扭矩控制问题电气动力转向系统

61freescale.com.cn/beyondbits6161扭矩控制问题1Thomas_Böhm扭矩控制问题电气动力转向系统电气动力转向系统根据不同人体的需要提供可变的转向比，消除动力传动系统的影响，甚至调整有效的转向扭矩，从而在危急情况下提供了更高的车辆安全性能。除此之外，相比于液压转向系统，电气动力转向系统可以使得车辆更轻、更省油。为了满足复杂的电机控制功能的需要，只有高性能的MCU才能提供足够的计算能力和专门的外围设备，所以目前动力转向系统的中枢电子部件是32位的MCU。同时，由于动力转向系统是一个事关安全的功能系统，因此这也需要支持整个系统功能安全的MCU新组件。本文概述了飞思卡尔基于PowerArchitecture®的最新一代MCU产品，并描述了该产品如何应用于动力转向系统中；同时本文也对适用于电机控制的交叉触发单元，监控和报告安全关键信号的故障收集单元等新单元进行了说明。引言近十年来，先进的底盘控制技术和完美结合车辆安全与节能的电气动力转向技术(EPS)已经成为车辆安全系统的主要技术驱动者。随着二十世纪九十年代中期第一款电气动力转向系统进入市场以来，纯电子转向系统几乎已被移植到汽车市场的每一个角落。相比于使用液压动力转向系统的汽车，使用电气动力转向系统(EPS)的现代汽车能大大地降低油耗。业界研究表明，安装电气动力转向系统(EPS)的车辆要比安装传统液压动力转向系统的车辆节省多达85％的能源，这意味着每百公里里程的油耗可以降低多达0.3升。电气动力转向系统(EPS)由于仅在真正需要辅助转向时才动作，因此它是非常节能的。相应地，由于EPS的引入，也不再需要永久的引擎负载。此外，EPS系统能根据不同的车速采用不同的转向扭矩并根据不同的驾驶情况进行扭矩优化，这使得EPS系统也能帮助保证更安全的驾驶操纵。例如像驻车这种低速制动操作，EPS会比高速驾驶时提供更高级的助力辅助，随着车速逐渐减小的动力转向辅助能让你体会更直接的转向操纵并传递更佳的路感。EPS配合集成的传感器和网络互联，并通过改进的动态控制和预警功能，能进一步提高自身的安全特性：•改进的车辆动态控制在过转向情况下帮助和引导驾驶员以额外的转向扭矩以防过转向配合电子稳定控制系统缩短在不同摩擦系数路面上的停车距离•预警功能产生轻微的反向扭矩以防止车辆无意地漂移出车道系统概述依照所需辅助作用力的大小，存在不同类型的EPS系统，这些不同架构的EPS系统包括：•杆式驱动系统适合较小转向力的相对较轻的车辆与驾驶杆集成在一起的直流或无刷直流EPS电机•齿条式驱动系统适合较大转向力的相对大型的车辆无刷直流EPS电机直接将辅助作用力作用在转向齿上但对于所有各种架构的EPS系统，它们的共有部件包括集成转向角传感器的转向轮，转向扭矩传感器，动力转向控制模块和产生所需辅助作用力的电机。freescale.com.cn/beyondbits永磁同步电机(PMSM)由于其高效和高可靠性的特点目前被广泛地应用到电气动力转向系统中。为了最小化永磁同步电机(PMSM)在产生最大扭矩时扭矩非线性的特性，一种称为矢量控制的先进的电机控制方法被采用。在矢量控制系统中，电机的定子相电流和转子位置信息需要实时进行处理。图1显示了动力转向控制模块的基本结构以及其主要的功能：•产生和监控组件的电源电压•监控/预处理转向扭矩传感器和转向角传感器的信号•通过CAN或FlexRayTM协议接收车辆速度和引擎速度信号•接收来自例如制动控制系统等其它系统的控制输入信号•计算所需的辅助作用力/扭矩•电机信号处理和扭矩矢量控制•产生调节和控制动力转向系统中三相电机驱动器MOSFETs的PWM信号飞思卡尔基于PowerArchitecture®的MPC560xP系列MCU专门为先进的电机控制应用而设计。该系列产品提供了用来获取电机控制信号的高精度模数转换器(ADC)和定时器功能模块，基于哈佛结构的高性能核处理单元以及能产生中心对齐、边沿对齐和非对称PWM波形的脉宽调制模块(PWM)。