Samacr; dhanamacr;

Vol. 33, Part 5, October 2008, pp. 581–590. copy; Printed in India

DSP-based electric power assisted steering using BLDC

motor

R MURUGAN, S NANDAKUMAR and M S MOHIYADEEN

Bharat Electronics Limited, Nandambakkam, Chennai 600 089

e-mail: muruganr@bel.co.in; nandakumars@bel.co.in; mohiyadeenms@bel.co.in

Abstract. This paper introduces a design and implementation of electrically assisted power steering (EAS) using BLDC motor for a vehicle. The control archi- tecture consists of two layers of control, namely the vehicle speed associated control and the torque assist control. In the higher level of control architecture, the vehicle speed controller works as an assistance level controller for the steering effort. In the lower level, the torque controller gives the effort level control. This has been realized by torque sensor and vehicle sensor interfaced in the DSP. For implement- ing in the system, a DSP-based BLDC motor controller with three-phase inverter module is specially designed using Hall-effect sensor feedback and a single dc-link current sensor. This work is implemented in a Light Commercial Vehicle having a recirculating ball type gear. This is for the first time (EAS) being implemented for this type of vehicle any where in the world. Generally, EAS having clutch to disconnect the motor in high speed or abnormal conditions from the gear box. In this implementation the motor is directly coupled to gearbox without clutch and all abnormalities are handled by the processor. This is implemented without modify- ing the vehicle supply system like changing the existing alternator or rating of the battery and using the existing sensors. The design is such a way that the feel of the driver assistance can be varied easily at any time. The performance of the control system is experimentally verified and it is tested in one of the Light Commercial Vehicle (LCV).

Keywords. BLDC motor; EAS; steering.

1. Introduction

Power steering is a system for reducing the steering effort on vehicles by using external source to assist in turning the wheels. Most new generation vehicles now have power steering, owing to the trends toward greater vehicle mass and wider tires, all increase the steering effort needed. Modern vehicles would be difficult to maneuver at low speeds (e.g. when parking) without assistance. Most power steering systems work by using a belt-driven pump to provide hydraulic pressure to the system. This hydraulic pressure is generated by a pump which is driven by the vehiclersquo;s engine. While the power steering is not used, i.e. driving in a straight line, twin hydraulic lines provide equal pressure to both sides of the steering wheel gear.

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When torque is applied to the steering wheel, the hydraulic lines provide unequal pressures and hence assist in turning the wheels in the intended direction.

Electric Power Steering systems use electric components with no hydraulic systems at all. Sensors detect the motion and torque of the steering column and a computer module applies assistive power via an electric motor coupled directly to either the steering gear or steering column. This allows varying amounts of assistance to be applied depending on driving conditions. In the event of component failure, a mechanical linkage such as a rack and pinion serves as a back-up in a manner similar to that of hydraulic systems. Electric systems have an advantage in fuel efficiency because there is no hydraulic pump constantly running. Their other big advantage is the elimination of a belt-driven engine accessory, and several high-pressure hydraulic hoses between the hydraulic pump, mounted on the engine, and the steering gear, mounted on the chassis. This greatly simplifies manufacturing.

The demand of electrically assisted power steering (EAS) has rapidly increased in past few years because of energy savings compared to Hydraulic Power Steering (HPS). Alternating current (ac) motors are designed to be highly efficient and easily controlled with modern power circuitry. Because of the developments in switching techniques, it is quite feasible to use ac motors with a battery supply as source. The traditional worm gear driven dc motor system is constrained by the limitations of the dc motor brushes and size of the motor for the same torque of BLDC. In this case BLDC motor has been used as an actuator in the application for electric power steering. The BLDC motor provides high torque and easy control (Chan

amp; Fang 2002; Chu et al 2001; Desai amp; Emadi 2005; Jun-Uk Chu et al 2004; Kevin Brown et al 1990; NamhunKim et al 2007). The basic mechanical properties of the vehicle are essentially invariant among all of the available brands. The electrically assisted power steering system consists of BLDC motor mounted to the frame of the steering column and coupled to the wheels through a worm speed reducer. Electrically assisted power steering is shown in figure 1.

An electrically assisted power steering is composed of several parts such as torque sensor, engine speed sensor, vehicle speed sensor, steering column, torsion bar and electronic control unit.

