李愛娟 ? 韓文堯 王知學(xué) 2 張?jiān)?2 劉剛 3 袁文長(zhǎng)

（1.山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，濟(jì)南 250357）（2.山東交通學(xué)院軌道交通學(xué)院，濟(jì)南 250357）

（3.山東交通學(xué)院教務(wù)處，濟(jì)南 250357）

引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車上按駕駛員意愿來(lái)保持或改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，直接影響著車輛的操縱穩(wěn)定性、主動(dòng)安全性和駕駛員舒適性［1］.

近年來(lái)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)呈快速發(fā)展趨勢(shì)，在輔助系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)給車輛提供低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便、高速時(shí)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的助力［2］，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向的重要手段［3］.從無(wú)人駕駛的必要性和可行性上，客車有望成為道路上率先得以應(yīng)用的車輛，它具備區(qū)域固定、頻次較高、成本較高等特點(diǎn)［4］.盡管短期實(shí)現(xiàn)路上行駛的所有汽車都具備無(wú)人駕駛功能有極大困難，但在諸如工廠、倉(cāng)庫(kù)、農(nóng)場(chǎng)等一些環(huán)境可控的應(yīng)用場(chǎng)景中，100%的無(wú)人駕駛汽車已成為現(xiàn)實(shí)［5］.針對(duì)客車，相比于私家車也更容易、更需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛.可行性方面，區(qū)域內(nèi)客車的行進(jìn)線路相對(duì)固定，高精度地圖可以一次投入，反復(fù)利用，同樣，固定的路線也能獲得較好的安全性保障［6］；必要性方面，利用可靠的自動(dòng)駕駛技術(shù)來(lái)規(guī)避危險(xiǎn)也有助于提高客車駕駛的安全性［7］.所以，未來(lái)智能無(wú)人客車的應(yīng)用前景廣闊，研究客車自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)意義重大.

車輛常用的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)主要有兩種：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Power Steering，EPS）和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Hydraulic Power Steering，EHPS）.EPS系統(tǒng)由助力電機(jī)直接助力，其系統(tǒng)性能受助力電機(jī)性能的直接影響［8］.早期EPS系統(tǒng)主要采用直流電機(jī)作為助力電機(jī)，隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)也成功應(yīng)用到EPS系統(tǒng)中［9］.國(guó)外TRW公司研發(fā)了商用車EPS系統(tǒng)，并針對(duì)重型貨車和巴士的EPS系統(tǒng)進(jìn)行了研究.Saifia等基于直流無(wú)刷電機(jī)，考慮電機(jī)輸入電流的限制，采用模糊控制的方式，設(shè)計(jì)了EPS非線性控制器［10］.晉兵營(yíng)等在中國(guó)率先對(duì)商用車EPS系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了基于轉(zhuǎn)矩信號(hào)的“比例-微分+助力電動(dòng)機(jī)角速度反饋”的助力特性控制策略，可以按需改變EPS系統(tǒng)的阻尼，減小車輛行駛過程中轉(zhuǎn)向輪擺振［11］.針對(duì)智能電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于車輛對(duì)轉(zhuǎn)向的功率需求過大，EPS受到電機(jī)功率和尺寸大小的限制，到目前為止國(guó)內(nèi)基本還沒有出現(xiàn)商用化的客車EPS系統(tǒng)［12］.EHPS系統(tǒng)中電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)作為液壓油泵的動(dòng)力源，通過在系統(tǒng)中加入電控單元，從而達(dá)到根據(jù)控制目標(biāo)調(diào)整系統(tǒng)流量的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性可變.EHPS系統(tǒng)多應(yīng)用于商用車，國(guó)外己經(jīng)實(shí)車安裝.ZF公司生產(chǎn)的Servotronic型電控液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)在波蘭客車制造商Solaris研發(fā)的混合動(dòng)力客車上己經(jīng)裝配使用［13］.TRW公司研發(fā)的EPHS～Gen C系統(tǒng)配備在奔馳的輕中型商用車Sprinter系列和福特的Transit車型上［14］.Yu等設(shè)計(jì)了一種新型的商用車EHPS，該系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)助力電機(jī)和電磁閥開度來(lái)實(shí)現(xiàn)商用車轉(zhuǎn)向助力控制，并搭建了試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證［15］.隨著電機(jī)和電控技術(shù)的進(jìn)步及無(wú)人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，EHPS系統(tǒng)相比EPS系統(tǒng)更適用于轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)，研究開發(fā)客車用EHPS控制器，優(yōu)化車輛轉(zhuǎn)向助力特性，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向是未來(lái)無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向［16］.

