[发明专利]一种无位置传感器的转向盘的位置控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及汽车转向系统电机控制方法，具体为一种用在汽车电动助力转向系统的直流有刷电机无位置传感器转向盘的位置控制方法。 

背景技术

汽车转向系统是汽车的一个重要底盘部件，牵涉到汽车的行驶性能。转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全，减轻驾驶员劳动强度有着重要作用。 

电动助力转向器（又称EPS：Electronic Power Steering）主要由扭矩传感器、车速传感器、助力电机及减速机构以及ECU控制单元组成。一般EPS助力的大小只与车速相关，即常说的车速感应型。但随着的科学技术的进一步发展，EPS助力特性不止与车速有关还与方向盘转角相关，所以国外一些中、高档汽车的EPS除安装了扭矩传感器外还安装了转角传感器，可以根据转角位置提供不同助力大小，从而大幅度地改变助力平顺性及其他助力特性，特别要提出的是拓展了电动助力转向的主动回正功能。由于汽车动态稳定性控制系统（ESP）也需要角度传感器，所以转向盘角度传感器已成为EPS或汽车底盘的重要组成部分。随着汽车工业的发展，人们对汽车性能的要求也越来越高，特别是中低档直流有刷电机的EPS也需要增加转向盘角度控制，来改善助力性能及回正特性。 

一直以来，交流电机的无位置（角度）传感器控制作为一个传统研究课题，吸引业内大批专业人士研究，但是，无位置传感器的直流有刷电机却一直很少有人涉及。这是由于直流有刷电机一般应用于开环控制系统，对控制系统动态性能要求不高。如果应用在高精度动态控制系统则额外在电机尾部加装昂贵的位置传感器，形成闭环控制。 

如果中低档直流有刷电机的EPS也加装位置（角度）传感器的话，这无疑增加了电动助力转向系统成本，使得推动直流有刷电机的EPS市场化难度增加。此发明旨在提出一个直流有刷电机无位置传感器，但同时能得出转向盘角度的控制方法，使得中低档的EPS在性能上大大提高，同时不增加成本。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种无位置传感器的转向盘的位置控制方法，通过检测（监测）直流有刷电机（下称电机）由于经过电机碳刷换向器时电枢电流产生周期性波动的峰值，通过适当算法，计算出电机转子的转角（位置），从而得出转向盘转角，进而对转向盘进行反馈控制。 

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现： 

一种无位置传感器的转向盘的位置控制方法，其电机的转速和角度位置通过电机参数，在配合测量电枢电压及电流后，通过传统的电机模型可以计算出电机转子转速：

  (1)

           (2)

       (3)

其中表示电枢电压，电枢电流，电动势常数，恒定励磁磁通量，分别为电机电枢电阻及电感，分别表示反电动势常数，电机转子转速， 为电机转子转角及初始位置。

由于上式是不计磁通饱和程度和温度的影响，在实际使用时，转速和角度都有很大误差，所以本发明提出一种新的方法检测电机转子转速和角度。 

直流永磁有刷电机采用硅钢片冲压后叠加而成，并形成齿槽，各绕组在齿槽内绕成线圈通过碳刷及换向器，形成电流的换向及转子的持续转动。但由于这种结构照成在换向时，在换向片与换向片之间有物理间隔，这样在换向片及绕组与绕组（一个换向片对应一个绕组）切换时将会产生电流的波动，实验发现，即使保持励磁磁通为一恒定值(常数)，依然能检测到电流脉动。而传统的电机数学模型却没能表达这一物理过程。 

         （4） 

其中，为电机电流脉动频率，为换向片的个数。通过上述物理结构及电机修正模型得出，检测电流波动的频率将得知电机转子的转速，通过计算电流脉动的峰值的个数可得出转子的转角。

通过实际测量电机电流脉动时，表现有直流分量和交流分量，通过数字分析，交流分量含有低频和高频谐波两种成分。然则重新建立电机的数学模型，得出下式： 

    （5）

     （6）

   （7）

  （8）

式中，，分别表示恒定磁通分量（直流分量），高频磁通分量，低频磁通分量，分别表示为转矩常数和电磁转矩常数，表示电磁转矩，，分别表示为负载转矩，电机阻尼系数。

联立方程5—8，解的方程： 

      （9）

通过方程9得出：

                                          （10）