EPS用永磁同步电机电流传感器零点在线标定策略图文.docx

1、EPS用永磁同步电机电流传感器零点在线标定策略图文2009年 (第 31卷 第 10期汽 车 工 程 A uto m oti v e Eng i neer i ng2009(V o l 31 N o 102009201EPS 用永磁同步电机电流传感器零点在线标定策略*罗 旋 1, 陈 慧 2, 龚小平2(1 同济大学汽车学院 , 上海 201804; 2 上海罗冠电子有限公司 , 上海 201000摘要 电流传 感器的零点漂移往往会造成 永磁同 步电机 输出转 矩的波动。 文中在 分析零 点漂移 所造成影 响的基础上 , 提出了一种通过对 采样电流的频率分析进行电流 传感器零点 在线标定的 策

2、略。该策 略仅需 电流传感 器输出信号及电机转速即可对误差进行识别 , 并依靠事先制定的调整策略消除传感器零点漂移。关键词 :电动助力转向 ; 电流传感器 ; 零点漂移 ; 在线标定A n O n li n e Ca li b rati on Strategy for Current Sensor O ffseti n P M S M for EPSLuo Xuan 1, Chen H ui 1&Gong X i a oping21 Colle g e of Au to m oti ve E ng i n ee ring, T ongji University , Shang hai 2018

3、04; 2 SLG Au t o m otive E l ec t ron i cs Co , L t d , Shangha i 201000A bstract The zero drift o f current sensor usually results i n output to r que ri p p le of per m anen tm agnet syn -chronous m otor (P M S M In th is paper , after d iscussi n g the negati v e effects o f zero drif, t an on li

4、 n e ca li b rationstrategy is proposed for current sensor o ffset based on frequency ana lysis on m easured current The strategy can -i dentify the m easure m ent err o r w ith on ly the outpu t si g na l of current sensor and mo tor speed And t h e zer o drift o f sensor can be e li m i n ated by

5、an adjust m en t strategy w or ked out i n advanceK eywords :electric pow er steering ; current sensor ; zero drift ; online cali b ration*罗冠汽车底盘电子基金教席以及上海市信息化委员会专项资金项目资助 。年 前言由于具有转向助力特性灵活、 能耗低和结构紧 凑等特点 , 电动助力转向系统 (EPS 已经成为汽车 转向系统的发展方向。而永磁同步电机 (P M S M 作 为助 力 电 机 优 势 显 著 , 被 广 泛 应 用 到 EPS 系 统 中 1。在

6、EPS 中 , 助力电机的转矩控制相对其它系统 要求较高。为了保证驾驶员的操作舒适性 , 必须将 电机的输出转矩波动控制在一定范围内。除了电机 本身的结 构会导 致转 矩波 动以 外 , 电 子控 制 单元 (EC U 也会在很多环节 上导致电机输出 转矩的波 动。对 P MSM 而言 , 位置传感器误差、 电流传感器误 差、 P WM 波 的开关以及计算 误差都会造成 转矩波动 2。其中电流传感器误差尚未引起大多数学者的重视 3, 特别是国内对这方面的研究较少。电流传 感器误差主 要分为 零点 (o ffset 误 差和 增益 (sca-ling 误 差。由于 电流传感 器的 参数会 受到温

7、 度影 响 , 上述两种误差都难以通过事前的标定消除。目前国外有一部分学者研究出了一些方法来消 除电流传感器误差。文献 4中提到了一种对 d 轴 电流分段积分的方法。另外重复学习控制也被应用到减小 P M SM 转矩波动的研究中 5。而有的学者则 对电机 的 机械 转 速 进行 频 率 分析 来 消 除零 点 误 差 3, 6。这些算法都有一定的复杂性 , 或者对电流传 感器以外的传感器要求较高。根据文献 3的分析 , 零点误差引起 的转矩波 动频率为 f e , 增益误差引起的转矩波动频率为 2f e 。 由于整个 EPS 系统对转矩而言是个低通系统7, 所996 汽 车 工 程 2009年

