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 ng
2009(V o l 31 N o 10
2009201
EPS 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 ffset
i n P M S M for EPS
Luo Xuan 1
, Chen H ui 1
&Gong X i a oping
2
1 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 t d , Shangha i 201000
[A 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 n e ca li b ration
strategy 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 an adjust m en t strategy w or ked out i n advance
K 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 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-l
ing 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
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
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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 , 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 -2
i
(3
式中 i a m
、 i b m
、 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
=
3[i a m sin e t +i b m sin ( e t-3 +
i c m
sin ( e t +3 ]
i q m
=
23[i a m cos e t +i b m cos ( e t -2
3 +i c
m 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 -3
i q =i q
m
-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 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 2<1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 =
e
2
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 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
(6
2009(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 d
ref
+(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 m
[n ]后移交给 DFT 模块。

DFT 模块针对对应的 f e 对 i d m
[n ]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 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 , 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
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C o Inc , 2008 09 26
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(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 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
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