新推出的系统基础芯片MC33905系列产品集成了为32位MCU以及动力转向控制单元其它组件提供的电源管理解决方案。MC33905系列产品包含了两个5V/3.3V可选的电压调节器，一个ISO11898高速CAN接口和两个LIN2.0接口。这些集成的监控单元能满足系统低压检测和电压、电流以及温度保护的功能需求。MC33937预驱动器集成了具有超过1A电流栅极驱动能力的上桥臂和下桥臂FET的驱动器。该芯片能与微控制器的PWM输出通道接口直接连接，并能通过SPI串行端口进行用户配置。扭矩控制问题2SteeringControlModuleBlockDiagramFigure1TimerVoltageRegulatorHS-CANInterfaceWatchdogProtVBATFlexRayInterfaceMC9S08AMPPWMBridgePre-DriverADCCANSPIMPC560XPPowerStageSBCHallSensorsPositionSensorTorqueSensorCANFlexRay™NetworkPMSMGearboxLoad转向控制模块结构图图1保护逆变桥预驱动器电压调节器高速CAN接口看门狗FlexRay接口定时器网络放大器智能比特率控制器功率级电池电压霍尔传感器位置传感器扭矩传感器负载变速箱永磁同步电机freescale.com.cn/beyondbits扭矩控制问题技术挑战矢量控制为输出最大扭矩，将永磁同步电机的转子磁场和定子磁场按一定的方向进行排列，最佳的解决方案就是保证两者磁场彼此相交成90度。这种为保持90度磁场排列的方案就是所谓的磁场定向控制(FOC)。典型永磁同步电机(PMSM)控制方案的周期大约为50µs，在一个控制周期中，需要完成以下控制事务：•电机相电流和直流母线电流的测量和计算•编码器/解析仪信号的处理和转子位置的计算•电机电流(id,iq)的克拉克/帕克变换处理•处理电流控制算法•通过反帕克/克拉克变换产生新的PWM信号由于上面描述的控制事务和功能安全系统的需求，电气动力转向控制单元的设计者需要面对以下的技术挑战。快速而精确地获取状态变量若给定PWM的控制周期，为获得直流母线电流和(或)相电流，需要快速而精确的模数转换器(ADC)。为了可以在一个PWM周期内完成多个数据点的过采样，ADC需要具备快速的转换速度。典型地，在至少保证9位转换精度的情况下ADC的转换时间不应超过1.5µs。实时控制代码处理为了获得新的PWM控制值来驱动电机，测量/计算的相电流必须被变换为基于旋转参考坐标系的直轴分量和交轴分量。这种变换的好处是电流分量的稳态值是直流值，使得可以通过相对简单的PI控制算法实现误差补偿的目的。最终，作为结果的控制信号被反变换为三相量，并通过PWM输出而达到控制电机的目的。图2就是一个电机控制周期的典型实例。A/D转换，定时器输入和PWM的同步在如上所述的控制方案中，确定状态变量获取的时间是非常重要的，例如与PWM周期相关的电流和位置计数器等信息变量的获取。对于传统的MCU外设，复杂的时序安排需要占用大量的CPU资源，例如ADC的配置和改写处理，或预设下一个控制周期的定时器和PWM模块的寄存器。满足功能安全标准EPS系统是一个关键安全部件，因此需要满足诸如IEC61508或ISO26262等行业标准的需求。为了防止故障让系统进入安全状态，动力转向控制单元艺术般的功能安全概念要求MCU具有精细的故障监控功能。收集和报告内部故障（甚至当CPU也处于故障状态时）是动力转向控制器方案的基本技术要求。