CN117544066B - Eps系统中转向电机的半堵转保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种EPS系统中转向电机的半堵转保护方法，对每一个MOSFET都设置一个安全状态变量S，根据每个MOSFET实时的电流情况和MOSFET的环境温度值，通过一定的规则映射到每个MOSFET的安全状态变量S上，通过对此安全状态变量S进行判断，决定是否开启保护以及设定保护程度的大小。本发明根据每个MOSFET的安全状态变量S的变化判断系统是否开启降容保护并动态改变降容比，提升了发生半堵转后EPS转向系统自保护的实时性和可靠性；降容比的动态变化实现了在降容保护策略下，转向手感平滑细腻，无手感上的波动，保证了在半堵转状态下EPS的操纵性能。

Description

EPS系统中转向电机的半堵转保护方法

技术领域

本发明属于机动车技术领域，IPC分类归属于B62D小类，亦属于IPC分类号为H02P的电动机的控制或调节技术领域，尤其是涉及一种EPS系统中转向电机的半堵转保护方法。

背景技术

现有技术中，EPS系统（electric power steering, EPS，电动助力转向系统）的防堵转保护通常针对转向电机在方向盘打到末端（俗称方向盘打死）或处于卡死的工况，这种工况称之为堵转工况，EPS系统启动防堵转策略防止系统中的器件被烧毁导致转向器瘫痪。但还存在车辆在陷入泥坑、低洼地时，方向盘虽然没有打到末端也没有完全卡死，但驾驶员在小角度范围内持续转动方向盘的工况，这种工况我们称之为“半堵转”工况。

在半堵转工况下，控制器持续输出大扭矩，流过EPS系统中MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的电流在极短时间内激增，MOSFET的结温会急速升高，MOSFET的温度-电流特性为随着MOSFET的温度升高，MOSFET的电阻会随之增大，导致MOSFET的过流能力减小。同时， MOSFET的环境温度会影响MOSFET的散热功率，环境温度越高，MOSFET的散热越慢，越容易导致MOSFET的烧毁。

在EPS系统中，出于电流、功率、故障容忍性以及散热和热管理的需求，EPS控制器的电路板上通常设置6个MOSFET，如附图1 所示。因6个MOSFET是协同工作的，故要保证发生半堵转后，每个MOSFET都不能被烧毁。但是现有技术的防堵转策略通常仅通过监测温度传感器的温度变化和电机三相电流变化，而电机三相电流是经过6个MOSFET之后合成的，不仅存在反应时间的延迟，还存在电机三相电流虽然满足要求，但可能单个MOSFET已处于危险状态的隐患，即现有技术的防堵转策略存在不及时和不准确的隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种EPS系统中转向电机的半堵转保护方法，具体为：

为了实时监测EPS系统控制器中6个MOSFET的安全状态，本发明对每一个MOSFET都设置一个安全状态变量S，根据每个MOSFET实时的电流情况和MOSFET的环境温度值，通过一定的规则映射到每个MOSFET的安全状态变量S上，通过对此安全状态变量S进行判断，决定是否开启保护以及设定保护程度的大小。

本发明的方法包括：

计算获得每个检测周期T，转向控制器的6个MOSFET各自对应的有效电流和值i_add，以及所有MOSFET共同的环境温度值t；

所述检测周期T=δ×m，其中，δ为转向控制器的控制周期，m为大于1的正整数；

所有MOSFET共同的环境温度值t是通过与转向控制器的6个MOSFET位于同一块控制电路板的温度传感器测得的温度值；

单个MOSFET在单个检测周期T流经自身的有效电流和值i_add根据式1计算获得：

式1；

其中，I_i为单个MOSFET在一个控制周期δ内的电流采样值，M_i为该控制周期δ的PWM占空比，i为由1至m的正整数；

根据当前检测周期T的单个MOSFET流过的有效电流和值i_add，查找预先创建的有效电流和值区间索引表，判断该有效电流和值i_add所属的区间，并得到该区间对应转换的电流热增量deta_i；