8、 (第 31卷 第 10期 以较低频率的波动在电机控制及整个 EPS 系统中更 难抑制 , 影响更为恶劣。文中从频率较低的零点误 差入手 , 研究一种算法较为简单、 仅使用电流传感器 本身信号进行在线标定的方法8。1 电流传感器零点漂移的影响分析在实际应用中 , 电子元器件的参数会受到温度 的影响而变化。车辆上的环境温度变化剧烈 , 所以 电流传感器的零点难免会在使用过程中发生漂移。 1 1 零点漂移引起的检测误差分析 设零点漂 移引起的 三相电流 检测误差 分别为 i a 、 i b 、 i c 。 通常 P M S M 的电流检测采取两相电流 检测的方式。即只检测 A 、 B 两相电流 ,

9、 C 相电流由 i a m+i b m+i c m=0(其中 i a m、 i b m、 i c m分别为 a 、 b 、 c 三 相电流测量值 计算获得 , 则i c =-( i a + i b (1由于 A 、 B 两相电流检 测使用的是相同的元器 件 , 同一环境温度对两个检测单元造成的影响应当 基本相同 , 所以在此假设 A 、 B 两相电流检测零点漂 移相等 :i a = i b = i(2由式 (1 、 式 (2 得 : i c =-2 i , 即 i a m =i a + i ; i b m =i b + i ; i c m =i c -2i(3式中 i a m、 i b m、

10、i c m分别为 a 、 b 、 c 三相电流测量值 , i a 、 i b 、 i c 分别为 a 、 b 、 c 三相电流实际值。由于 P M S M 控制多用矢量控制 , 所以须将静止 三相 (ABC 坐标系下的 变量变换到旋转两相 (d -q 坐标系下。则电流闭环控制中的反馈量如下。 i d m=3i a m sin e t +i b m sin ( e t-3 + i c msin ( e t +3 i q m=23i a m cos e t +i b m cos ( e t -23 +i cm co s ( e t +3(4式中 i d m 、 i q m分别为 d 轴和 q 轴电

11、流测量值 , e 为电 机转速。根据式 (3 和式 (4 可 推导出检测单元零点漂移造成的检测误差如下。i d =i d m-i d =2 i sin ( e t -3i q =i qm-i q =2 i cos ( e t -3(5式中 i d 、 i q 分别为 d 轴和 q 轴电流检测误差 , i d 、 i q 分别为 d 轴和 q 轴电流实际值。1 2 检测误差的影响分析图 1为 P M S M 的基本控制框图。设电流指令 i re f 的闭环 增 益 为 K 1, 测量 误 差 i dq 的 闭环 增 益 为 K 2(K1、 K 2均随各自 信号 的频率 不同 而改 变 。则 i

12、dq (s =K 1(s i ref (s -K 2(s i dq (s 。图 1 P M S M 控制框图在通常的电机控制中 , 电机实际电流 i dq 对指令 电流 i ref 以及对电流检测噪声 (此处将电流检测误差 i dq 视为 检 测 噪 声 的 频 率 响应 特 性 (K1(s 和 K 2(s 通常可近似为 1阶或 2阶的低通滤波器特 性。 一般来说 i ref 的频率都远小于电流闭环的截止频率。所以可认为 K 1=1。 而 i dq 的频率由电机转速 e 决定 , 当电机转速很低时 K 2=1, 电机转速较高 时 K 21并随转速升高而减小。可以看出由于检测单元的零点 漂移 ,

13、 P M S M 的输 出电流在指令值上 叠加了频率为电机转速频率 f e =e2的交流成分。 该 成分的幅值大小与零点漂移大小以及控制器在 f e 频 率上的增益 K 2有关。由于 P M S M 的输出转矩与其 q 轴电流 i q 直接相 关 (Te =K T i q , 其中 K T 为电磁转矩系数 , 所以 i q 中 因传感器零点检测误差引起的交流成分会导致输出 转矩 T e 在 f e 频率上的波动。2 检测零点的在线标定策略如上所述 , 电流检测单元的零点会在系统使用 过程中随着温度的变化而变化 , 所以需要设计一种 在线标定的策略 , 可以自动对发生变化的检测零点 进行标定。2

