EPS用永磁同步電機(jī)電流傳感器零點(diǎn)在線標(biāo)定策略_圖文.

1、2009 年(第 31 卷第 10 期汽 車工程 A uto m oti v e Eng i neer i ng2009(V o l 31 N o 102009201EPS 用永磁同步電機(jī)電流傳感器零點(diǎn)在線標(biāo)定策略*羅旋 1,陳慧 2,龔小平2(1 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804; 2 上海羅冠電子有限公司,上海 201000摘要電流傳感器的零點(diǎn)漂移往往會(huì)造成 永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。 文中在分析零點(diǎn)漂移所造成影 響的基礎(chǔ)上，提出了一種通過對(duì) 采樣電流的頻率分 析進(jìn)行電流 傳感器零點(diǎn) 在線標(biāo)定的 策略。該策 略僅需電流傳感 器輸出信號(hào)及電 機(jī)轉(zhuǎn)速即可對(duì)誤差進(jìn)行識(shí)別，并依靠事先制定的調(diào)

2、整策略消除傳感器零點(diǎn)漂移。關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；電流傳感器；零點(diǎn)漂移；在線標(biāo)定A n O n li n e Ca li b rati on Strategy for Curre nt Sen sor O ffseti n P M S M for EPSLuo Xua n 1,Che n 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 201804;2 SLG Au t o m otive E l ec t ron i cs Co , L

3、t d , Sha ngha i 201000A bstract The zero drift o f curre nt sen sor usually results i n output to r que ri p p le ofper m anen tm agnet syn -chr onous 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 n e ca li b rati onstrategy is proposed for cu

4、rre nt sen sor o ffset based on freque ncy ana lysis on measured current The strategy can -i dentify the m easure m ent err o r w ith on ly the outpu tsi g na l of curre nt sen sor and mo tor speed And t h e zer o drift o f sen sor can be e li m i nated by an adjust m en t strategy w or ked out i n

5、adva neeK eywords :electric pow er steeri ng ; curre nt sen sor ; zero drift ; on li ne cali b rati on*羅冠汽車底盤電子基金教席以及上海市信息化委員會(huì)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助。年刖言由于具有轉(zhuǎn)向助力特性靈活、能耗低和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS 已經(jīng)成為汽車 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。而永磁同步電機(jī) (P M S M 作為助力電 機(jī)優(yōu)勢(shì)顯著,被廣泛應(yīng)用到 EPS 系統(tǒng)中1。在 EPS 中，助力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制相對(duì)其它系統(tǒng) 要求較高。為了保證駕駛員的 操作舒適性，必須將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在一定

6、范圍內(nèi)。除了電機(jī) 本身的結(jié) 構(gòu)會(huì)導(dǎo) 致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以外，電子控制單元(EC U 也會(huì)在很多環(huán)節(jié) 上導(dǎo)致電機(jī)輸出 轉(zhuǎn)矩的波 動(dòng)。對(duì) P MSM而言,位置傳感器誤差、 電流傳感器誤 差、P WM 波的 開關(guān)以及計(jì)算誤差都會(huì)造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)2其中電流傳感器誤差尚未引起大多數(shù)學(xué)者的重視3,特別是國內(nèi)對(duì)這方面的研究較少。電流傳感器誤差主 要分為 零點(diǎn)（o ffset 誤差和增益（sca-ling 誤差。由于 電流傳感 器的參數(shù)會(huì) 受到溫 度影響，上述兩種誤差都難以 通過事前的標(biāo)定消除目前國外有一部分學(xué)者研究出了一些方法來消除電流傳感器誤差。文獻(xiàn)4中提到了一種對(duì) d 軸電流分段積分的方法。另外重復(fù)學(xué)習(xí)控制也被應(yīng)用

7、到減小 P M SM 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的研究中5。而有的學(xué)者則 對(duì)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速進(jìn)行頻率分析來消除零點(diǎn)誤差3,6。這些算法都有一定的復(fù)雜性，或者對(duì)電流傳 感器以外的傳感器要求較高。根據(jù)文獻(xiàn)3的分析，零點(diǎn)誤差引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率為 f e ,增益誤差引起的轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)頻率為 2f e。由于整個(gè) EPS 系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩而言是個(gè)低通系統(tǒng)7,所996 汽 車工 程 2009 年（第 31 卷第 10 期以較低頻率的波動(dòng)在電機(jī)控制及整個(gè) EPS 系統(tǒng)中更 難抑制，影響更為惡劣。 文中從頻率較低的零點(diǎn)誤差入手，研究一種算法較為簡單、僅使用電流傳感器本 身信號(hào)進(jìn)行在線標(biāo)定的方法8。1 電流傳感器零點(diǎn)漂移的影響分析在實(shí)際應(yīng)用