TypicalPowerSteeringMotorControlCycleFigure2SCIDriverApplicationContolTorqueControllerCurrentqPIControllerInverseParkTransformationd,qalpha,betaDC-busRippleCompensationCurrentSensingProcessingAngleTrackingObserverSoftwareSwitchCurrentdPIControllerForwardParkTransformationalpha,betad,qForwardClarkTransformationa,b,calpha,betaFieldWeakeningControllerReferenceGenerationsandQuadTimerDriverGPIODriverADCDriverQuadTimerPWMModulationDriverPWMsincosTorque_ReqTorque_load_measIs_q_ReqIs_qUs_qUs_dUs_alphaSectorUs_alpha_compUs_beta_compUs_betaIs_dIs_betaIs_a_compthata_actual_elIs_b_compSineIs_aIs_bIs_cDutycycleaDutycyclebDutycyclecCosineIs_c_compIs_alpha驱动图2动力转向电机的典型控制框图驱动应用程序控制扭矩控制器q轴电流PI控制器弱磁控制器q轴电流PI控制器反帕克变换d,qalpha,betaDC母线纹波补偿帕克变换alpha,betad,q克拉克变换a,b,calpha,beta软件切换角度跟踪观测器检测电流处理参考产生和QuadTimer驱动驱动驱动PWM调制占空比a占空比b占空比cfreescale.com.cn/beyondbits适合电机控制的MPC560xP控制器系列产品飞思卡尔新推出的基于哈佛结构PowerArchitecture®核和带有强大电机控制外设的32位MPC560xP系列产品，为EPS和其它高端的电机控制应用提供了完善的解决方案。这些特色包括：•具有变长度压缩操作码的高性能64MHz32位基于PowerArchitecture®的CPU•达到512KB带有纠错码(ECC)功能的片内Flash存储器，额外的适用于系统配置数据和故障事件存储的带ECC功能的4X16KB片内数据Flash存储器•达到40KB带有ECC保护功能的片内RAM•一个16通道的增强型直接存储器访问(eDMA)控制器•两个eTimer模块，每个模块有六个定时器，可级联的具有16位分辨率的计数器和正交信号解码器•一个带有可配置死区插入和故障输入的具有16位分辨率的PWM模块•两个支持同时转换的模数转换器(ADC)模块，在+1LSB线性误差条件下，转换时间少于1µs•允许在PWM周期内自动产生ADC触发请求的交叉触发单元，无需CPU干预和DMA动态配置优化•四个串行外设接口(SPI)模块，适用于与系统基础芯片MC33905，预驱动器MC33937和其它控制单元部件进行通讯•两个支持LIN协议的串行通讯接口(SCI)模块•多达两个带有32个消息缓冲器的CAN模块•一个双通道带有32个消息缓冲器的FlexRay控制器，适用于与其它控制单元的安全通讯•甚至在CPU故障的情况下，也能收集和报告内部控制器故障事件给外部电路的故障收集单元(FCU)•支持诸如一个可编程看门狗定时器，冗余的16MHz内部RC振荡器，结温传感器和一个不可屏蔽中断等安全模块•片内支持3.3V和5V的单电源电压调节器为了保证最优的外设性能和最高的Timer和PWM分辨率，所有与电机控制相关的外设模块能被配置使用一个专用的高达120MHz的时钟源。而其它的外设模块只能使用64MHz的主系统时钟。扭矩控制问题4MPC560xPBlockDiagramFigure3InterruptContollereDMAI/OBridgeSIUUpto512KProgramFlashUpto4x16KDataFlashUpto40KSRAMeTimer(6-ch.)CrossbarSwitchFaultC