14、 1 在线标定策略分析根据第 1节的分析可知 :i d (s =K 1(s i d_ref(s -K 2(s i d (s(62009(V o l 31 N o 10罗 旋 , 等 :EPS 用永磁同步电机电流传感器零点在线标定策略 997式中 K 1=1。所以测量所得的 d 轴电流 i d m=i d + i d =i dref+(1-K 2 i d , 其中 i d =2 i sin ( e t -3。 只要 能通过频谱分析的方法提取出 i d m中频率为 f e 的成 分并确保 K 2基本不变 , 即可得知电流检测单元零点 漂移引起的相电流检测误差 i 的大小。并以此为 根据进行检测零点

15、的修正。 2 2 在线标定整体策略图 2为在线标定整体策略框图 , 由三部分组成 :智能缓存器 (inte lligent buffer , I B 、 离散傅立叶变换 (DFT 模块和检测零点调节器 (offset adjustor , OA 。 图 2 在线标定整体策略框图其中 I B 将实时采 集到的 i d m进 行有条件的缓 存 , 在获取到足够的符合条件的信号序列 i d mn 后 移交给 DFT 模块。 DFT 模块针对对应的 f e 对 i d mn 进行频谱分析 , 计算出 i d m中频率为 f e 的成分的幅值 大小 |i d m|。 然后 OA 根据该幅值的情况对检测零

16、点 偏移量 I offset 进行修正。 2 3 智能缓存器 (IB 在 EPS 的运行过程中 , 驾驶员的操作无法预测。 而采集到的信号序列必须是在稳定的电机转速下获得 , 所以在本策略中需 要对输入的信号 i d m进行筛 选。由于基本的缓存器只能对输入数据进行机械地 缓存 , 作者设计了一个可以智能筛选输入信号的缓 存器 (I B 。图 3显示了 I B 的工作流程。其中对电机转速 e 的判断必须符合以下条件。(1 e_m in e e_max(7 (2 | e (k - e (k -1 |(8式中 e_max 、 e_m in 为指定的测量转速区间的上下限 , 为转速变化的限值。 2

17、4 DFT 模块对于一般的实时系统来说 , DFT 算法巨大的运 算量是其在实际应用中的致命缺陷。但是基于以下 原因本策略仍选择 DFT 算法。(1 模块只须针对单一频率进行计算 , 本为 2阶 的运算量降为 1阶。(2 相对于电机的电流 控制 , 温度引 起的检测图 3 智能缓存器工作流程常低 , 可以在控制程序的后台运行。(3 DFT 算法的公式简单 , 含义清晰 , 因此比其它高级的傅立叶变换算法更容易实现。 2 5 检测零点调节器 (OA 由于各种因素的影响 , 控制器很难利用 DFT 算 法计算出精确的 i 值 , 所以不能采用直接补偿的方 法。本策略 选择了一种 试探性 的检 测零

18、点调节 方法 , 具体的流程如图 4所示。图 4 检测零点调节器工作流程通过该方法 , 可以将电流检测零点逐步地调节 到基本接近精 确值 (受分辨 率限制 不可 能完 全接 近 , 并保持在该值上。当实际的零点随着温度变化 再次漂移 , 调节器会继续调节检测零点 , 直至测得的3 仿真结果 为了验证 2 2节中对 i 的闭环增益 K 2的分析 , 进行了 i d 随 i d 频率变化的仿真。 图 5是不同转速 (或 电机转速频率 f e 下的 d 轴电流响应。由图可见 d 轴 的电流波动频率与 f e 一致 ,幅值随转速升高而减小。 图 5 不同 f e 下的 d 轴电流响应图 6则从频域分析