8、中，電子元器件的參數(shù)會(huì)受到溫度 的影響而變化。車輛上的環(huán)境溫 度變化劇烈，所以電流傳感器的零點(diǎn)難免會(huì)在使用過程中發(fā)生漂移。 1 1 零點(diǎn)漂移 引起的檢測(cè)誤差分析設(shè)零點(diǎn)漂 移引起的三相電流檢測(cè)誤差 分別為 i a、i b、i c。通常 P M S M 的電流檢測(cè)米取兩相電流 檢測(cè)的方式。即只檢測(cè) A、B 兩相電流，C 相電流由 ia+i b m+i c m=0(其中 i a m、i b m、i c m分別為 a、b、c 三相電流測(cè)量值 計(jì)算獲得，則i c =-( i a + i b(1由于 A、B 兩相電流檢 測(cè)使用的是相同的元器 件，同一環(huán)境溫度對(duì)兩個(gè)檢測(cè)單元造成的影響應(yīng)當(dāng) 基本相同，所以在此

9、假設(shè) A、B 兩相電流檢測(cè)零點(diǎn)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 -2 i(3式中 i a m、i b m分別為 a、b、c 三相電流測(cè)量值,i a、i b、i c 分別為 a、b、c 三相電流實(shí)際值。由于 P M S M 控制多用矢量控制,所以須將靜止 三相（ABC 坐標(biāo)系下的 變量變換到旋轉(zhuǎn)兩相（d -q 坐標(biāo)系下。則電流閉環(huán)控制中的反饋量如下。i d m3i a m sin e t +i b m sin ( e t-3 +i c msin ( e

10、 t +3 i q m23i 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分別為 d 軸和 q 軸電流測(cè)量值，e 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(3 和式(4 可推導(dǎo)出檢測(cè)單元零點(diǎn)漂移造成的檢測(cè)誤差如下。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 分別為 d 軸和 q 軸電流檢測(cè)誤差,i d、i q 分別為 d 軸和 q 軸電 流實(shí)際值。12 檢測(cè)誤差的影響分析圖 1 為 P M S M 的基本控制框圖。設(shè)電

11、流指令 i re f 的閉環(huán) 增益為 K 1,測(cè)量 誤差 i dq的閉環(huán)增益為 K 2(K1、K 2 均隨各自信號(hào)的頻率不同而改變。則 i dq (s =K 1(s i ref (s -K 2(si dq (s。圖 1P M S M 控制框圖在通常的電機(jī)控制中，電機(jī)實(shí)際電流 i dq 對(duì)指令電流 i ref 以及對(duì)電流檢測(cè)噪 聲(此處將電流檢測(cè)誤差 i dq 視為檢測(cè)噪聲的頻率響應(yīng)特性(K1(s 和 K 2(s 通 ?？山茷?1 階或 2 階的低通濾波器特 性。一般來說 i ref 的頻率都遠(yuǎn)小于電流閉 環(huán)的截止頻率。所以可認(rèn)為 K 1=1。而 i dq 的頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速 e 決定,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)

12、速很低時(shí) K 2=1,電機(jī)轉(zhuǎn)速較高 時(shí) K 21 并隨轉(zhuǎn)速升高而減小。可以看出由于檢測(cè)單元的零點(diǎn) 漂移，P M S M 的輸出電流在指令值上 疊加了頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)速 頻率 f e=e2的交流成分。該成分的幅值大小與零點(diǎn)漂移大小以及控制器在f e 頻率上的增益 K 2 有關(guān)。由于 P M S M 的輸出轉(zhuǎn)矩與其 q 軸電流 i q 直接相 關(guān)(Te =K T i q ,其中 K T 為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，所以 i q 中因傳感器零點(diǎn)檢測(cè)誤差引起的交流成分會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩 T e 在 f e 頻率上的波動(dòng)。2 檢測(cè)零點(diǎn)的在線標(biāo)定策略如上所述，電流檢測(cè)單元的零點(diǎn)會(huì)在系統(tǒng)使用過程中隨著溫度的變化而變化，所以需要

13、設(shè)計(jì)一種在線標(biāo)定的策略，可以自動(dòng)對(duì)發(fā)生變化的檢測(cè)零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。21 在線標(biāo)定策略分析根據(jù)第 1 節(jié)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 羅旋,等：EPS 用永磁同步電機(jī)電流傳感器零點(diǎn)在線標(biāo)定策略 997式中 K 仁 1所以測(cè)量所得的 d 軸電流 i d m=i d + i d =i dref+（1-K 2 i d ,其中 i d =2 i sin （ e t -3o只要能通過頻譜分析的方法提取出 i d m中頻率為 f e 的成分并確保 K 2 基本不變，即可得知電流檢測(cè)單元零點(diǎn) 漂移引 起的相電流檢