為了提高客車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向性能以及空間利用率，本文基于STM32型主控芯片設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于智能電動(dòng)客車的永磁同步電機(jī)式EHPS系統(tǒng)控制器，主要內(nèi)容包括EHPS系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn).其中，硬件設(shè)計(jì)包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源電路、信號(hào)采集電路、功率集成模塊電路、CAN通信電路以及故障與高溫報(bào)警電路等設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)主要包括了控制決策部分設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)、故障診斷與發(fā)送部分設(shè)計(jì)等.試驗(yàn)為電機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)和EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制器對(duì)電機(jī)的控制效果以及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向性.

1 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略

1.1 EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

傳統(tǒng)EHPS系統(tǒng)綜合了HPS和EPS的優(yōu)勢(shì)，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，在控制器的控制下，根據(jù)車速信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)以及轉(zhuǎn)矩信號(hào)為整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供大小合適、更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向助力［17］.EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以及轉(zhuǎn)向控制單元（ECU、轉(zhuǎn)矩傳感器、角速度傳感器、車速傳感器）、轉(zhuǎn)向控制閥、齒輪油泵、儲(chǔ)油罐等組成.EHPS系統(tǒng)的組成如圖1所示.

圖1 EHPS示意圖Fig.1 EHPSdiagram

EHPS系統(tǒng)的基本工作原理為：EHPS系統(tǒng)控制器通過CAN總線接收啟動(dòng)信號(hào)和車速等信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，電控單元根據(jù)接收到的預(yù)期轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車輛速度信號(hào)計(jì)算出合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后提供相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，使油路中油壓升高，轉(zhuǎn)向器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向助力.EHPS系統(tǒng)的工作原理如圖2所示.

圖2 EHPS工作原理圖Fig.2 Schematic diagramof EHPS

1.2 永磁同步電機(jī)控制策略

（1）永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

EHPS系統(tǒng)的控制核心是電機(jī)控制，本文研究的EHPS系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī).一般永磁同步電機(jī)控制策略有恒壓頻比開環(huán)控制、矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等［18］.恒壓頻比開環(huán)控制只控制電機(jī)磁通而沒有控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，控制性能差；直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，低速性能差；矢量控制因其低速性能好，調(diào)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛［19］.本文設(shè)計(jì)的EHPS系統(tǒng)控制器采用矢量控制方法對(duì)助力用永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制.矢量控制的基本思想為：以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量分別控制.本設(shè)計(jì)采用矢量控制中的id=0控制，這種控制方式最大優(yōu)點(diǎn)在于把原本兩個(gè)變量的控制模型轉(zhuǎn)換為單個(gè)變量模型，我們只需要控制id的值就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就相當(dāng)于把它等效為一個(gè)直流電機(jī)去控制，大大降低控制難度.并且d軸的勵(lì)磁電流為0，定子中只有轉(zhuǎn)矩電流，因此大大降低了銅損，提高了效率.id=0的矢量控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 i d=0的矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagramof vector control systemwith i d=0

從圖3可以看到，外環(huán)速度環(huán)PI控制器輸入為轉(zhuǎn)速偏差，即位置與速度估算器估算出的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值.外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出為q軸電流分量iqref，d軸電流分量設(shè)為零（idref=0）；永磁同步電機(jī)的定子三相靜止電路經(jīng)過Clark坐標(biāo)變換得出iα和iβ，利用得到iα，iβ通過位置和速度估算器（反電動(dòng)勢(shì)法）計(jì)算出轉(zhuǎn)速ω與轉(zhuǎn)子位置θ；iα和iβ利用θ進(jìn)行Park變換得出實(shí)際的id和iq；實(shí)際的id、iq和對(duì)應(yīng)輸入的idref和iqref計(jì)算出差值再通過兩個(gè)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出ud和uq，之后ud與uq通過park逆變換得到uα和uβ；最后通過空間矢量脈寬調(diào)制算法輸出6路控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率模塊，功率模塊逆變器最終輸出三相電驅(qū)動(dòng)永磁同步交流電機(jī)工作.

