一种转向助力电机的多模式控制方法

技术领域

本发明属于电机控制的技术领域，特别是涉及一种转向助力电机的多模式控制方法。

背景技术

转向助力系统作为家用车、商用车的核心系统之一，肩负着为驾驶员提供转弯助力的功能。其中电机控制是转向助力系统中的控制基石，围绕着转向电机的控制，目前大部分厂商仍采用传统的参见图1和图2所示双环PID控制模式，这种模式采用黑盒控制的理念，模型整体稳定性较高，但快速性上有所欠缺。如何能在保证稳定性的前提下，进一步提升电机响应速度，无疑是当前电机控制研究的热门。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何实现电机的快速准确响应，提供一种转向助力电机的多模式控制方法，实现转向助力电机的多模式快速准确响应。

本发明是这样实现的，

一种转向助力电机的多模式控制方法，包括以下步骤：

1)通过数据采集模块采集车辆运行中的各种传感器信号；

2)通过对采集的传感器信号的实时处理与分析，判断出当前车辆所处的工作状态，设置方向盘转矩信号与角速度信号阈值作为电机工作模式的判断标准，选择电机的工作模式，超过阈值则电机处于紧急转向模式，其他情况均属于正常工作模式；

3)当电机处于正常工作模式下，根据上层控制要求的目标电流，通过当前设计的无差拍滑膜控制方式输出目标电流，实现电机电流环的控制；

4)当电机处于紧急转向模式下，根据上层控制要求的目标转速，通过自抗扰弱磁控制方式，输出目标转速，实现电机转速环的控制。

进一步地，步骤3中电机电流环控制包括：搭建电流环模型，所述电流环模型包括电流PID模块、Clark变换模块、Clark逆变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块以及测距模块，电机的三相电流数据经过Clark变换模块后经由Park变换模块，，设置一滑膜观测器在Park变换模块的输出端，经滑膜观测器的数据反馈至无差拍控制器反馈后输出至Park逆变换模块，测距模块所测数据至Park逆变换模块，Park逆变换模块的输出至Clark逆变换模块和SVPWM模块值逆变器。

进一步地，无差拍控制模块控制过程包括：

建立三相坐标系下的永磁同步电机三相平衡方程：

其中，U

经过Clark变换与Park变换将三项静止坐标系下的电压方程转换为dq两相同步旋转坐标系下的电压方程：

U

U

其中，U

对电压方程进行离散化，得到未来时刻的电流预测值：

其中，T为采样时间，所有带时间标志k的数据均为实时采集数据，同时，R、T、L、Ψ参数已提前获取，预测出下一阶段的电流值，实现对电流值的控制。

进一步地，滑膜观测模块通过选择滑模面以及设计相应的滑模控制函数用于补偿电机参数，滑模面S＝i_hat-i，其中，S为滑模面，i_hat为电流估计量，i为电流真实值，使得电流估计量越来越来趋近于真实值，相应的滑模控制函数将

进一步地，步骤4中转速环控制的具体实现方法如下：搭建好的电流环模型上测距模块的输出端设置测速模块，所述第测速模块连接至反馈的输入端，无差拍控制模块的输入端设置自抗扰控制器，并在无差拍控制模块的输出端以及自抗扰控制器的输出端之间设置弱磁控制模块。

进一步地，自抗扰控制模块的实现如下：

建立电机的运动方程：

其中，J为转动惯量，W为电机的机械角速度，T

对上式进行变换，得到：

其中，W_hat为机械角速度的观测值，f_hat为扰动的观测值，W

进一步地，弱磁控制模块的控制过程为：取电流环控制器输出的dq轴电压，得到目标电压

本发明具有如下的优点和有益效果：

电机选用较为常见的永磁同步电机(PMSM)作为转向助力的控制电机。同时，结合转向助力的控制要求，将电机的控制分为了两种模式：普通工作模式和紧急转向模式。其中，普通工作模式主要是电机电流环(转矩环)的控制，相较于传统的PID电流环控制方式，本发明选用无差拍控制方法作为控制器，设计滑膜观测器进行误差观测以及控制修正，进一步减少了模型误差带来的干扰，实现了较为理想的电流环控制。另一方面，当处于紧急转向模式时，由于电机基础转速不足，此时，电机需切换到速度环进行弱磁控制，同时，为了进一步提高速度环的响应速度，本发明将自抗扰控制方法运用到电机速度环的控制中，同时，与弱磁控制方法相结合实现电机速度环的快速准确响应。本发明相较于传统的转向助力永磁同步电机的控制方法，选用了更为优秀的控制理念和控制方法，通过两种模式的自由切换，实现对于永磁同步电机的快速精确反应，对于其他转向助力电机的控制具有较好的参考价值。