14、測(cè)誤差 i 的大小。并以此為 根據(jù)進(jìn)行檢測(cè)零點(diǎn)的修正。22 在線標(biāo)定 整體策略圖 2 為在線標(biāo)定整體策略框圖，由三部分組成：智能緩存器（inte lligent buffer , I B、離散傅立葉變換（DFT 模塊和檢測(cè)零點(diǎn)調(diào)節(jié)器（offset adjustor , OA圖 2 在線標(biāo)定整體策略框圖其中 I B 將實(shí)時(shí)采集到的 i d m進(jìn)行有條件的緩 存,在獲取到足夠的符合條件的信號(hào)序列 i dmn 后移交給 DFT 模塊。DFT 模塊針對(duì)對(duì)應(yīng)的 f e 對(duì) i d mn進(jìn)行頻譜分析,計(jì)算出 i d m中頻率為 f e 的成分的幅值 大小|i d m|。 然后 OA 根據(jù)該幅值的情況對(duì)檢測(cè)

15、零點(diǎn) 偏移量 I offset 進(jìn)行修正。 2 3 智能 緩存器 （IB 訃 1 XtMJM紳 M 零點(diǎn)山 41- -X-在 EPS 的運(yùn)行過程中，駕駛員的操作無法預(yù)測(cè)。而采集到的信號(hào)序列必須是在穩(wěn)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速下獲得,所以在本策略中需 要對(duì)輸入的信號(hào) idm進(jìn)行篩選。由于基本的緩存器只能對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械地 緩存，作者設(shè)計(jì)了 一個(gè)可以智能篩選輸入信號(hào)的緩 存器（I B。圖 3 顯示了 I B 的工作流程。其中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速 e 的判斷必須符合以下條件(1 e_m in e e_max(7 (2 | e (k - e (k -1 |(8式中 e_max、e_m in 為指定的測(cè)量轉(zhuǎn)速區(qū)間的上下限,為

16、轉(zhuǎn)速變化的限值。2 4 DFT 模塊對(duì)于一般的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，DFT 算法巨大的運(yùn) 算量是其在實(shí)際應(yīng)用中的致命 缺陷。但是基于以下 原因本策略仍選擇 DFT 算法。(1 模塊只須針對(duì)單一頻率進(jìn)行計(jì)算，本為 2 階的運(yùn)算量降為 1 階。(2 相對(duì)于電機(jī)的電流 控制，溫度引起的檢測(cè)圖 3 智能緩存器工作流程常低，可以在控制程序的后臺(tái)運(yùn)行。(3 DFT 算法的公式簡單,含義清晰,因此比其它高級(jí)的傅立葉變換算法更容易實(shí)現(xiàn)。2 5 檢測(cè)零點(diǎn)調(diào)節(jié)器(0A由于各種因素的影響，控制器很難利用 DFT 算法計(jì)算出精確的 i 值，所以不能 采用直接補(bǔ)償?shù)姆椒?。本策略選擇了一種試探性的檢測(cè)零點(diǎn)調(diào)節(jié)方法，具體的 流程如

17、圖 4 所示。圖 4 檢測(cè)零點(diǎn)調(diào)節(jié)器工作流程通過該方法，可以將電流檢測(cè)零點(diǎn)逐步地調(diào)節(jié) 到基本接近精確值(受分辨率 限制不可能完全接近,并保持在該值上。當(dāng)實(shí)際的零點(diǎn)隨著溫度變化 再次漂移，調(diào)節(jié)器會(huì)繼續(xù)調(diào)節(jié)檢測(cè)零點(diǎn)，直至測(cè)得的3 仿真結(jié)果(p為了驗(yàn)證 22 節(jié)中對(duì) i 的閉環(huán)增益 K2 的分析,進(jìn)行了 i d 隨 i d 頻率變化的仿 真。圖 5是不同轉(zhuǎn)速（或電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率 f e 下的 d 軸電流響應(yīng)。由圖可見 d 軸的電 流波動(dòng)頻率與 fe一致，幅值隨轉(zhuǎn)速升高而減小。=otJi = O+98A, I I = 2jt = L96A圖 5 不同 f e 下的 d 軸電流響應(yīng)圖 6 則從頻域分析了轉(zhuǎn)速

