用查表法获得力矩谐波补偿电压值，避免了使用FFT所带来的时间损耗，提高了谐波补偿算法的响应性，从而也保证控制效果的可靠性和准确性。
附图说明
图1是本发明实施方式的电动助力转向***结构示意图；
图2是本发明实施方式的***原理图；
图3是本发明实施方式的方法流程图；
图4是本发明实施方式的电气补偿角计算单元的原理框图；
图5是本发明实施方式的目标谐波补偿值获取单元的原理框图；
图6是本发明实施方式的自调节控制单元的原理框图；
图7是本发明实施方式的限幅单元的原理框图。
图示：1、方向盘，2、角度扭矩一体式传感器，3、减速机构，4、无刷电机，5、电动助力转向控制单元，6、齿条转向器，7、车轮。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，如图1所示，为本发明实施方式的电动助力转向***(简称“EPS”)结构示意图，包括：方向盘1、角度扭矩一体式传感器2、减速机构3、无刷电机4、电动助力转向控制单元5、齿条转向器6和车轮7；所述角度扭矩一体式传感器2用于检测方向盘1的动作，所述电动助力转向控制单元5(ECU)用于向无刷电机4发送信号，所述无刷电机4产生辅助转向力。但当无刷电机4输出的力矩由于谐波过大而导致输出力矩抖动时，将带动方向盘产生振动，从而驾驶体验感降低。
鉴于此，本实施方式提供的电机力矩谐波补偿方法能够有效解决电机输出力矩由于谐波过大而导致的问题，如图2和图3所示，为本发明实施方式的***原理图，图3为本发明实施方式的方法流程图，方法具体过程如下：
步骤(1)：根据当前电机转速MotSpd、当前电机电气角度θ与待补偿谐波阶数来计算电机电气补偿角度；
进行力矩谐波补偿计算时，需要考虑到由于***进行角度处理的时刻与电机位置传感器采集时刻的偏差Δt，以及当前电机转速下的待补偿谐波阶数等因素。如图4所示，为本发明实施方式的电气补偿角计算单元的原理框图，结合图2，所述步骤(1)具体为：根据所述当前电机转速MotSpd、电机极对数和时刻偏差Δt计算得到时刻偏差补偿角度θ1，再将所述时刻偏差补偿角度与所述当前电机电气角度θ进行求和，再将求和得到的值乘以所述待补偿谐波阶数，得到电机电气补偿角度θ2。
步骤(2)：将所述当前电机转速MotSpd与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数K；
结合图2的比例系数判定单元，所述步骤(2)中的根据当前电机转速与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数，公式为：
Figure BDA0002728050920000051
其中，SpdLimit2＞SpdLimit1，MotSpd为当前电机转速，SpdLimit1为第一速度阈值，SpdLimit2为第二速度阈值，K1为满足MotSpd＜SpdLimit1时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，K2为满足MotSpd＞SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，
Figure BDA0002728050920000052
为满足SpdLimit1＜Motspd＜SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数。
进一步地，根据电机转速确定力矩谐波补偿功能输出比例系数的大小，可确保在电机转速较小时，不会因谐波补偿量过大而导致电机抖动；也可避免在电机转速较大时，由于谐波补偿阶数不一致而致使的助力电机输出力矩不平滑，使手感变差。
步骤(3)：根据所述当前电机电气角度和电流传感器采集的三相电流，通过clark变换(克拉克变换)和park变换(帕克变换)来解算获得电机的dq轴电流；
结合图2的电流解算单元，所述步骤(3)具体为：通过clark变换将电流传感器采集的a、b、c三相电流转换至静止两相坐标系下，得到电机在α轴和β轴上的电流，公式为：
Figure BDA0002728050920000061
其中，iα为α轴上的电流，iβ为β轴上的电流，ia、ib和ic为电机的三相电流值；
再根据所述当前电机电气角度θ，通过park变换将所述静止两相坐标系中的α轴和β轴上的电流转换至旋转两相坐标系下，得到电机的dq轴电流，公式为：
Figure BDA0002728050920000062
其中，id为d轴上的电流，iq为q轴上的电流，θ为当前电机电气角度。
步骤(4)：根据所述当前电机转速MotSpd和dq轴电流，通过查表获得电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd；
如图5所示，为本发明实施方式的目标谐波补偿值获取单元的原理框图，结合图2，所述步骤(4)具体为：根据所述当前电机转速MotSpd和dq轴电流，经过查表获得当前状态下电机的力矩谐波补偿值，并将所述力矩谐波补偿值转换为电机在静止两相坐标系α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd。使用查表法避免了直接对实际电流值进行FFT分析，大幅减少运算量，提高了***的响应性，从而也保证控制效果的可靠性和准确性。
步骤(5)：根据所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd与所述dq轴电流进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd；
如图6所示，为本发明实施方式的自调节控制单元的原理框图，结合图2，所述步骤(5)具体为：根据所述dq轴电流(实际电流)与ECU解算的dq轴指令电流获得dq轴电流偏差值，对所述dq轴电流偏差值进行逆Park变换，得到电机在α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr；将所述α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr，与所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd进行积分/比例调节，即通过PI控制器得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd。
步骤(6)：限幅单元：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，并根据所述电机电气补偿角度θ2和力矩谐波补偿功能输出系数K对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终补偿电压值。
如图7所示，为本发明实施方式的限幅单元的原理框图，结合图2，所述步骤(6)中的对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，具体为：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到电机在α轴和β轴上的限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，若β轴上的限幅电压值Vβlimit大于最大电压限制值时，则：