附图说明

图1是电机传统PID控制的电流环示意图；

图2是电机传统PID控制的速度环示意图；

图3是本发明用于一种转向助力电机的多模式控制方法的正常工作模式(电流环)的控制示意图。

图4是本发明用于一种转向助力电机的多模式控制方法的紧急转向模式(速度环)的控制示意图。

图5是本发明实施例提供的转向助力电机的多模式控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图5所示，本发明一种转向助力电机的多模式控制方法，包括：

通过数据采集模块采集车辆运行中的各种传感器信号；包括但不限于车速信号、方向盘转矩信号、方向盘转角信号以及方向盘角速度信号等相关传感器信号。

通过对采集的传感器信号的实时处理与分析，判断出当前车辆所处的工作状态，设置方向盘转矩信号与角速度信号阈值作为电机工作模式的判断标准，选择电机的工作模式，超过阈值则电机处于紧急转向模式，其他情况均属于正常工作模式；

当电机处于正常工作模式下，根据上层控制要求的目标电流(本发明未涉及目标电流产生的计算，只取目标电流这一数值作为电流环控制的目标)，通过当前设计的无差拍滑膜控制方式输出目标电流，实现电机电流环的控制；

当电机处于紧急转向模式下，根据上层控制要求的目标转速(本发明未涉及目标转速产生的计算，只取目标电流这一数值作为电流环控制的目标)，通过自抗扰弱磁控制方式，输出目标转速，实现电机转速环的控制。

通过两种模式的合理切换，实现了转向助力电机的顺滑控制。

其中电流环控制的具体实现方法如下：在传统PID控制的电流环模型中进行改进，如传统PID控制的电流环模型图1所示，主要包括电流PID模块、Clark变换模块、逆Clark变换模块、Park变换模块、逆Park变换模块、SVPWM模块、测距模块。本实施例中，将PID模块用重新设计的无差拍控制模块替换，同时为了减少电机模型误差带来的影响，设计了滑膜观测器模块进行误差观测与校准，如图3所示。

则本发明中，电流环模型包括电流PID模块、Clark变换模块、Clark逆变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块以及测距模块，电机的三相电流数据经过Clark变换模块后经由Park变换模块，设置一滑膜观测器在Park变换模块的输出端，经滑膜观测器的数据反馈至无差拍控制器反馈后输出至Park逆变换模块，测距模块所测数据至Park逆变换模块，Park逆变换模块的输出至Clark逆变换模块和SVPWM模块值逆变器。

无差拍控制模块的控制过程如下：

首先建立三相坐标系下的永磁同步电机三相平衡方程：

其中，U

经过Clark变换与Park变换将三项静止坐标系下的电压方程转换为dq两相同步旋转坐标系下的电压方程：

U

U

其中，U

对上述电压方程进行离散化，可以得到未来时刻的电流预测值：

其中，T为采样时间，所有带时间标志k的数据均为实时采集数据，同时，R、T、L、Ψ参数已提前知晓，通过该公式构建无差拍模块，预测出下一阶段的电流值，实现对电流值的准确控制。

滑膜观测模块的流程如下：

滑模控制模块主要是用来补偿电机参数，如：L、R等不准确造成的控制电流效果太差。滑模控制模块的核心是选择滑模面以及设计相应的滑模控制函数，本发明中选择线性滑模面S＝i_hat-i，其中，S为滑模面，i_hat为电流估计量，i为电流真实值，通过滑模面的设计使得电流估计量越来越来趋近于真实值。考虑到滑模控制存在的锯齿抖动问题，在滑模控制函数中，没有选用传统的sign函数作为趋近方程，而是选用

转速环控制的具体实现方法如下：首先在之前搭建好的电流环模型的基础上补充速度PID模块、测速模块构成传统的速度环模型，如图2所示，在图2的基础上，将补充的速度PID模块替换为自抗扰弱磁控制模块，实现自抗扰的弱磁速度环控制，如图4所示。

自抗扰弱磁控制模块主要分为两个部分，分别是自抗扰控制模块与弱磁控制模块，可以认为在搭建好的电流环模型上测速模块的输出端设置第二测速模块，第二测速模块连接至反馈的输入端，无差拍控制模块的输入端设置自抗扰控制器，并在无差拍控制模块的输出端以及自抗扰控制器的输出端之间设置弱磁控制模块。

自抗扰弱磁控制模块的控制过程如下：

自抗扰控制模块是将ADRC控制原理简化进行速度控制，具体实现如下：

首先建立电机的运动方程：

其中，J为转动惯量，W为电机的机械角速度，T

对上式进行变换，得到：

W_hat＝f_hat-2W

其中，W_hat为机械角速度的观测值，f_hat为扰动的观测值，W

剩下的弱磁模块主要实现电机的超速运行，本发明中采用较为简单的超前角弱磁控制方式完成弱磁控制，具体实现流程如下：取电流环控制器输出的dq轴电压，得到目标电压

通过以上控制方法，放弃了传统的PID双环电机控制，实现了助力转向电机的多模式控制，为助力转向电机的控制提供了新控制方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。