（2）控制策略

式中，Ua、Ub、Uc分別是a～b～c坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)三項(xiàng)繞組電壓，Rs為定子電阻，ia、ib、ic分別是三相電流，P是電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ψa、Ψb、Ψc分別是ABC三相磁鏈.將（1）（2）（3）變換到αβ坐標(biāo)系，并把a(bǔ)軸定位在α軸上（Clark變換）得到（4）、（5）：

式中，Vα、Vβ，iα、iβ分別為vm兩相靜止坐標(biāo)下的電壓和電流，Ψα、Ψβ代表兩相靜止坐標(biāo)系里的定子磁鏈，Ls代表定子電感，θr為轉(zhuǎn)子電角度，Φm為磁通量，ωr為轉(zhuǎn)子電角速度.

把磁鏈方程（5）代入電壓方程（4），可以得到：

方程中參數(shù)iα和iβ等變量無(wú)法直接測(cè)量，但電機(jī)是完全可控并能夠很容易得到其輸入輸出，因此可根據(jù)電機(jī)的輸入輸出值估計(jì)狀態(tài)變量iα和iβ.首先引入兩個(gè)新狀態(tài)變量：

通過電機(jī)與觀測(cè)器，設(shè)定采樣周期為T，引入并離散估測(cè)電流iα和iβ的反饋值，可得到狀態(tài)變量的估算值方程：

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的控制，需要時(shí)刻檢測(cè)其轉(zhuǎn)子位置.常用方法有旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器檢測(cè)法、換向霍爾傳感器檢測(cè)法、無(wú)位置傳感器檢測(cè)法等［20］.前二者均使用傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，傳感器易受工作環(huán)境影響且成本較高.因此，本文針對(duì)無(wú)傳感器式永磁同步交流電機(jī)控制器進(jìn)行研究，采用反電動(dòng)勢(shì)法對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測(cè).

2 EHPS系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 EHPS系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器以STM32F103zet6單片機(jī)為核心，該芯片是32位ARM微控制器，由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3.從EHPS系統(tǒng)功能需求出發(fā)，控制器硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、信號(hào)采集模塊、功率集成模塊、CAN通信模塊以及故障與高溫報(bào)警模塊等.其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)是保證整個(gè)電路正常運(yùn)作的基礎(chǔ)；電源模塊主要是為芯片、功率模塊和CAN通訊模塊提供工作電源；信號(hào)采集模塊包括母線電壓與三相電流采集電路，二者用于功率模塊硬件保護(hù)、軟件保護(hù)、電機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置估算.

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路及調(diào)試電路等.其中，Stm32F103zet6有兩個(gè)外部時(shí)鐘電路，一個(gè)是高速時(shí)鐘，一個(gè)是低速時(shí)鐘；復(fù)位電路為手動(dòng)復(fù)位電路，可以隨時(shí)讓程序從頭開始執(zhí)行；下載電路以三洋公司的USB總線的轉(zhuǎn)接芯片CH340G為核心實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，只需要用數(shù)據(jù)線連接PC端便可下載程序；調(diào)試電路用于調(diào)試的時(shí)候看單片機(jī)是否正常工作.

（2）CAN通訊模塊

Stm32f103zet6內(nèi)部有內(nèi)置CAN通訊控制器，通過CAN總線收發(fā)器能得到車載CAN網(wǎng)絡(luò)中的啟動(dòng)信號(hào)、車速信號(hào)與轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，也通過CAN總線收發(fā)器將錯(cuò)誤信息與工作狀況發(fā)送到車載CAN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而傳遞給汽車ECU，汽車ECU通過收到信息判斷下一步控制策略.CAN收發(fā)器選用恩智浦公司生產(chǎn)的JTA1050高速CAN收發(fā)器（最大1 MBaud），電磁輻射（EME）極低，具有寬共模范圍的差分接收器，具備高電磁抗擾性（EMI）.

（3）信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要包括母線電壓與三相電流采集，采集到的三相電流與母線電壓主要用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算，同時(shí)采集到的母線電壓和三相電流也用于欠壓保護(hù)和過流保護(hù).電壓的采集方式采用電阻分壓加電容濾波，電流的采樣通過選取合適的采樣電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)RC濾波后采集得到.