Figure BDA0002728050920000071
其中，Vlimit为最大电压限制值。
所述步骤(6)中的根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终作用于电机矢量控制上的补偿电压值，具体为：根据所述电机电气补偿角度θ2，将所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行park变换，得到电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd，将所述电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd与所述力矩谐波补偿功能输出比例系数K相乘，得到最终作用于电机矢量控制上的补偿电压值VdHarmonicLimitCmd和VqHarmonicLimitCmd。
由此可见，本发明提供的电机力矩谐波补偿方法通过动态调整力矩谐波补偿功能输出比例系数，针对电机不同转速下的谐波分量进行补偿，可有效消除由于电机转速不同所带来的不同大小的谐波分量干扰；还采用了查表法，避免了使用FFT所带来的时间损耗，提高了谐波补偿算法的响应性。

Claims (6)

1.一种用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：根据当前电机转速、当前电机电气角度与待补偿谐波阶数来计算电机电气补偿角度；
步骤(2)：将所述当前电机转速与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数；
所述步骤(2)中的将所述当前电机转速与预设的速度阈值进行对比，来计算力矩谐波补偿功能输出比例系数，公式为：
Figure FDA0003306378840000011
其中，SpdLimit2＞SpdLimit1，MotSpd为当前电机转速，SpdLimit1为第一速度阈值，SpdLimit2为第二速度阈值，K1为满足MotSpd＜SpdLimit1时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，K2为满足MotSpd＞SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数，
Figure FDA0003306378840000012
为满足SpdLimit1＜Motspd＜SpdLimit2时的力矩谐波补偿功能输出比例系数；
步骤(3)：根据所述当前电机电气角度和电流传感器采集的三相电流，通过clark变换和park变换来解算获得电机的dq轴电流；
步骤(4)：根据所述当前电机转速和dq轴电流，通过查表获得电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd；
步骤(5)：根据所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd与所述dq轴电流进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd；
步骤(6)：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，并根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终补偿电压值；
所述步骤(6)中的根据所述电机电气补偿角度和力矩谐波补偿功能输出系数对所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行计算，得到最终作用于电机矢量控制上的补偿电压值，具体为：根据所述电机电气补偿角度，将所述限幅电压值Vαlimit和Vβlimit进行park变换，得到电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd，将所述电机在dq轴上的力矩谐波补偿电压值VdHarmonicCmd和VqHarmonicCmd与所述力矩谐波补偿功能输出比例系数相乘，得到最终补偿电压值VdHarmonicLimitCmd和VqHarmonicLimitCmd。
2.根据权利要求1所述的用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：根据所述当前电机转速计算得到时刻偏差补偿角度，再将所述时刻偏差补偿角度与所述当前电机电气角度进行求和，再将求和得到的值乘以所述待补偿谐波阶数，得到电机电气补偿角度。
3.根据权利要求1所述的用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：通过clark变换将电流传感器采集的三相电流转换至静止两相坐标系下，得到电机在α轴和β轴上的电流，公式为：
Figure FDA0003306378840000021
其中，iα为α轴上的电流，iβ为β轴上的电流，ia、ib和ic为电机的三相电流值；
再根据所述当前电机电气角度，通过park变换将所述静止两相坐标系中的α轴和β轴上的电流转换至旋转两相坐标系下，得到电机的dq轴电流，公式为：
Figure FDA0003306378840000022
其中，id为d轴上的电流，iq为q轴上的电流，θ为当前电机电气角度。
4.根据权利要求1所述的用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：根据所述当前电机转速和dq轴电流，经过查表获得当前状态下电机的力矩谐波补偿值，并将所述力矩谐波补偿值转换为电机在静止两相坐标系α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd。
5.根据权利要求1所述的用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：根据所述dq轴电流与dq轴指令电流获得dq轴电流偏差值，对所述dq轴电流偏差值进行逆Park变换，得到电机在α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr；将所述α轴和β轴上的电流误差值iαErr和iβErr与所述电机在α轴和β轴上的目标电流值iαCmd和iβCmd进行积分/比例调节，得到电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd。
6.根据权利要求1所述的用于电动助力转向***的电机力矩谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)中的对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，具体为：对所述电机在α轴和β轴上的力矩谐波补偿电压值VαCmd和VβCmd进行限幅处理，得到电机在α轴和β轴上的限幅电压值Vαlimit和Vβlimit，若β轴上的限幅电压值Vβlimit大于最大电压限制值时，则：
Figure FDA0003306378840000031
s.t.Vβlimit＞Vlimit
其中，Vlimit为最大电压限制值。
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