基于XC164CM的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

前言

　　近年來, 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已成為一些轎車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，全世界約有一半的轎車采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，目前一些轎車已經(jīng)使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)，使汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和機(jī)動(dòng)性都有所提高。EPS利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車者進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)向, 一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、減速器、機(jī)械轉(zhuǎn)向器、以及蓄電池電源所構(gòu)成。汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器會(huì)"感覺"到轉(zhuǎn)向盤的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這些信號(hào)會(huì)通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電控單元會(huì)根據(jù)傳動(dòng)力矩、擬轉(zhuǎn)的方向等數(shù)據(jù)信號(hào)，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出動(dòng)作指令，從而電動(dòng)機(jī)就會(huì)根據(jù)具體的需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而產(chǎn)生了助力轉(zhuǎn)向。如果不轉(zhuǎn)向，則本套系統(tǒng)就不工作，處于休眠狀態(tài)。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的工作特性，駕車者會(huì)覺得方向感更好，高速時(shí)更穩(wěn)不發(fā)飄。又由于它不轉(zhuǎn)向時(shí)不工作，而且只需電力不用液壓，與傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種行駛條件下均可節(jié)能80%左右，提高了汽車的運(yùn)行性能。在近年得到迅速的推廣，也是今后助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　　圖1所示為一個(gè)典型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其核心是一個(gè)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點(diǎn)，和直流電機(jī)相比，它沒有機(jī)械換向器和電刷、與異步電動(dòng)機(jī)相比，它不需要無功勵(lì)磁電流，因而功率因數(shù)高，體積小，電流和定子電阻損耗小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、定轉(zhuǎn)子氣隙大、控制性能好，是汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的首選。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡化。在要求高精度，高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場(chǎng)合，應(yīng)用PMSM電機(jī)伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文即專門討論一種用于EPS系統(tǒng)的PMSM電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使用XC164CM作為EPS系統(tǒng)的核心控制芯片，同時(shí)采用定子磁場(chǎng)定向原理(FOC)實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，非常具有針對(duì)性。

　　XC164CM和CAPCOM6E

　　XC164CM是目前廣泛使用的C166系列單片機(jī)的一種新的派生型，是基于增強(qiáng)型 C166S V2結(jié)構(gòu)的，優(yōu)于現(xiàn)有的16位解決方案。XC164CM具有很強(qiáng)的 DSP性能和先進(jìn)的中斷處理，加上各種高效靈活的外設(shè)和高性能片上Flash，使得它成為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)備控制的理想選擇。其靈活的智能PWM單元CAPCOM6E提供交流電機(jī)(AC), 直流無刷電機(jī)(BLDC)和開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)等各類電機(jī)的PWM控制。而高速、高分辨和具有同步觸發(fā)功能的ADC能快速和精確地轉(zhuǎn)換復(fù)雜的模擬環(huán)境變量。具有自動(dòng)網(wǎng)關(guān)功能的高速TwinCAN模塊則能實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)化的方案。XC164CM封裝為P-TQFP-100，框圖如圖2所示。

C166S V2與C166相比有不少優(yōu)異之處。首先，它采用增強(qiáng)哈佛結(jié)構(gòu)(程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自的多帶寬總線)、具有單周期指令集, 在40MHz的CPU時(shí)鐘時(shí)具備40MIPS的指令執(zhí)行速度。其次, 它不僅有5級(jí)指令流水線, 還新增了2級(jí)預(yù)取指令流水線, 具有無可比擬的程序分支預(yù)測(cè)判斷能力, 從而實(shí)現(xiàn)零周期程序跳轉(zhuǎn)。它除了擁有高速硬件乘/除單元外, 還特別集成了單周期乘加器(MAC)單元, 從而具有強(qiáng)勁的DSP功能(含DSP指令集), 使得其運(yùn)算能力大為提高。配套的DSP函數(shù)庫能使用戶快捷方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP運(yùn)算如FIR, IIR, FFT, 等等。C166S V2 還集成了帶JTAG接口的片上調(diào)試系統(tǒng)(OCDS) 。