（4）電源模塊

電源模塊主要是將24V輔助電源轉(zhuǎn)化為各個(gè)穩(wěn)定低壓給各個(gè)模塊供電.首先，24V輔助電源通過德州儀器TI生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596轉(zhuǎn)化為15V給智能功率模塊，再通過7805穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為5V為通訊模塊提供穩(wěn)定工作電源，最后流經(jīng)LM1117電路將5V電源轉(zhuǎn)化為3.3V為MCU模塊提供穩(wěn)定工作電源.

（5）故障和高溫報(bào)警模塊

故障報(bào)警模塊主要由蜂鳴器和LED小燈組成.其中，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED小燈，S8050驅(qū)動(dòng)蜂鳴器.其工作過程為：通訊模塊故障時(shí)，S8050會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；控制器溫度過高時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)使LED小燈按規(guī)定間隔亮滅.

（6）功率集成模塊

控制器中功率模塊選用英飛凌公司生產(chǎn)的IGCM15F60GA功率集成模塊，內(nèi)部集成邏輯、控制、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路，以及工作過程中的欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路.該模塊的最高母線電壓為400V，峰值電流為15A，開關(guān)頻率為20kHz，工作溫度范圍為-40℃～125℃，工作電壓為14V～18.5V.

綜合以上各硬件部分的設(shè)計(jì)，將各模塊加以集成，本文制作出了EHPS系統(tǒng)控制器實(shí)物.該控制器板集成了控制和驅(qū)動(dòng)于一體，滿足目前市場(chǎng)上助力電機(jī)高度集成的要求，極大提高了空間利用率.

2.2 EHPS系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì)

主程序包括三部分：控制決策部分、發(fā)送與故障診斷部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分.主程序流程圖如圖4所示.程序首先對(duì)IO口，定時(shí)器，AD，CAN通訊等外設(shè)初始化，然后檢測(cè)CAN通訊是否正常；如果CAN通訊故障，存儲(chǔ)故障碼并啟動(dòng)故障報(bào)警，進(jìn)入人工操縱模式；若CAN通訊正常，繼續(xù)檢測(cè)控制器是否正常，如果控制器有故障，則通過CAN通訊模塊發(fā)送故障碼到車載網(wǎng)絡(luò)中，啟動(dòng)故障報(bào)警，進(jìn)入人工操縱模式；如果控制器無(wú)故障，檢測(cè)車輛是否啟動(dòng)，若車輛未啟動(dòng)繼續(xù)檢測(cè)；如果車輛已啟動(dòng)則等待轉(zhuǎn)向信號(hào)，收到轉(zhuǎn)向信號(hào)后啟動(dòng)電機(jī)，啟動(dòng)電機(jī)后檢測(cè)是否停止轉(zhuǎn)向命令，如果停止，返回到車輛啟動(dòng)檢測(cè)階段.

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

當(dāng)控制器收到轉(zhuǎn)向信號(hào)后，電機(jī)啟動(dòng)，AD采集模塊開始采集三相電流ia、ib、ic與母線電壓uf，利用采集到的三相電流ia、ib、ic與母線電壓uf進(jìn)行坐標(biāo)變換uα和uβ，二者提供給空間矢量脈寬調(diào)制算法計(jì)算出三相橋開關(guān)時(shí)間，然后單片機(jī)輸出6路PWM信號(hào)給功率模塊，最終輸出三相電驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作.

（2）控制器過熱程序設(shè)計(jì)

STM32f103zet6有一個(gè)內(nèi)部的溫度傳感器，可以用來(lái)測(cè)量CPU及周圍的溫度.該溫度傳感器在內(nèi)部和ADCx_IN16輸入通道相連接，此通道把傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值.溫度傳感器支持的溫度范圍為：-40℃～125℃，完全適用于本控制器溫度檢測(cè).每隔2s檢測(cè)一下控制器溫度，如果控制器溫度超過60℃，軟件中斷觸發(fā)過熱保護(hù)關(guān)閉，所有輸出進(jìn)入非助力模式，并發(fā)送控制器過熱消息到車載網(wǎng)絡(luò)中.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)制作的控制器是否正常驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，對(duì)控制器控制的電機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn).試驗(yàn)臺(tái)架使用新能源汽車電機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)試電機(jī)的工作狀況，另外試驗(yàn)臺(tái)架還包括自主研制的EHPS系統(tǒng)控制器和1.3kW永磁同步電機(jī)一臺(tái).臺(tái)架布置如圖5所示，依次為控制器、永磁同步電機(jī)、聯(lián)軸器、新能源汽車電機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng).

