應用于EPS的直線步進電機控制

陳天殷

（美國亞派克機電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

電動助力轉向系統 （EPS）集成了電子控制系統，可方便地通過軟件的修改調整其助力特性，無需變更機械參數，極大地簡化了整車調試。而對于用作動力的可控制電機，業內人士皆對直線步進電機的前景最為看好。采用直線步進電機 （LSM）控制的汽車電動轉向系統 （EPS），是當前國際上在轉向系統上的新技術之一，其研發應用對汽車轉向執行機構的靈活輕便、操縱穩定可靠性和確保行車安全起著重要的作用。

電動助力轉向系統 （EPS）是直接依靠電機提供輔助轉矩的轉向系統。傳動效率可達90%以上，又有操縱舒適性、穩定性和安全性等優越性能，成為動力轉向技術的主流，適用于各種汽車。目前多用于轎車和輕型貨車。環保型的純電動汽車不以內燃發動機為動力，EPS更是最佳選擇。

1 直線步進電機概述

從電機學的原理來闡述，把傳統圓柱狀旋轉運動的電機沿半徑方向切開展成平面狀的電機便是直線電機。構成電機的定子、氣隙和轉子，變成靜子、氣隙和動子；原來氣隙旋轉磁場成了直線行進的行波磁場，驅使動子作直線運動。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子；靜子 （或稱 “靜件”）則會根據行程的需要，由n個定子順著行進方向連續地一字鋪展開。各種傳統電機的形式，如交流、直流，伺服、步進等都能在直線電機中實現，無非是旋轉運動變成直線運動。由軟件實現以一定方式和順序對相應繞組通電，達到預定步距的直線步進運動。汽車EPS轉向系統的動力選擇了直線步進電機，結構上省卻了離合器、減速機構，改變了運動方式 （旋轉→直線）。

三菱某款排量1.6L轎車采用的是一般的EPS，有減速機構，EPS的電機參數是：額定功率180W，電機供電電壓DC 10~16 V，電機電流0~30 A連續可調，額定扭矩6.5Nm。

步進電機可以準確定位在已知的定轉子磁極對準的起始位置，因而能實現精確的位置控制而無需位置反饋，這是它無可比擬的優點。工作時通過計算步數，能運動至任何預設的合適位置，即使電機斷電也能具備定量的保持轉矩。

2 步進電機的驅動電路

步進電機的繞組結構有單極性和雙極性的區別：單極性 （unipolar）和雙極性 （bipolar）是步進電機最常采用的兩種驅動架構。雙極性步進電機是指步進電機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。與單極性步進電機相比，雙極性步進電機的繞組中每次都有電流流過，在整個工作過程中，電機內的旋轉磁場是均勻的、連續的，從而系統相對穩定，輸出轉矩會更大更穩定。

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

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

3 H橋的驅動方式

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

如圖2a所示，H橋上橋臂一側導通，下橋臂另一側斬波，即為助力控制驅動方式。把轉向盤轉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，控制器根據助力曲線表，確定電機的助力電流作為目標電流，電路中設置電流傳感器檢測控制電路中的電流作為實際電流。目標電流和實際電流形成控制閉環進行比較，利用PID調節器進行調節，輸出PWM信號到驅動回路以驅動電機產生合適的助力。圖2中M為直線步進電機。

由于轉向輪主銷后傾角和主銷內傾角的存在，故轉向輪具有自動回正的性能。隨著車速提高，回正轉矩增大，而輪胎與地面的側向附著系數卻減小，兩者綜合作用使回正性能提高，根據轉向盤轉矩和轉向，可判斷轉向盤是否處于回正狀態。回正控制的內容有：低速行駛轉向回正過程中，EPS系統H橋實行斷路控制 （見圖2b），保持機械系統原有的回正特性；高速行駛轉向回正時，為防止回正超調，采用阻尼控制，其控制電路見圖2c。阻尼控制的原理是當電機繞組進行短接時，電機將會產生與轉速成正比的反向轉矩，ECU就是利用這一特性對電機進行阻尼控制的。

步進電機的驅動控制采用微步距控制 （又稱細分控制技術），這樣步進電機開環控制可以獲得高的位置分辨率，減少不穩定性。

有關細分控制技術及脈沖寬度調制的詳細敘述請參考 《汽車電器》2010年12期的 《儀表板步進電機的單片機驅動控制》一文。

圖3展示了直線步進電機驅動控制的EPS。

一般步進電機的空載最高啟動頻率都有限制。所謂空載最高起動頻率，是指電機空載時，轉子從靜止狀態不失步地轉入同步 （即電機的每秒鐘轉速的角度和控制脈動頻率相對應的工作狀態）的最大控制脈沖頻率。步進電機在實際使用中要提高起動頻率及運行頻率并改善其矩頻特性，應改善流入步進電機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電阻的方法減少電路的時間常數，且電阻阻值必須足夠大才有顯著效果。這樣，為了維持步進電機穩態電流，驅動電壓必須相應增高；運行頻率的提高，運行特性也可以進一步改善。

［1］Tom Denton.Automobile Electrical and Electronic Systems［M］.Elsevies Butterworth-Heinemann Co.Ltd.， 2009.

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