EPS雙星型繞組六相電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)及采樣時(shí)序設(shè)計(jì)

摘要：隨著自動(dòng)駕駛級(jí)別趨于SAE L4/L5的級(jí)別，傳統(tǒng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）作為自動(dòng)駕駛執(zhí)行器的關(guān)鍵部件已無(wú)法滿足功能需求，采用雙路備份的安全冗余電機(jī)結(jié)構(gòu)和電控方案已經(jīng)受到業(yè)界廣泛關(guān)注。本文提出一種應(yīng)用于冗余式EPS的雙星型繞組六相電機(jī)的電控驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，公開闡明一種對(duì)冗余獨(dú)立的雙繞組的同步驅(qū)動(dòng)、冗余輸出及定時(shí)電流采樣等方法。通過該方法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)單側(cè)驅(qū)動(dòng)及采樣的運(yùn)行失效，系統(tǒng)依舊能夠維持另一側(cè)驅(qū)動(dòng)的冗余獨(dú)立地運(yùn)行，達(dá)到失效可用性的安全運(yùn)行模式，大大提高了車輛行駛安全性。

關(guān)鍵詞：六相電機(jī);復(fù)雜驅(qū)動(dòng);采樣時(shí)序

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

對(duì)于現(xiàn)代汽車而言，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的電氣化成熟發(fā)展并形成的基于一款電機(jī)的EPS電控驅(qū)動(dòng)，一般采用檢測(cè)到失效之后切斷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出電路且將系統(tǒng)置為安全狀態(tài)，之后駕駛員依然能夠奪回汽車的控制權(quán)。但對(duì)于未來汽車而言，駕駛員的依賴將隨著冗余度與多元化的增加而逐漸消失，失效保護(hù)（ FaiISafe）模式將演化至失效后系統(tǒng)繼續(xù)保持對(duì)汽車完全控制的失效可操作（ Fail Operational）模式，由此對(duì)系統(tǒng)提出了供電電池系統(tǒng)、傳感器、控制單元及執(zhí)行器等冗余設(shè)計(jì)要求。因此，雙星型繞組六相電機(jī)驅(qū)動(dòng)及采樣時(shí)序設(shè)計(jì)，是將傳統(tǒng)應(yīng)用中的永磁同步三相無(wú)刷電機(jī)（PMSM）的轉(zhuǎn)子繞組形成雙份備份，在電控策略及驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)分別兩路冗余的PWM獨(dú)立控制且保持時(shí)序的驅(qū)動(dòng)同步性，在采樣電路中應(yīng)用統(tǒng)一的定時(shí)時(shí)基觸發(fā)的雙電阻ADC采樣時(shí)刻，保證了單側(cè)電機(jī)繞組的相電流等信號(hào)采樣的復(fù)雜度，提升了在EPS應(yīng)用中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)魯棒性。

1 六相電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)冗余EPS軟硬件架構(gòu)的主從ECU設(shè)計(jì)，詳解六相電機(jī)的轉(zhuǎn)子冗余獨(dú)立式結(jié)構(gòu)[1]，以及EcuA單側(cè)“一拖二”形式的電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)（ Complex Driver）獨(dú)立控制兩組三相橋驅(qū)MOSFET電路的原理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組冗余獨(dú)立繞組的PWM輸出驅(qū)動(dòng)功能。

1.1 冗余EPS硬件拓?fù)?/p>

如圖1所示，冗余EPS硬件架構(gòu)的主要器件及功能包含有以下部分。

（1）冗余式EPS系統(tǒng)中供電電池、扭矩傳感器、連接車身網(wǎng)絡(luò)CAN與點(diǎn)火等信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器和電控單元ECU等均采用冗余雙份，保持傳統(tǒng)EPS控制與診斷功能。

（2）電控單元ECU中由單片機(jī)作為主控電控單元[2]，分別擔(dān)當(dāng)主、從控制角色，布置在雙側(cè)主、從控制器EcuA和EcuB內(nèi)。

（3）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由EcuA單側(cè)的主MCU驅(qū)動(dòng)PWM輸出控制兩組三相橋驅(qū)MOSFET電路。

（4）系統(tǒng)異常運(yùn)行時(shí)，EcuA單側(cè)診斷并確認(rèn)故障后，通過MCU間私用CAN FD通信方式通知EcuB單側(cè)功能接管。

（5） EcuA單側(cè)切換至EcuB單側(cè)功能接管成功后，EcuA單側(cè)功能停止驅(qū)動(dòng)PWM輸出控制兩組三相橋驅(qū)MOSFET電路，而EcuB單側(cè)功能啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)PWM輸出控制三相橋驅(qū)MOSFET電路。

其中，兩側(cè)的各三相橋驅(qū)MOSFET電路分別連接至六相電機(jī)的繞組M1和M2，即對(duì)于軟件驅(qū)動(dòng)方案而言，繞組M1視為uvw三相PMSM電機(jī)，而繞組M2視為XYZ三相PMSM電機(jī)，進(jìn)行獨(dú)立輸出控制。