圖5電機(jī)性能檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Field drawingof motor performancetest bench test

此次試驗(yàn)為開環(huán)測(cè)試，電腦端模擬車輛的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)通過CAN通訊工具發(fā)送至EHPS系統(tǒng)控制器，電機(jī)控制器獲得轉(zhuǎn)向信號(hào)后啟動(dòng)電機(jī)，接著電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器進(jìn)而帶動(dòng)測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算程序可在電腦端獲得電機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和電流等.試驗(yàn)完成后從測(cè)試系統(tǒng)中獲取電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示.試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了本文自主開發(fā)制作的EHPS系統(tǒng)控制器正常驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，無(wú)位置傳感器的矢量控制方法控制有效，可滿足EHPS系統(tǒng)的基本功能.

圖6 電流、轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化圖Fig.6 Change chart of current and torque with time

3.2 EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)

該系統(tǒng)的開發(fā)即是為了提高客車運(yùn)行的安全性、舒適性和駕駛可靠性，為未來(lái)客車自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ).為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)開發(fā)的EHPS系統(tǒng)控制器是否滿足轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)實(shí)際使用的要求，本文進(jìn)行了EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)，其主要包括EHPS試驗(yàn)臺(tái)架、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)、控制器、仿真器及示波器等，EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)布置如圖7所示.

圖7 EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)布置Fig.7 EHPSsystemtest layout

EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)主要目的是對(duì)車輛搭載EHPS系統(tǒng)前后的方向盤轉(zhuǎn)向扭矩進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比.首先，不開啟轉(zhuǎn)向助力，左右分別勻速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤約180°，記錄采集到的方向盤數(shù)據(jù).然后，開啟轉(zhuǎn)向助力，將方向盤左右分別勻速轉(zhuǎn)動(dòng)約180°，記錄采集到的方向盤數(shù)據(jù).最后，整合無(wú)助力和助力時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖8所示.

圖8 方向盤力矩隨方向盤轉(zhuǎn)角變化曲線Fig.8 Steeringwheel torquecurvewith steeringwheel angle

通過試驗(yàn)圖像可以得知：操縱方向盤進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向時(shí)，控制器不工作（無(wú)助力）方向盤轉(zhuǎn)矩最大值約為8 N·m，控制器工作（有助力）方向盤操控力矩最大值約為4 N·m，兩者最大值相差了4 N·m左右.因此，自主開發(fā)制作的EHPS系統(tǒng)控制器工作時(shí)，操控方向盤的轉(zhuǎn)矩明顯減小，并且隨著車速的增加，助力力矩隨之減小，實(shí)現(xiàn)了助力動(dòng)態(tài)變化.

4 結(jié)論

基于STM32F103zet6型主控芯片，本文研制了一款適用于智能客車使用的永磁同步電機(jī)式EHPS系統(tǒng)控制器，由試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）該控制器軟硬件工作正常，能夠接受到CAN總線發(fā)出的速度和轉(zhuǎn)角信號(hào)，實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)和CAN總線的通訊，并且控制器硬件集成了控制和驅(qū)動(dòng)于一體，滿足目前市場(chǎng)上助力電機(jī)高度集成的要求，極大提高了空間利用率.

（2）該控制器采用了無(wú)傳感器的矢量控制算法，在保證功率限制的前提下減少了線束連接，降低了制造成本.臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中控制器能夠驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)正常工作，電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，并且輸出穩(wěn)定，能夠達(dá)到EHPS系統(tǒng)基本的使用功能.

（3）通過對(duì)比EHPS系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，EHPS系統(tǒng)控制器在工作時(shí)，操縱方向盤的轉(zhuǎn)矩明顯減小，且轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)有良好的助力性能；隨著車速的增加，操縱方向盤助力力矩隨之減小，實(shí)現(xiàn)了助力動(dòng)態(tài)變化，達(dá)到了常規(guī)助力模式的要求.