EPS用永磁同步电机电流传感器零点在线标定策略_图文.

1、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

2、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 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*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。年刖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 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

6、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 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

7、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（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

8、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 的电流检测米取两相电流 检测的方式。即只检测 A、B 两相电流，C 相电流由 ia+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

9、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 -2 i(3式中 i a m、i b 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 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分别为 d 轴和 q 轴电流测量值，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。12 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

11、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 dq (s =K 1(s i ref (s -K 2(si dq (s。图 1P 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

12、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，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

13、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。21 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 仁 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 -3o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

14、测误差 i 的大小。并以此为 根据进行检测零点的修正。22 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 dmn 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

15、零点 偏移量 I offset 进行修正。 2 3 智能 缓存器 （IB 讣 1 XtMJM绅 M 零点山 41- -X-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 idm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

16、转速变化的限值。2 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(0A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点调节方法，具体的 流程如

17、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(p为了验证 22 节中对 i 的闭环增益 K2 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 fe一致，幅值随转速升高而减小。=otJi = O+98A, I I = 2jt = L96A图 5 不同 f e 下的 d 轴电流响应图 6 则从频域分析了转速

18、对 K2 的影响。可以看出在低转速区域要保持 K2 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,K2的变化也能接受jh5(J.h二0, M = G98A* I di/ I = 2di = L96A图 6d 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

19、标定策略对零点的调节过程,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计提

20、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 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 孟晓楠 SAE J 1939 协议分析和 Sm artJ1939 系统设计实现D.浙江：浙江大学,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 页零点在线标定策略。通过理论分析、M atlab /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 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，

23、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.2OO8 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 -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 ,