根据当前检测周期T的环境温度值t，查找预先创建的环境温度值区间索引表，判断该环境温度值t所属的区间，并得到该区间对应转换的温度热增量deta_t；

根据式2计算获得每个MOSFET的安全状态变量S：

式2；

式2中，S_last为当前检测周期之前的所有检测周期的电流热增量deta_i和温度热增量deta_t之和；

若6个MOSFET中的任何一个MOSFET的安全状态变量S大于等于预先设定的预开启阈值S_on时，则根据式3计算获得该MOSFET在本检测周期的降容比k：

式3；

式中安全状态变量S的取值最大不超过预先设定的降容极限阈值S_keep；

每个检测周期对6个MOSFET的降容比k进行比较，选取最小的降容比k来降低q轴的给定目标电流，确保每一个MOSFET都不被烧毁。

进一步，有效电流和值区间索引表的创建规则为：

将有效电流和值划分为至少10个区间，见式4：

式4；

式中，为区间界限值，且/>依次递增，/>为各区间分别对应转换的电流热增量值，且/>依次递增；至少10个区间中，包括:

一个增量值为负值的区间（负增量区间）：i_add<i₁；设置负增量区间的意义：i₁为实验所选MOSFET的绝对安全电流，即使发生半堵转情况，只要MOSFET的i_add<i₁，即便MOSFET长时间处于半堵转工况下，也不会被烧毁，因此，负增量区间对应转换得到的负值的电流热增量值不会导致安全状态变量S无限增加导致错判；环境温度值区间索引表设置负增量区间的作用原因相类似。

一个增量值等于零的零增量区间：；此区间可称之为缓冲区间，设置此缓冲区间的原因是为了使系统对半堵转状态的判断更加具有明确性。如果不设置此区间，当iadd电流在i ₁ 附近发生微小变化时，增量就会在负值和正值之间来回横跳，故设置此 缓冲区间可以更加明确i_add的变化趋势后再进行增量的变化；环境温度值区间索引表设置此区间的作用原因相类似。

一个增量值大于零且是增量最大值的最大增量区间：i_add>i_n；

剩余数量的中间区间依次分布介于零增量区间和最大增量区间之间。

进一步，的设置规则为：

i₁，其为所选MOSFET的绝对安全有效电流值；即使发生半堵转情况，只要MOSFET的i_add<i₁，即便MOSFET长时间处于半堵转工况下，MOSFET也不会被烧毁。i₁的具体数值要经过实验测得，实验过程中，在室温下（通常为25°C）分别将不同大小的电流通入 MOSFET中，使用温枪对所测MOSFET进行温度检测，温枪的温度显示不进行变化时对应的MOSFET有效电流值设置为i_1。

i₂，其设置规则为：根据实验测定，其与满足/>；

i_n，其为所选MOSFET所能承受的最大有效电流值；i_add>i_n区间内，MOSFET的散热效率极低，故在此工况下不采取保护措施的话，MOSFET在很短时间内就被烧毁。实验所使用的MOSFET数据参考手册标注有此型号MOSFET所能承受的最大有效电流值，根据实际使用经验，一般参考手册标注的最大有效电流值的2/3为实际使用过程中MOSFET能承受的最大有效电流值。

i₂与i_n之间的剩余的区间界限值，满足使得剩余的各中间区间均匀分布在零增量区间和最大增量区间之间即可；通过实验测定的这些中间区间划分得越均匀密集，半堵转保护的效果就越好。

进一步，有效电流和值区间索引表中各个区间对应转换的电流热增量值的设置规则为：

负增量区间所对应转换的电流热增量值a₁设置为小于零大于-5之间的负值；目的是使S慢慢恢复至零，驾驶者感知到关于力的建立感。

零增量区间所对应转换的电流热增量值a₂设置为零；

最大增量区间所对应转换的电流热增量值a_n设置在大于等于20小于等于25之间；这个数值区间是根据实验测定的，如果的取值过大，会导致在MOSFET还不至于被损坏时就立即进入半堵转保护， q轴的目标电流迅速减小。

各中间区间的电流热增量值在a₂和a_n之间均匀取值。

进一步，环境温度值区间索引表的创建规则为：

将环境温度值划分为至少5个区间，见式5：

式5；

式中，为区间界限值，且/>依次递增，/>为各区间分别对应转换的温度热增量值，且/>依次递增；至少5个区间中，包括:

