应用于EPS的直线步进电机控制

陈天殷

（美国亚派克机电 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

电动助力转向系统 （EPS）集成了电子控制系统，可方便地通过软件的修改调整其助力特性，无需变更机械参数，极大地简化了整车调试。而对于用作动力的可控制电机，业内人士皆对直线步进电机的前景最为看好。采用直线步进电机 （LSM）控制的汽车电动转向系统 （EPS），是当前国际上在转向系统上的新技术之一，其研发应用对汽车转向执行机构的灵活轻便、操纵稳定可靠性和确保行车安全起着重要的作用。

电动助力转向系统 （EPS）是直接依靠电机提供辅助转矩的转向系统。传动效率可达90%以上，又有操纵舒适性、稳定性和安全性等优越性能，成为动力转向技术的主流，适用于各种汽车。目前多用于轿车和轻型货车。环保型的纯电动汽车不以内燃发动机为动力，EPS更是最佳选择。

1 直线步进电机概述

从电机学的原理来阐述，把传统圆柱状旋转运动的电机沿半径方向切开展成平面状的电机便是直线电机。构成电机的定子、气隙和转子，变成静子、气隙和动子；原来气隙旋转磁场成了直线行进的行波磁场，驱使动子作直线运动。动子 （或称“动件”）一般呈长方的六面体或圆管状，常常是动子就是伸展开的那个转子；静子 （或称 “静件”）则会根据行程的需要，由n个定子顺着行进方向连续地一字铺展开。各种传统电机的形式，如交流、直流，伺服、步进等都能在直线电机中实现，无非是旋转运动变成直线运动。由软件实现以一定方式和顺序对相应绕组通电，达到预定步距的直线步进运动。汽车EPS转向系统的动力选择了直线步进电机，结构上省却了离合器、减速机构，改变了运动方式 （旋转→直线）。

三菱某款排量1.6L轿车采用的是一般的EPS，有减速机构，EPS的电机参数是：额定功率180W，电机供电电压DC 10~16 V，电机电流0~30 A连续可调，额定扭矩6.5Nm。

步进电机可以准确定位在已知的定转子磁极对准的起始位置，因而能实现精确的位置控制而无需位置反馈，这是它无可比拟的优点。工作时通过计算步数，能运动至任何预设的合适位置，即使电机断电也能具备定量的保持转矩。

2 步进电机的驱动电路

步进电机的绕组结构有单极性和双极性的区别：单极性 （unipolar）和双极性 （bipolar）是步进电机最常采用的两种驱动架构。双极性步进电机是指步进电机绕组中电流流通的方向不是单向的，可以通过H桥电路来改变绕组中电流的方向，使绕组中交替轮流呈双向流动的电流。与单极性步进电机相比，双极性步进电机的绕组中每次都有电流流过，在整个工作过程中，电机内的旋转磁场是均匀的、连续的，从而系统相对稳定，输出转矩会更大更稳定。

单极性驱动电路使用4个晶体管来驱动步进电机的两组相位，驱动电路如图1a所示，包含两组带有中间抽头的绕组，整个电机共有6条线与外界连接，精确的说法应是双相位六线式步进电机，它同时使用单极性或双极性驱动电路。

双极性步进电机的驱动电路如图1b所示，它使用8颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却会降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的2倍，其中4颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路那样需要钳位电路。

3 H桥的驱动方式

由于步进电机是在脉冲通电状态下运行的，而绕组是电感性惯性负载，转子也有一定的转动惯量，在通电运行时脉冲的上升沿至绕组电流建立，转子转动；脉冲下沿至绕组电流消失，转子停转都存在暂态过程。对于空载状态，驱动器对其动特性的影响主要表现在对绕组电流脉冲上升及下降时间的控制能力。好的驱动器在保持步进电机能输出尽可能大的动态转矩情况下，使绕组储能及释能的时间尽可能短，避免出现衰减振荡而引起失步，以达到最高运行频率，故选择适配的驱动器十分重要。模块化的驱动控制器多采用恒流驱动方式。根据恒流驱动原理可放宽外供直流电源的电压范围。

如图2a所示，H桥上桥臂一侧导通，下桥臂另一侧斩波，即为助力控制驱动方式。把转向盘转矩传感器检测到的力矩信号和车速传感器检测到的车速信号输入控制器中，控制器根据助力曲线表，确定电机的助力电流作为目标电流，电路中设置电流传感器检测控制电路中的电流作为实际电流。目标电流和实际电流形成控制闭环进行比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路以驱动电机产生合适的助力。图2中M为直线步进电机。

由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，故转向轮具有自动回正的性能。随着车速提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，两者综合作用使回正性能提高，根据转向盘转矩和转向，可判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS系统H桥实行断路控制 （见图2b），保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制，其控制电路见图2c。阻尼控制的原理是当电机绕组进行短接时，电机将会产生与转速成正比的反向转矩，ECU就是利用这一特性对电机进行阻尼控制的。

步进电机的驱动控制采用微步距控制 （又称细分控制技术），这样步进电机开环控制可以获得高的位置分辨率，减少不稳定性。

有关细分控制技术及脉冲宽度调制的详细叙述请参考 《汽车电器》2010年12期的 《仪表板步进电机的单片机驱动控制》一文。

图3展示了直线步进电机驱动控制的EPS。

一般步进电机的空载最高启动频率都有限制。所谓空载最高起动频率，是指电机空载时，转子从静止状态不失步地转入同步 （即电机的每秒钟转速的角度和控制脉动频率相对应的工作状态）的最大控制脉冲频率。步进电机在实际使用中要提高起动频率及运行频率并改善其矩频特性，应改善流入步进电机绕组脉冲电流的上升沿和下降沿。一般采用在各相绕组中串联电阻的方法减少电路的时间常数，且电阻阻值必须足够大才有显著效果。这样，为了维持步进电机稳态电流，驱动电压必须相应增高；运行频率的提高，运行特性也可以进一步改善。

［1］Tom Denton.Automobile Electrical and Electronic Systems［M］.Elsevies Butterworth-Heinemann Co.Ltd.， 2009.

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［3］日本电气株式会社技术报告 （日文），2010［Z］.

［4］美国安森美半导体公司网站［OL］.http：／／www.onsemi.cn.

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［6］陈天殷.仪表板步进电机的单片机驱动控制［J］.汽车电器， 2010 （12）： 4-9.

［7］李宁.基于MDK的ST32处理器开发应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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