　　XC164CM 的智能PWM單元CAPCOM6E如圖3所示。它能產(chǎn)生各種類型的PWM波形, 如SPWM, 空間矢量PWM (SVPWM)等。本系統(tǒng)使用SVPWM, 其產(chǎn)生原理如圖4所示。8種可能的開關(guān)狀態(tài)形成6種可能的磁場(chǎng)方向(加上兩個(gè)零矢量), 磁場(chǎng)矢量可以達(dá)到六邊形(逆變器的運(yùn)行區(qū)域)內(nèi)的所有點(diǎn), 而不能超出該六邊形。PWM開關(guān)頻率為20KHz。

其時(shí)間計(jì)算公式(30o)為：

磁場(chǎng)定向(FOC) 控制及其實(shí)現(xiàn)

　　為建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸(d, q軸)數(shù)學(xué)模型，作如下假定：

　　·忽略電機(jī)鐵心的飽和；

　　·不計(jì)電機(jī)的渦流和磁滯損耗；

　　·轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組。

　　在上述假定下，以轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)(軸)表示的電機(jī)電壓方程如下：

　　定子電壓方程

式中：ud，uq為d，q軸電壓； id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感； Rs為定子電阻； we為轉(zhuǎn)子電角速度； yf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)鏈過定子繞組的磁鏈； p為微分算子； Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)； wm為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速； J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
上述方程是通過a，b，c坐標(biāo)系到d，q轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的變換得到的。這里取轉(zhuǎn)子軸為d軸，q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90o電角度。其坐標(biāo)變換如下：

　　克拉克(CLARKE)變換

從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵(lì)磁電流id。因此，矢量控制中通常使id=0來保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，式(5)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

由式(11)看出，Pn及yf都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值。從上面d, q軸的分析可知，iq的方向可以通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來確定。從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡化。整個(gè)PMSM電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制(FOC)如圖5所示。

以XC164CM為核心的PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)硬件如圖6所示。整個(gè)系統(tǒng)的控制電路由XC164CM組成。XC164CM作為控制核心，接受外部信息后判斷系統(tǒng)的工作模式，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開關(guān)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET給電機(jī)供電。

電流采樣電路

　　通常PMSM電機(jī)的矢量控制要求采樣兩相電機(jī)定子電流，如ia和ic。但本系統(tǒng)通過單個(gè)采樣電阻采樣直流母線電流, 并結(jié)合實(shí)際輸出的PWM組合來推知實(shí)際的電機(jī)定子相電流。XC164CM的ADC 可以設(shè)置成由PWM波形的上升/下降沿同步觸發(fā)。顯然, 這種方法可以在一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)對(duì)兩相電流采樣兩次，如圖7所示。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2000脈沖/轉(zhuǎn)，其中A和B信號(hào)互差90°(電角度)，XC164CM通過判斷A和B的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。通過采集這些信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)軟件由2個(gè)部分組成：主程序和各功能模塊如電流采樣，速度和位置計(jì)算，速度PI控制， 電流PI控制，CLARKE和PARK變換及反變換，空間矢量PWM等。主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號(hào)，XC164CM內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入死循環(huán)程序。各功能模塊則以PWM周期為基準(zhǔn)按一定時(shí)間間隔執(zhí)行。整個(gè)軟件流程如圖8所示。

實(shí)際測(cè)量下來各主要功能模塊所花費(fèi)的時(shí)間如表1所示。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度，完全能夠滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。特別值得指出的是, XC164CM強(qiáng)大的DSP功能在很短的時(shí)間內(nèi)能完成一系列復(fù)雜的運(yùn)算, 不僅保證了PMSM電機(jī)矢量控制的實(shí)時(shí)性, 同時(shí)也保證了EPS系統(tǒng)其他任務(wù)的順利實(shí)施。

　　結(jié)語

　　本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵 - PMSM 電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)作了詳細(xì)討論。該系統(tǒng)硬件上采用XC164CM作為控制器，電路設(shè)計(jì)簡單，緊湊，滿足了系統(tǒng)要求。同時(shí)，全數(shù)字化的控制使系統(tǒng)在控制精度，功能和抗干擾能力上都有了很大的提高。XC164CM強(qiáng)大的DSP功能, 智能化的PWM發(fā)生單元以及高性能的ADC下，使得系統(tǒng)只須附加很少的電路元件，即可實(shí)現(xiàn)高性能EPS系統(tǒng)，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。另外，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)也保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。