Figure 1. Electrically assisted power steering.

Torque sensor output gives the torque difference to be developed by the motor to reduce the effort required by the driver while he is steering. Engine speed signal is required to start the assistance only when the engine is ON in order to save the battery life. Vehicle speed signal is required to control the assistance developed by the motor (for the same level of torque signal) at various vehicle speed, as assistance requirement comes down as speed of the vehicle increases.

The control

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英文文献翻译第一篇：

以数字信号处理为基础的使用无刷直流电机的转向控制系统

摘要：本文介绍了应用于汽车的使用无刷直流电机的电助力转向控制系统（EAS）的设计及实现方法！这个控制体系有两个部分组成，即速度关联控制和转矩助力控制。在更高水平的控制体系里，车辆速度控制器作为转向力的辅助控制器！在低水平的控制体系里，转矩控制器提供力的控制。这个已经通过转矩传感器和数字信号处理器界面的车辆传感器实现。

为了实现这个系统，一个基于数字信号处理的使用无刷直流电机的控制器被制造出来，这个控制器带有三相整流模块并且通过使用霍尔传感器反馈和单一直流环节实现的。这项工作是在带有循环球模式的光商用车上实现的。这个是世界上第一次在这种类型的车上实现的。

一般来说，EAS有离合器来从装置箱子上拆开处于高速或者不正常情况下的电机。在这个实现方案中，电动机直接耦合于装置箱而不是经过离合器，并且所有的异常情况都有处理器处理。这个方案可以无需修改车辆供应系统，像不用改变现有的交流发电机或电池功率以及使用现有的传感器。这个设计就像是驾驶辅助的感觉一样很容易改变。这个控制系统的性能已经通过实验证明了，并且在一个轻型商用车上进行了测试。

关键词：无刷直流电机，EAS，转向控制

1.介绍：

动力转向是通过使用外部源来协助转向车轮减轻车辆转向力的系统。动力转向是用于通过使用外部减少对车辆的转向力的系统源，以协助转动的车轮。最新一代汽车现在有助力转向，由于走向更大的整车质量和更宽的轮胎趋势，所有增加转向力是必要的。如果没有援助，现代汽车将很难在低速时操纵（例如停车时）。大多数动力转向系统通过使用带驱动泵提供的工作液压系统。这是由一个泵，它是由车辆的发动机驱动产生该液压。而在不使用动力转向，即，驱动直线，双液压管线提供相等的压力于方向盘齿轮的两侧。

当扭矩被施加到方向盘，液压管路提供不等的压力并因此有助于在期望的方向转动的车轮。电动助力转向系统使用没有液压系统的电热元件。传感器检测运动和转向柱的扭矩并且由一个计算机模块经由电动马达直接耦合至所述转向齿轮施加辅助功率或转向柱来提供助力。这允许根据驾驶条件来施加不同量的援助。在组件故障，只有一个机械联动装置的情况下，如齿条和小齿轮用作后备的方式这种类似的液压系统电气系统。因为没有液压泵持续运行，所以它在燃油效率上有优点。他们的另一大优势是皮带驱动发动机附件的消除，并且几个液压泵之间有高压液压软管，安装在发动机上，并且转向器，安装在底盘上。这极大地简化了制造。电动辅助动力转向系统（EAS）的需求在过去几年增长迅速，因为相比于液压助力转向（HPS）EAS 更节能。交替电流（交流）电动机被设计为高效并由现代电源电路轻易地控制。因为在交换技术的发展，使用交流电机用电池供电作为电源是对相当可行。传统的蜗轮驱动的直流电机系统是由电动机的直流电动机电刷与BLDC的转矩相同的情况下电机的大小所约束。在这种情况下，BLDC电机已被用作为致动器并应用于电动助力转向。无刷直流电机提供高扭矩，易于控制（禅2002年方＆; Chu等人2001;德赛年和2005年伊马迪;君英珠等，2004;凯文布朗等人1990; NamhunKim等人2007）。车辆的基本机械性质在所有的可用品牌上是基本不变的。电动助力转向系统由安装到所述转向柱的框架和通过蜗杆减速机车轮联接的BLDC电机组成。电动助力转向是显示如图1。