18、對(duì) K2 的影響。可以看出在低轉(zhuǎn)速區(qū)域要保持 K2 基本不變，指定的測(cè)量轉(zhuǎn)速區(qū)間需要足夠小。而在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，即使轉(zhuǎn)速變化范 圍較大,K2的變化也能接受jh5(J.h二0, M = G98A* I di/ I = 2di = L96A圖 6d 軸電流誤差傳遞幅頻特性4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)在電機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行,預(yù)先人為設(shè)定了零點(diǎn) 漂移 i =5LSB (least si g nificant bit。圖 7 顯示了EC U 自動(dòng)對(duì)電流檢測(cè)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程?？刂破髅扛?10s 對(duì) i offset 進(jìn)行一次調(diào)整,最后穩(wěn)定在-7LSB ,與預(yù)期的-5LSB 相差了2LSB ,應(yīng)該是最初的標(biāo)定誤差所致。圖 7

19、標(biāo)定策略對(duì)零點(diǎn)的調(diào)節(jié)過程,r =300r/mi n圖 8 則對(duì)比了標(biāo)定前后的電流波動(dòng)，可以看出 電流波動(dòng)幅值從最初的約 1 75A 減小到了約 0 2A(1LSB =0 195A。圖 8 標(biāo)定前后電流波動(dòng)對(duì)比5 結(jié)論研究了一種 EPS 用永磁同步電機(jī)的電流傳感器下轉(zhuǎn)第 1003 頁圖 5 測(cè)試結(jié)果5 結(jié)論所設(shè)計(jì)的 GPRS 車載故障診斷網(wǎng)關(guān)，硬件采用 ARM Cortex M 3 處理器 和 B enQ最新推出的 GPRS 模塊 M 33,軟件采用了分層模塊化的設(shè)計(jì)思想,實(shí)現(xiàn)了GPRS 車載故障診斷網(wǎng)關(guān)功能。創(chuàng)新點(diǎn)在于將汽車的診斷技術(shù)與 GPRS 無線通信技術(shù)相結(jié)合，為下一代汽車遠(yuǎn)程診斷設(shè)計(jì)提

20、供了有效的設(shè)計(jì)思路，并為其技術(shù)實(shí)施做了必要的鋪墊。參考文獻(xiàn)1 魯松濤 基于 In ternet 的汽車電子遠(yuǎn)程診斷技術(shù)研究D .南京：南京航空航 天大學(xué)，20042 游張華,許勇 CAN /GPRS 無線車載網(wǎng)關(guān)的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn)J .汽車電子,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 Mi cro In c , 20074 Zhiyua n E l ectro n i cs CT M 825 仃 Dat a Sh eetG .Zh i yu an

21、 E lec -tronics COLTD , 20075 Q i sdaM 33GSM /GPRSW i rel ess M odu l es M 2M U ser Gu i deG . Q i sda Co 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 ideG .Q i sda C o Inc , 2008 11 137 孟曉楠 SAE J 1939 協(xié)議分析和 Sm artJ1939 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)D.浙江：浙江大學(xué),20068 SAE J 1939 71V

22、 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 頁零點(diǎn)在線標(biāo)定策略。通過理論分析、M atlab /sim u li n k 仿真和電機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論。(1 電流傳感器的零點(diǎn)誤差會(huì)引起頻率為 f e、幅值為 2 i 的 d 軸和 q 軸電流波 動(dòng)。(2 零點(diǎn)誤差的信息可以通過 EC U 本身檢測(cè)的電流信號(hào)分析得出。(3 通過在線標(biāo)定策略 調(diào)節(jié)電流零點(diǎn)后，

23、能顯著減小 d 軸和 q 軸的電流波動(dòng)。該策略有待于在 EPS 系統(tǒng)中進(jìn)一步驗(yàn)證。在此 基礎(chǔ)上，可以發(fā)展成針對(duì)電流 傳感器增益誤差的在 線標(biāo)定方法。參考文獻(xiàn)1陳慧,楊磊,南楠,等汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子化技術(shù)發(fā)展J.2OO8 世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究,2008:35-692 Ch en S, N a muduri C, M ir S Contro ll er -In duced Paras itic Torque R i pp l es in a P M S ynch ronou sM otorC .I EEE T ran sacti ons on I n-dustry App licati ons

24、, Septem ber/October, 2002, 38(5:1273-1281 3 C hung D , Sul S K Anal ysis and Co m pen s ation of Curre n tM eas u re -m en t Error i n Vector -Co n trolled AC M otor Dri ves C .I EEETran sacti o ns on In dustry App li cati on s , 1998, 34(2:340-345 4 J ung H S, Hw ang SH, K i m J M, et al D i m i nuti on of Curre n t -M eas u re m en tE rror for Vector -C on troll ed AC M ot or D ri ves C . IEEE T ran sacti on s on In dustry App lications ,