一个增量值为负值的负增量区间：t<t₁；其中，t₁设置为0，该区间对应转换的温度热增量b₁设置为-5至0之间；在此区间，环境温度小于零，散热效率很高，故设置增量为负值来减小S。

一个增量值等于零的零增量区间：；该区间对应转换的温度热增量b₂为零；其中t₂的设置规则为：在环境温度t为/>时，MOSFET的发热和散热保持平衡，这可以使用温枪或热电偶实时对MOSFET的环境温度进行检测得到；

一个增量值大于零且是增量最大值的最大增量区间：；其t_n的设置参考所用MOSFET的数据手册，数据手册中提供MOSFET散热效率最低的时候对应的一个环境温度值，将此环境温度值设置为t_n; 该区间对应转换的温度热增量值b_n设置在10至15之间；由于S是由电流和环境温度两个因素共同决定的，但环境温度的影响小于电流因素，故温度热增量值b_n小于电流热增量值a_n。

剩余数量的区间（中间区间）的区间界限值满足使得各中间区间依次均匀分布于零增量区间和最大增量区间之间，各中间区间的温度热增量值采用在b₂和b_n之间均匀取值的规则，作为相应的各中间区间的温度热增量值。通过实验测定得这些中间区间划分得越均匀密集，半堵转保护的效果就越好。

本发明不仅可以及时识别电机是否进入半堵转状态，判断是否开启半堵转降容保护，还可以通过降低给定q轴目标电流的方式，使转向器过渡至安全状态；根据每个MOSFET的安全状态变量S的变化判断系统是否开启降容保护并动态改变降容比，提升了发生半堵转后EPS转向系统自保护的实时性和可靠性；降容比的动态变化实现了在降容保护策略下，转向手感平滑细腻，无手感上的波动，保证了在半堵转状态下EPS的操纵性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为EPS控制器电路板中6个MOSFET的设置电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供了一种EPS转向系统发生半堵转时降容保护MOSFET不被烧毁的方法及实现。EPS发生半堵转后，通过计算各个MOSFET的安全状态变量S，判断转向系统是否开启降容保护，若变量S达到了降容保护的预开启阈值，即/>，则计算降容比k，选取所有的MOSFET降容比k中的最小值来降低q轴的目标给定电流。

本实施例基于以Renesas公司的R7F701382为主MCU的EPS控制器进行了方法实现，转向电机采用三对极隐极式永磁同步电机(PMSM)，扭矩为5.0N·m,额定转速为950r/min。

本实施例中设置检测周期为10ms，由于EPS控制器的控制周期为80，故每个检测周期，EPS控制器经过125个控制周期。将每个MOSFET在一个检测周期的有效电流值进行分别求和得iadd，依照有效电流和值区间索引表对i_add进行区间判断，得安全状态变量S的增量deta_i。本实施例的有效电流和值区间索引表对i_add共设置有9个区间，如下式6所示：

式6；

其中，i_add各区间值的计算如下所示：

区间边界值 = MOSFET有效电流值 * 125* PWM占空比

对于每一个MOSFET来说，其检测周期中的各个控制周期的有效电流值不一样，其对应的PWM占空比也不一样，因PWM占空比是施加在对应MOSFET上的电压作用时长，所以不一样的电压时长对应不一样的PWM占空比，也就得到了不一样的电流有效值。假定在一个检测周期内， MOSFET的有效电流值保持不变，且MOSFET有效电流值分别为150A、140A、130A、120A、110A、100A、90A、80A、70A时，对应i_add各区间边界值为13000、12000、11000、1000、9000、8000、7000、6000、5000。对于本实验中使用型号的MOSFET而言，150A、140A、130A、120A、110A、100A、90A、80A、70A这种有效电流值的递减同时也代表着MOSFET的电流危险程度的递减。150A及以上时代表MOSFET的电流状况已经非常危险，70A以下时代表MOSFET的电流进入了相对安全区间，故150A及以上有效电流区间对应的deta_i值是最大的，70A及以下区间对应的deta_i值是最小的。越大的deta_i代表MOSFET此时的状态越危险，可令安全状态变量S越快的到达降容保护的预开启值。deta_i值的设置没有唯一性，遵循一个检测周期内i_add越大，deta_i越大的原则。另区间界限值、区间个数的选择、每个区间的范围大小，可通过实验得到符合MOSFET型号的理想区间界限值、区间步长和区间个数。通过实验测试可知对区间的划分越精细均匀，实际的效果会越好。

