應(yīng)用于EPS的直線步進(jìn)電機(jī)控制

陳天殷

（美國亞派克機(jī)電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）集成了電子控制系統(tǒng)，可方便地通過軟件的修改調(diào)整其助力特性，無需變更機(jī)械參數(shù)，極大地簡化了整車調(diào)試。而對于用作動力的可控制電機(jī)，業(yè)內(nèi)人士皆對直線步進(jìn)電機(jī)的前景最為看好。采用直線步進(jìn)電機(jī) （LSM）控制的汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS），是當(dāng)前國際上在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的新技術(shù)之一，其研發(fā)應(yīng)用對汽車轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活輕便、操縱穩(wěn)定可靠性和確保行車安全起著重要的作用。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）是直接依靠電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。傳動效率可達(dá)90%以上，又有操縱舒適性、穩(wěn)定性和安全性等優(yōu)越性能，成為動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流，適用于各種汽車。目前多用于轎車和輕型貨車。環(huán)保型的純電動汽車不以內(nèi)燃發(fā)動機(jī)為動力，EPS更是最佳選擇。

1 直線步進(jìn)電機(jī)概述

從電機(jī)學(xué)的原理來闡述，把傳統(tǒng)圓柱狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)沿半徑方向切開展成平面狀的電機(jī)便是直線電機(jī)。構(gòu)成電機(jī)的定子、氣隙和轉(zhuǎn)子，變成靜子、氣隙和動子；原來氣隙旋轉(zhuǎn)磁場成了直線行進(jìn)的行波磁場，驅(qū)使動子作直線運(yùn)動。動子 （或稱“動件”）一般呈長方的六面體或圓管狀，常常是動子就是伸展開的那個轉(zhuǎn)子；靜子 （或稱 “靜件”）則會根據(jù)行程的需要，由n個定子順著行進(jìn)方向連續(xù)地一字鋪展開。各種傳統(tǒng)電機(jī)的形式，如交流、直流，伺服、步進(jìn)等都能在直線電機(jī)中實現(xiàn)，無非是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動。由軟件實現(xiàn)以一定方式和順序?qū)ο鄳?yīng)繞組通電，達(dá)到預(yù)定步距的直線步進(jìn)運(yùn)動。汽車EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力選擇了直線步進(jìn)電機(jī)，結(jié)構(gòu)上省卻了離合器、減速機(jī)構(gòu)，改變了運(yùn)動方式 （旋轉(zhuǎn)→直線）。

三菱某款排量1.6L轎車采用的是一般的EPS，有減速機(jī)構(gòu)，EPS的電機(jī)參數(shù)是：額定功率180W，電機(jī)供電電壓DC 10~16 V，電機(jī)電流0~30 A連續(xù)可調(diào)，額定扭矩6.5Nm。

步進(jìn)電機(jī)可以準(zhǔn)確定位在已知的定轉(zhuǎn)子磁極對準(zhǔn)的起始位置，因而能實現(xiàn)精確的位置控制而無需位置反饋，這是它無可比擬的優(yōu)點。工作時通過計算步數(shù)，能運(yùn)動至任何預(yù)設(shè)的合適位置，即使電機(jī)斷電也能具備定量的保持轉(zhuǎn)矩。

2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)有單極性和雙極性的區(qū)別：單極性 （unipolar）和雙極性 （bipolar）是步進(jìn)電機(jī)最常采用的兩種驅(qū)動架構(gòu)。雙極性步進(jìn)電機(jī)是指步進(jìn)電機(jī)繞組中電流流通的方向不是單向的，可以通過H橋電路來改變繞組中電流的方向，使繞組中交替輪流呈雙向流動的電流。與單極性步進(jìn)電機(jī)相比，雙極性步進(jìn)電機(jī)的繞組中每次都有電流流過，在整個工作過程中，電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場是均勻的、連續(xù)的，從而系統(tǒng)相對穩(wěn)定，輸出轉(zhuǎn)矩會更大更穩(wěn)定。