图1

转矩传感器的输出给出的转矩差，由电动机进行开发，当驾驶员转向以减少他所需的力。当发动机为ON时会依据发动机速度信号来启动协助，以便节省电池寿命。车速信号被用来在不同车速下控制发动机提供援助（在同水平的转矩信号下）。因为援助的要求归结为车辆速度的增加。控制架构有两层控制，即辅助级别控制的和转矩的控制。在更高水平的控制框架中，速度信号经常被作为引用来控制由电机开发的辅助。在内层，转矩传感器信号执行产生的扭矩。从马达的输出扭矩是一个功能扭矩传感器信号，它依赖于方向盘和车轮之间的转矩差。车速信号和发动机速度信号是可变频率的脉冲信号。对于系统实施，基于DSP的带有三相逆变器模块的直流无刷电机控制器用霍尔效应传感器反馈和单直流链路专电流传感器设计。 BLDC电机的转矩和反电动势方程类似于直流发动机。该电流检测通过低成本分流电阻和用于过电流保护和电流反馈来确保的。电流控制由PID控制器和以不同税率的脉冲宽度调制信号（PWM）来实现。霍尔效应传感器可用于检测转子轴的位置，用于电子换向，电机转速和旋转方向。

硬件架构

该助力转向的框图在图2中示出，电动辅助动力转向系统的车辆由以下部分组成。

1. 数字信号处理器
2. 驱动程序和保护卡
3. 三相逆变器
4. BLDC电机霍尔传感器
5. 减速齿轮和传感器

图2

图3 DSP和保护卡

2.1 处理器

用于控制和计算的DSP是TMS320F24XX。该处理器是一个单芯片基于40 MIPS，有几个相关的外围设备的16位定点DSP内核解决方案如脉宽调制发生器（PWM）和模拟到数字转换器（ADC）

2.2 驱动及保护电路

选定的MOSFET驱动器是IR家庭的一员。从DSP来的PWM信号是结合保护逻辑并连接到MOSFET驱动器。驱动器的输出通过串联栅极电阻直接连接到MOSFET开关。电流传感由低成本分流电阻进行。电压降被模拟放大器处理并连接到ADC模块和用于电流反馈和过电流保护。此处使用的保护卡示于图3。

2.3 三相逆变器模块

三相逆变器模块采用具有低导通状态和高开关频率的MOSFET研制。所使用的三相逆变器卡示于图4。

图4

图5

2.4 BLDC电机霍尔传感器

BLDC电机的等效电路在这里使用图5的无刷直流电机中示出，这里所用的BLDC电机有8个磁极对和一个三相星形定子连接绕组。BLDC电机的电压方程式可以被表示为：

R =相电阻

L =相电感

VA，VB，VC=相电压

IA，IB，IC =相电流

EA，EB，EC =返回电磁场

大致的电机转矩为：

其中omega;是电动机角速度。

电机配有三个霍尔效应传感器。霍尔传感器产生三个180度（电），重叠信号为图中所示。因此，可以提供6强制性换向点。

霍尔传感器的输出被直接连接到处理器和它产生的必要切换序列每次交换。

2.5 变速箱和检测电路

BLDC电动机被连接到一个减速齿轮系统，如图7，它驱动轮。方向盘和车轮之间的扭矩差由扭杆感测。该扭杆的输出由转矩传感器检测到的。转矩传感器的输出是

直接连接到ADC，用于处理。

图6

窗体顶端

控制器设计

窗体顶端

3.13.1窗体底端

3.1 力水平控制

电动助力转向（EAS）采用了位于转向柱和齿轮上的无刷电动机，并在转向时帮助驾驶员。像发动机转速和扭矩这样的信息需要实时传送到DSP来确定的援助电动机应适用的最佳程度。图8示出在没有援助的情况下由驾驶员所需的力，和在有援助且车辆静态的情况下所需要的力。

电动辅助动力转向系统消除了液压油和复杂的机械部件（如伺服泵）液压线，加了重量和体积的皮带和滑轮的需求。通过消除液压泵，所述EAS可以在没有发动机的帮助下操作。

不像传统的液压系统，ESA消耗能量当提供援助时。电动辅助转向系统中的控制算法在图9中示出有效扭矩和BLDC电机的速度控制是基于相对简单的扭力和反电动势方程，这类似于直流马达。

图7

图8

在相电流中的任何120度的间隔，从电转换为机械瞬时功率（P）为

P = omega;Te = 2EI

Te=电磁转矩

E =诱导每相EMF。

在这个方程中的“2”源于以下事实——两相导通。

E =2NphBgLromega;，每相感应电动势。

NPH=每相绕组匝数

Bg=转子磁场密度

L =转子的长度

R =转子的内部半径。

图 9

使用上述表达式则电磁转矩由下式给出，、

Te = 4NphBgLrI = Kphi;I

K = Torque constant

phi; = Flux per pole pair.