设置i_add<5000这个负增量区间，原因是当一个检测周期内MOSFET的电流有效值为小于70A时，代表MOSFET已经进入一个相对安全的电流状态，不用开启降容保护，若此前积累的安全状态变量值S较大，则通过一个负的增量值来逐渐降低安全状态变量值S的值，以使转向系统逐渐退出降容保护，恢复助力。若MOSFET的有效电流始终在70A以下，安全状态变量S的值也不会无限的减小下去，在程序中设定变量S的最小值为0就可避免因连续多个检测周期所得的 deta_i为负而导致安全状态变量S出现负值的情况。

的区间为缓冲区间段，若i_add的值落在此区间段中，则。若下一个检测周期的deta_i为负，则说明MOSFET入了相对安全的区间，若下一个检测周期的deta_i为正，则说明MOSFET的电流在上升，设置此缓冲区间的原因是为了使系统对半堵转状态的判断更加具有明确性。

本实施例的环境温度值区间索引表共设置有5个区间，如下式7所示：

式7；

当前检测周期各个MOSFET共享的环境温度t越高，对应转换的温度热增量deta_t就越大。

本实施例所使用型号MOSFET的特性在环境温度大于等于105摄氏度时，首先MOSFET的散热速度在此温度下已经非常缓慢，且高环境温度导致MOSFET的过流能力也大幅度减小，故高环境温度下，MOSFET的状态是非常危险的，所以对应转换的温度热增量值也是最大的，较大的温度热增量值可以使安全状态变量S较快的达到降容保护的预开启值S_on，保护MOSFET不被烧毁。温度越低，MOSFET的散热越快，所以对应的温度热增量值越小。当环境温度为0摄氏度以下时，MOSFET的散热情况是很乐观的，所以设置的值deta_t为负数。环境温度值区间索引表的区间界限值、区间个数以及每个区间对应转换的温度热增量值，根据实际使用的MOSFET型号进行设置；根据环境温度越高，散热越困难，区间对应转换的温度热增量值越大的原则进行设置。通过实验可测得合适的区间界限值和区间个数以及每个区间对应的温度热增量值。经过实验可得对温度区间的划分越精细均匀，实际的效果会越好。

降容比k的计算：

预开启阈值S_on=1000和降容极限阈值S_keep=6000，降容比k初始值为1，每个检测周期选择降容比k中的最小值作为最终降容比降低q轴的给定目标电流实现降容保护。

本发明通过对MOSFET的电流和MOSFET环境温度进行周期性检测，每一个检测周期都判断转向系统是否处于半堵转状态且是否达到了降容保护的预开启阈值，若系统达到了降容保护的预开启阈值，则计算降容比k并选取最终的降容比降低q轴的目标给定电流。对本发明所提出的半堵转保护策略进行试验，模拟转向系统发生半堵转的工况，即固定转子角度在270°，转向系统进入了半堵转状态，此时，只有A相高桥和B、C相低桥的MOSFET有电流。固定转子在不同的角度进行试验，均证明本发明提出的半堵转降容保护策略的正确性和可行性。对多次试验进行统计得，当发生半堵转后，转向系统在第3秒左右开启降容保护，第9秒时降容保护到最大。系统脱离半堵转状态后，q轴的目标给定电流逐渐恢复。此降容保护机制不仅大大降低了发生半堵转时烧毁MOSFET导致转向系统无助力的危险性，还通过动态改变降容比使转向手感过渡平滑，标定参数灵活可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.EPS系统中转向电机的半堵转保护方法，其特征在于，包括：