1.2 冗余EPS電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)相數(shù)越多，控制的復(fù)雜度就越高。對(duì)于相數(shù)為3的倍數(shù)的電機(jī)，如六相電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，既可進(jìn)行解耦控制，也可將其作為多組3相對(duì)稱電機(jī)進(jìn)行控制。因此，當(dāng)電機(jī)相數(shù)為3的倍數(shù)時(shí)，電機(jī)具有更多的控制方法，更容易簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制復(fù)雜度[3]。

本研究的EPS助力電機(jī)繞組以3的倍數(shù)作冗余。若電機(jī)相數(shù)為3的2倍，即六相電機(jī)。六相電機(jī)的繞組空間分布通常有2種：一種是對(duì)稱六相電機(jī)（圖2），可視作由2套相移60°三相繞組組成，稱之為正六相電機(jī);另一種是不對(duì)稱六相電機(jī)（圖3），可視作由2套相移30°三相繞組組成，稱之為雙三相電機(jī)。

在本文研究EPS產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，采用的雙星型繞組電機(jī)屬于雙三相電機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的此種電氣特性，即對(duì)于電機(jī)控制理論及方案而言，繞組M1視為UVW三相PMSM電機(jī);而繞組M2視為XYZ三相PMSM電機(jī)，進(jìn)行獨(dú)立輸出控制。

1.3 六相電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在冗余EPS電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)的功能架構(gòu)中，對(duì)于EcuB控制橋驅(qū)電路來說，與傳統(tǒng)的三相PMSM電機(jī)控制方案相同。本文僅詳解EcuA側(cè)對(duì)雙星型繞組六相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法。

如圖4所示，雙星型繞組六相電機(jī)的uvw三相和XYZ三相分別由單片機(jī)的2個(gè)電機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輸出PWM，2個(gè)電機(jī)控制單元均由定時(shí)器T12和T13組成。具體功能如下。

（1）將T12設(shè)置成中心沿對(duì)齊的計(jì)數(shù)模式，用于生成每組三相6路PWM輸出。

（2） T13中斷設(shè)置成左對(duì)齊的計(jì)數(shù)模式，用于生成采樣延時(shí)信號(hào)。

（3）計(jì)數(shù)時(shí)，設(shè)置上升沿事件觸發(fā)單片機(jī)采樣單元VADC執(zhí)行六相電機(jī)各采樣信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（4）通用定時(shí)器控制單元GTM，為2個(gè)電機(jī)控制單元提供啟動(dòng)計(jì)數(shù)觸發(fā)源，由此可確保T12計(jì)數(shù)的同步性。2個(gè)電機(jī)控制單元中的T12輸出12路PWM同步時(shí)基，T13定時(shí)延時(shí)采樣僅由其中1個(gè)電機(jī)控制單元來實(shí)現(xiàn)即可，優(yōu)點(diǎn)是保證了觸發(fā)VADC的信號(hào)源唯一性，降低了對(duì)另一個(gè)電機(jī)控制單元重復(fù)配置的復(fù)雜度。

（5）每側(cè)均采用雙電阻低邊采樣方式，u/w和X/Z相分別經(jīng)過運(yùn)放后放大輸入電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，采用RPS磁阻傳感器采樣六相電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。

（6）六相電機(jī)各采樣信號(hào)的采樣時(shí)刻，與復(fù)雜驅(qū)動(dòng)中的雙三相12路PWNM輸出緊密時(shí)序相關(guān)，這些采樣信號(hào)主要有：U相零電流和相電流（ IUOamp;IU），X相零電流和相電流（ IXOIX）;W相零電流和相電流（IWOlW），Z相零電流和相電流（ IZ0amp;IZ）;UV＼N三相的相線電壓（ VphU，VphV，VphW），XYZ三相的相線電壓（ VphX，VphY;VphZ）;電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器高精度電壓信號(hào)（ VSIN，VCOS），低精度冗余PWM占空比信號(hào)DPWM（由ICU捕獲PWM占空比Duty值）。

如圖5所示，六相電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)中，設(shè)置占空比為一定調(diào)節(jié)頻率，即在底層軟件中由一定時(shí)長(zhǎng)的中斷作為時(shí)基TB（ TimeBase），而電機(jī)控制算法為一定倍數(shù)時(shí)長(zhǎng)同步段隙（ Slot）軟件調(diào)度周期，并且在TB 3內(nèi)的電機(jī)控制算法中，將目標(biāo)占空比設(shè)定為4個(gè)時(shí)基的占空比漸變輸出方式，即TB 0-3分為4次PWM占空比漸變值生效。對(duì)于PWM占空比輸出由電機(jī)控制單元的比較寄存器值a、b、c分別定時(shí)比較控制，并將單邊上下MOSFET死區(qū)時(shí)間由預(yù)設(shè)寄存器DTM（ Dead time module）自動(dòng)完成。在軟件最終實(shí)現(xiàn)上，僅通過3個(gè)占空值賦值到比較寄存器值a、b、c中，即可實(shí)現(xiàn)UVW/XYZ兩側(cè)共12路PWM的同步輸出。