该系统以转矩参考（I-REF）和反馈线电流（IFB）作为输入，产生

占空比参考作为输出。这实际上是一个PI控制器。下面的等式是

实施

限制器那里最终控制输出。占空比的参考被钳位在峰值的锯齿载波。电流控制是通过脉冲宽度调制来实现（固定频率20 kHz）的具有不同占空比信号。 PWM的宽度是通过比较确定

与所需的参考电流的测得的实际电流。综上所述，反电动势是正比于电机速度和转矩产量几乎直接正比于相电流。在该控制方案，扭矩生产得出电流应在流中只有两三个相位的原理

一个时间。在一个时间只有一个电流需要控制，以便只有一个电流传感器是电流传感器的必要。定位允许使用低成本的电阻作为分流。

3.2 辅助控制

图10示出由电动机根据各种车辆速度来生产所需的力。可变转向助力（在低车速较高和较低的高车速）提高了动力性和主动安全性。这已被感测实施车速并相应地修改电动马达要生产的力通过控制参考到控制器。

图10

图11

实验结果

在本节中，将结果呈现（图11），以确保在静态驱动中该方法的有效性。从上图中，我们可以看到，驾驶员所需的工作量是几乎是恒定的整个方向盘转动。这种力减少75％左右。该马达被选择为使得齿槽转矩是非常少。在10RPM的电机的最大峰值齿槽转矩为0·0056牛米相当于2·45纳米的峰值扭矩。电动机的加速和减速以这样的方式完成的，该司机不会感觉得到他手中的转矩脉动。转矩脉动普遍认为在低速，这里的系统在一个循环中，使得所述系统总是在加速/减速阶段，所以感觉转矩的波动较小。进一步来说，机械系统本身是在可变齿轮比，它具有固有的转矩变化大于由电动机所产生的马达转矩脉动。因此，与EAS ON模式和EAS OFF模式相比，驾驶员不能感受到的转矩脉动。从这个结果可以看出，所提出的EAS已作为执行预期。

所需的最大扭矩（手动）：

32nm制程

助力过程中需要扭矩：

为8nm

百分比提供援助：

75％

平均电流消耗：

8A

5 结论

对于传统的液压系统，要获得同等动力转向效率，电动辅助动力转向多消耗燃油4％或更多。对于那些报废了的汽车，液压油的消除也更加环保。电子化数据管理（车轮角，车速等），可用于微调动力转向参数，提高汽车的驾驶性能。可变转向助力改善驾驶性能和主动安全性。

转向力反馈集成控制着方向盘和公路震荡主动阻尼的重新定位。

参考文献：

英文文献翻译第二篇：

　汽车转向系统

随着汽车电子技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向(Hydraulic Power Steering ,简称HPS) 、电控液压助力转向( Elect ric Hydraulic PowerSteering , 简称EHPS) , 发展到电动助力转向系统(Elect ric Power Steering ,简称EPS) ,最终还将过渡到线控转向系统(Steer By Wire ,简称SBW)。

机械转向系统是指以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的,汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘,通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机械3大部分组成。

通常根据机械式转向器形式可以分为:齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。应用最广的两种是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时) 。在循环球式转向器中,输入转向圈与输出的转向摇臂摆角是成正比的;在齿轮齿条式转向器中,输入转向圈数与输出的齿条位移是成正比的。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式,因而正传动效率很高,操作方便且使用寿命长,而且承载能力强,故广泛应用于载货汽车上。齿轮齿条式转向器与循环球式相比,最大特点是刚性大,结构紧凑重量轻,且成本低。由于这种方式容易由车轮将反作用力传至转向盘,所以具有对路面状态反应灵敏的优点,但同时也容易产生打手和摆振等现象,且其承载效率相对较弱,故主要应用于小汽车及轻型货车上,目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿

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