计算获得每个检测周期T，转向控制器的6个MOSFET各自对应的有效电流和值i_add，以及所有MOSFET共同的环境温度值t；

所述检测周期T=δ×m，其中，δ为转向控制器的控制周期，m为大于1的正整数；

所有MOSFET共同的环境温度值t是通过与转向控制器的6个MOSFET位于同一块控制电路板的温度传感器测得的温度值；

单个MOSFET在单个检测周期T流经自身的有效电流和值i_add根据式1计算获得：

式1；

其中，I_i为单个MOSFET在一个控制周期δ内的电流采样值，M_i为该控制周期δ的PWM占空比，i为由1至m的正整数；

根据当前检测周期T的单个MOSFET流过的有效电流和值i_add，查找预先创建的有效电流和值区间索引表，判断该有效电流和值i_add所属的区间，并得到该区间对应转换的电流热增量deta_i；

根据当前检测周期T的环境温度值t，查找预先创建的环境温度值区间索引表，判断该环境温度值t所属的区间，并得到该区间对应转换的温度热增量deta_t；

根据式2计算获得每个MOSFET的安全状态变量S：

式2；

式2中，S_last为当前检测周期之前的所有检测周期的电流热增量deta_i和温度热增量 deta_t之和；

若6个MOSFET中的任何一个MOSFET的安全状态变量S大于等于预先设定的预开启阈值S_on时，则根据式3计算获得该MOSFET在本检测周期的降容比k：

式3；

式中安全状态变量S的取值最大不超过预先设定的降容极限阈值S_keep；

每个检测周期对6个MOSFET的降容比k进行比较，选取最小的降容比k来降低q轴的给定目标电流。

2.根据权利要求1所述的EPS系统中转向电机的半堵转保护方法，其特征在于，有效电流和值区间索引表的创建规则为：

将有效电流和值划分为至少10个区间，见式4：

式4；

式中，为区间界限值，且/>依次递增，/>为各区间分别对应转换的电流热增量值，且/>依次递增；

至少10个区间中，包括:

一个增量值为负值的负增量区间：i_add<i₁;i₁为实验所选MOSFET的绝对安全电流；

一个增量值等于零的零增量区间：；

一个增量值大于零且是增量最大值的最大增量区间：i_add>i _n ；

剩余数量的中间区间依次分布介于零增量区间和最大增量区间之间；

式4中的设置规则为：

i₁，其为所选MOSFET的绝对安全有效电流值；

i₂，其与满足/>；

i_n，其为所选MOSFET所能承受的最大有效电流值；

i₂与i_n之间的剩余的区间界限值，满足使得剩余的各中间区间均匀分布在零增量区间和最大增量区间之间即可；

式4中的设置规则为：

负增量区间所对应转换的电流热增量值a₁设置为小于零大于-5之间的负值；

零增量区间所对应转换的电流热增量值a₂设置为零；

最大增量区间所对应转换的电流热增量值a_n设置在大于等于20小于等于25之间；

各中间区间的电流热增量值在a₂和a_n之间均匀取值。

3.根据权利要求1所述的EPS系统中转向电机的半堵转保护方法，其特征在于，环境温度值区间索引表的创建规则为：

将环境温度值划分为至少5个区间，见式5：

式5；

式5中，为区间界限值，且/>依次递增，/>为各区间分别对应转换的温度热增量值，且/>依次递增；

至少5个区间中，包括:

一个增量值为负值的负增量区间：t<t₁；其中，t₁设置为0，该区间对应转换的温度热增量b₁设置为-5至0之间；

一个增量值等于零的零增量区间：；该区间对应转换的温度热增量为零；其中t₂的设置规则为：在环境温度t为/>时，MOSFET的发热和散热保持平衡；

一个增量值大于零且是增量最大值的最大增量区间：；其t_n的设置根据所选MOSFET的数据手册中提供MOSFET散热效率最低的时候对应的一个环境温度值; 该区间对应转换的温度热增量值b_n设置在10至15之间；

剩余数量的区间作为中间区间，各中间区间相应的界限值满足使得各中间区间依次均匀分布于零增量区间和最大增量区间之间，各中间区间的温度热增量值采用在b₂和b_n之间均匀取值的规则。