2 六相電機(jī)采樣時(shí)序設(shè)計(jì)

2.1 六相電機(jī)信號(hào)與時(shí)刻關(guān)系

如圖6所示，六相電機(jī)每側(cè)的6個(gè)MOSFET處于PWNM驅(qū)動(dòng)的TO （000）時(shí)刻采樣零電流，對(duì)應(yīng)圖7中的零電流采樣時(shí)刻，實(shí)際控制中的采樣時(shí)刻位置均可通過寄存器設(shè)定延時(shí)并由采樣定時(shí)器T13來完成。

2.2 六相電機(jī)采樣時(shí)序設(shè)計(jì)

如圖8所示，由采樣定時(shí)器為T13調(diào)制輸出脈沖采樣延時(shí)信號(hào)的上升沿，作為VADC控制單元采樣轉(zhuǎn)換的觸發(fā)事件源。即通過采樣定時(shí)器T13將延時(shí)值預(yù)設(shè)的觸發(fā)時(shí)刻，與ADC控制單元（或ICU）采樣轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)起來，分別在時(shí)序上的零電流采集時(shí)刻、相電流采集時(shí)刻和相電壓采集時(shí)刻，完成獲取全部六相電機(jī)的采樣值。

2.3 六相電機(jī)控制及診斷時(shí)序

在EPS軟件中，電機(jī)應(yīng)用層包含電機(jī)控制算法和電機(jī)故障診斷2部分，采集到的各路采樣值輸入到2個(gè)功能單元中，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常運(yùn)行。然而在硬件電路設(shè)計(jì)中，零電流和相電流的采樣，對(duì)于單片機(jī)端子和板級(jí)電路而言，是相同資源的時(shí)序分時(shí)采樣，對(duì)于這些相同的VADC采樣通道必須及時(shí)讀取ADC轉(zhuǎn)換完成后的各Group中的采樣值，以避免采樣數(shù)據(jù)的覆蓋。

如圖9所示，本文設(shè)計(jì)的各當(dāng)前TB的中斷入口，分別根據(jù)需要讀取前一個(gè)TB內(nèi)的采樣值，即TB 1入口讀取4路零電流值;TB 2入口讀取4路相電流值、RPS傳感器轉(zhuǎn)速相關(guān)信號(hào)值，并均輸入至電機(jī)控制算法功能單元;TB 3入口讀取6路相電壓值，并輸入至電機(jī)故障診斷功能單元。

3 六相電機(jī)驅(qū)動(dòng)及時(shí)序驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證六相電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能

通過示波器分別捕獲ADC觸發(fā)采樣的時(shí)刻位置、UVW三相的電機(jī)控制單元一側(cè)的PWM輸出、XYZ三相的電機(jī)控制單元一側(cè)的PWM輸出以及TB時(shí)基中斷的波形。如圖10所示，各采樣延時(shí)位置、雙三相復(fù)雜驅(qū)動(dòng)同步性及中斷系統(tǒng)定時(shí)驅(qū)動(dòng)功能等均正確。3.2驗(yàn)證六相電機(jī)時(shí)序功能

通過德國(guó)Gliwa T1軟件對(duì)函數(shù)體運(yùn)行位置進(jìn)行定位觀測(cè)（圖11），可視化的時(shí)間特性上位機(jī)界面中，可見六相電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)序均與設(shè)計(jì)預(yù)期完全一致。

3.3 六相電機(jī)主功能測(cè)試

通過Vector CANape觀測(cè)軟件運(yùn)行過程中，六相電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要功能的電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器RPS的轉(zhuǎn)角解算值等信息。如圖12所示，各觀測(cè)數(shù)據(jù)更新正常，結(jié)果良好且達(dá)到預(yù)期的驅(qū)動(dòng)和采樣時(shí)序效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于六相電機(jī)工作原理，從電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)輸出理論與電機(jī)采樣時(shí)序設(shè)計(jì)2個(gè)方面，闡述在EPS產(chǎn)品中的應(yīng)用方法，利用單片機(jī)內(nèi)核2個(gè)電機(jī)控制單元獨(dú)立雙三相PWM定時(shí)器輸出及定時(shí)延遲采樣觸發(fā)時(shí)刻的方式，實(shí)現(xiàn)了雙星型繞組UVW/XYZ的冗余獨(dú)立控制，且保證了時(shí)序上的同步性。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證了軟件運(yùn)行中，六相電機(jī)零電流、相電流、相電壓以及RPS傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)的有效性和設(shè)計(jì)的合理性。通過該設(shè)計(jì)應(yīng)用將為推進(jìn)冗余EPS六相電機(jī)在未來智能駕駛領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的安全和系統(tǒng)持續(xù)助力可用性提供技術(shù)保證。

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