19、了转速对 K 2的影响。 可以看 出在低转速区域要保持 K 2基本不变 , 指定的测量转 速区间需要足够小。 而在高转速区域 , 即使转速变化 范围较大 , K 2的变化也能接受。 图 6 d 轴电流误差传递幅频特性4 实验结果实验在电机台架上进行 , 预先人为设定了零点 漂移 i =5LSB (least si g nificant bit 。图 7显示了EC U 自动对电流检测零点进行调节的过程。控制器每隔 10s 对 i offset 进行一次调整 , 最后稳定在 -7LSB , 与预期的 -5LSB 相差了 2LSB , 应该是最初的标定误差所致。图 7 标定策略对零点的调节过程 ,

20、r =300r/mi n图 8则对比了标定前后的电流波动 , 可以看出 电流波动幅值从最初的约 1 75A 减小到了约 0 2A(1LSB =0 195A 。图 8 标定前后电流波动对比5 结论研究了一种 EPS 用永磁同步电机的电流传感器下转第 1003页 图 5 测试结果5 结论所设计的 GPRS 车载故障诊断网关 , 硬件采用 ARM Cortex M 3处理器 和 B enQ 最 新推出 的 GPRS 模块 M 33, 软件采用了分层模块化的设计思想 , 实现 了 GPRS 车载故障诊断网关功能。创新点在于将汽 车的诊断技术与 GPRS 无线通信技术相结合 , 为下一 代汽车远程诊断设

21、计提供了有效的设计思路 , 并为 其技术实施做了必要的铺垫。参考文献1 鲁松涛 基于 In ternet 的汽车电子远程诊断技术研究 D .南 京 :南京航空航天大学 , 20042 游张华 , 许勇 CAN /GPRS 无线 车载网 关的设 计与 实现 J .汽车电子 , 2008, 24(9 :237-2393 Lum i n ary M i cro L M 3S2948M i crocon troller Data SheetG .Lu m -i n ary M i cro In c , 20074 Zhiyuan E l ectron i cs CT M 8251T Dat a Sh

22、eetG .Zh i yu an E lec -tronics CO LTD , 20075 Q i sdaM 33GSM /GPRSW i rel ess M odu l es M 2M U ser Gu i deG . Q i sda C o Inc , 2008 09 266 Q is da M 33GS M /GPRSW ireless M odu les AT C o mm and S et U s er Gu i deG .Q i sda C o Inc , 2008 11 137 孟 晓 楠 SAE J 1939协 议 分 析 和 Sm artJ1939系 统 设 计 实 现 D

23、.浙江 :浙江大学 , 20068 SAE J 1939 71V eh i cle App licati on LayerS .USA SAE Is -s u ed 2004 129 SAE J 1939 73App licati on Layer -D i agnos ticsS .USA SAE Is sued 2004 03(上接第 998页 零点在线标定策略。通过理论分析、 M a tlab /sim u li n k 仿真和电机台架实验得到以下结论。(1 电流传感器的零点误差会引起频率为 f e 、 幅 值为 2 i 的 d 轴和 q 轴电流波动。(2 零点误差的信息可以通过 EC

24、U 本身检测的 电流信号分析得出。(3 通过在线标定策略 调节电流零点后 , 能显 著减小 d 轴和 q 轴的电流波动。该策略有待于在 EPS 系统中进一步验证。在此 基础上 , 可以发展成针对电流传感器增益误差的在 线标定方法。参考文献1 陈慧 , 杨磊 , 南楠 , 等 汽车转向系统电子化技术发展 J.2008世界汽车技术发展跟踪研究 , 2008:35-692 Ch en S, N a muduri C, M ir S Contro ll er -Induced Paras itic Torque R i pp l es i n a P M S ynch ronou sM otorC .

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28、al Conference on 2005:2006 -20117 L i u Q , Chen H, Zheng H Robu stC ontrol ofE lectri c Pow er Steer -i ng S yste m C .Industrial E lectron ics Society , 2007 IECON 2007 33rd Annu alCon ference of the IEEE, 5-8Nov 2007:874 -8798 上海罗冠电子有限公司 具有 P M S M 电 流传感器 误差自校 正 功能的电动助 力转 向系 统 :中 国 , 200910054001 3P.2009, 6, 26