基于永磁同步电机的电动助力转向系统设计

石伟　吴煌辉

摘 要：首先系统介绍了电动助力转向系统的基本结构和原理，并从车载电源、转矩采样和CAN通讯等多个方面进行了硬件电路设计。并借助软件程序设计实现了故障检测和助力模式选择等具体功能。最后通过快、慢双环程序的嵌套调用，实现了永磁同步电机的精准实时控制，该系统对今后EPS系统的应用有良好的借鉴作用。

关键词：电动助力转向系统 永磁同步电机 矢量控制

Design of Electric Power Steering System Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

Shi Wei，Wu Huanghui

Abstract：First， the basic structure and principle of the electric power steering system are systematically introduced， and the hardware circuit design is carried out from the vehicle power supply， torque sampling and CAN communication. And with the help of software programming， specific functions such as fault detection and assist mode selection are realized. Finally， through the nested call of fast and slow double-loop programs， the precise real-time control of the permanent magnet synchronous motor is realized. This system has a good reference for the application of EPS systems in the future.

Key words：electric power steering system， permanent magnet synchronous motor， vector control

1 引言

电动助力转向系统（Electric Power steering System）具有节能、环保、易于安装等优点，因而得到广泛应用。目前国内EPS产品中的助力电机大多采用有刷直流电机，其控制方法简单，但是运行效率低，在汽车领域内的应用受到限制。永磁同步电机具有功率密度大、效率高等特性，将成为EPS系统助力电机的发展方向。

2 系统设计方案

本系统的主控芯片采用MC9S12ZVML128，它具有PMF、PTU、ADC、TIM以及GDU等功能模块，通过配置这些模块，可以满足永磁同步电机控制应用要求。

EPS控制器硬件电路主要包括MCU、电源、信号采集、功率放大以及CAN通信等模块。具体硬件设计框图如图1所示。其中电源模块主要是从车载电源中析出系统所需要的12V和5V工作电源;信号采集模块主要包括扭矩、电流、温度、转子位置以及车速等信号的采集，然后进行处理计算;CAN通信模块可实现EPS与整车模块间的通信，在进行台架或整车测试时，可以实现实时通讯，以便于在线调试程序。

3 硬件电路设计

3.1 电源模块

电源是EPS系统中可靠性、稳定性的重要组成部分。本系统采用12V车载蓄電池作为供电电源。系统电源电路设计如图2所示。其中点火信号可以通过三级管V6、V7实现自锁保护功能，从而解决自动熄火导致的安全隐患问题。

3.2 转矩、转角采样电路

本系统采用非接触式感应传感器，共有2路转矩信号和1路转角信号。该传感器工作电压为5V，转角信号测量范围可达740°，转矩、转角信号分辨率都高于0.005°，具有工作温度范围宽、分辨率高和抗干扰能力强等特点。

转矩信号和转角信号的调理电路如图3所示。输入信号Ain先通过上拉电阻R33与5V相连，再通过R34、R35、C57和C59两级RC滤波电路得到Aout，最后通过74HC245将信号进行锁存并传给MCU的捕获单元。

3.3 通讯电路

为了配合整车配置，系统采用CAN通讯电路，具体硬件电路如图4所示。

本系统的通讯模块电路采用TLE6250高速CAN 收发器，该芯片在断电时能够工作于低功耗模式，并有瞬态环境下总线引脚保护和过热保护等功能。

本模块主要完成EPS系统与整车通信，具体内容包括：（1）接收整车速度、发动机运转状态等信号;（2）发送EPS系统转矩转角信号、EPS运行状态等信号。

4 软件程序设计

本系统软件设计部分包含继电器控制、故障检测、信号采集与处理、永磁同步电机FOC控制等功能。同时依据转矩和车速等信号选择助力电机工作模式，并计算目标电流。具体程序流程如图5所示。

本系统的主程序分为快速环和慢速环两个部分。其中快速环调用周期为100μs，慢速环调用周期为2ms。

快速环函数主要实现Clarke变换、Park变换以及反Park变换等程序，并通过调用SVPWM程序，达到更新PWM占空比的目的;慢速环函数包括电机转速测量、扭矩信号测量以及电机目标电流计算等工作内容，从而完成传感器信号的采集功能。

为了实现对EPS控制器的精准实时控制，主程序采用中断处理机制，且快速环和慢速环两个子函数共享同一个中断。

5 结语

本文设计了一种基于永磁同步电机的电动助力转向控制器，并根据所设计的硬件模块和软件模块，制作了一套EPS控制器，该控制器助力跟随性能良好，有较强的应用价值。

课题来源：湖南省自然科学基金项目。

课题名称：永磁同步电机在电动助力转向系统中的应用研究。

课题编号：2018JJ4065。

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