單極性驅(qū)動電路使用4個晶體管來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，驅(qū)動電路如圖1a所示，包含兩組帶有中間抽頭的繞組，整個電機(jī)共有6條線與外界連接，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)，它同時使用單極性或雙極性驅(qū)動電路。

雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路如圖1b所示，它使用8顆晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可同時驅(qū)動四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)，雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻會降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的2倍，其中4顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機(jī)電壓，所以它不像單極性驅(qū)動電路那樣需要鉗位電路。

3 H橋的驅(qū)動方式

由于步進(jìn)電機(jī)是在脈沖通電狀態(tài)下運(yùn)行的，而繞組是電感性慣性負(fù)載，轉(zhuǎn)子也有一定的轉(zhuǎn)動慣量，在通電運(yùn)行時脈沖的上升沿至繞組電流建立，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；脈沖下沿至繞組電流消失，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)都存在暫態(tài)過程。對于空載狀態(tài)，驅(qū)動器對其動特性的影響主要表現(xiàn)在對繞組電流脈沖上升及下降時間的控制能力。好的驅(qū)動器在保持步進(jìn)電機(jī)能輸出盡可能大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩情況下，使繞組儲能及釋能的時間盡可能短，避免出現(xiàn)衰減振蕩而引起失步，以達(dá)到最高運(yùn)行頻率，故選擇適配的驅(qū)動器十分重要。模塊化的驅(qū)動控制器多采用恒流驅(qū)動方式。根據(jù)恒流驅(qū)動原理可放寬外供直流電源的電壓范圍。

如圖2a所示，H橋上橋臂一側(cè)導(dǎo)通，下橋臂另一側(cè)斬波，即為助力控制驅(qū)動方式。把轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的力矩信號和車速傳感器檢測到的車速信號輸入控制器中，控制器根據(jù)助力曲線表，確定電機(jī)的助力電流作為目標(biāo)電流，電路中設(shè)置電流傳感器檢測控制電路中的電流作為實際電流。目標(biāo)電流和實際電流形成控制閉環(huán)進(jìn)行比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出PWM信號到驅(qū)動回路以驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生合適的助力。圖2中M為直線步進(jìn)電機(jī)。

由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，故轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的性能。隨著車速提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，兩者綜合作用使回正性能提高，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向，可判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?（見圖2b），保持機(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制，其控制電路見圖2c。阻尼控制的原理是當(dāng)電機(jī)繞組進(jìn)行短接時，電機(jī)將會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的反向轉(zhuǎn)矩，ECU就是利用這一特性對電機(jī)進(jìn)行阻尼控制的。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制采用微步距控制 （又稱細(xì)分控制技術(shù)），這樣步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制可以獲得高的位置分辨率，減少不穩(wěn)定性。

有關(guān)細(xì)分控制技術(shù)及脈沖寬度調(diào)制的詳細(xì)敘述請參考 《汽車電器》2010年12期的 《儀表板步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)驅(qū)動控制》一文。

圖3展示了直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制的EPS。

一般步進(jìn)電機(jī)的空載最高啟動頻率都有限制。所謂空載最高起動頻率，是指電機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地轉(zhuǎn)入同步 （即電機(jī)的每秒鐘轉(zhuǎn)速的角度和控制脈動頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)在實際使用中要提高起動頻率及運(yùn)行頻率并改善其矩頻特性，應(yīng)改善流入步進(jìn)電機(jī)繞組脈沖電流的上升沿和下降沿。一般采用在各相繞組中串聯(lián)電阻的方法減少電路的時間常數(shù)，且電阻阻值必須足夠大才有顯著效果。這樣，為了維持步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電流，驅(qū)動電壓必須相應(yīng)增高；運(yùn)行頻率的提高，運(yùn)行特性也可以進(jìn)一步改善。

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