磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法与流程

本发明属于磁阻电机式车辆控制技术领域，特别涉及一种磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法。

背景技术：

车辆在高速急转弯时容易产生侧翻事故，其往往会造成重大的生命和财产损失，因而人们开始关注车辆防侧倾技术，人们用磁阻电机式主动横向稳定杆控制系统实时采集车辆侧倾角和侧向加速度信号，若车辆侧行驶状态达到主动横向稳定杆启动要求，控制系统根据侧倾角方向确定磁阻电机旋转方向，并计算出磁阻电机目标电流，对电机的相电流加以控制，从而控制主动横向稳定杆的输出反侧倾力矩，从而使得主动稳定杆能输出相应的反侧倾力矩来抑制车辆的侧倾。

现有的控制系统抗干扰性能差，控制倾斜效果差。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种控制倾斜效果好，抗干扰性能强的磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法，包括主控芯片、陀螺仪、电源电路、功率变换电路、功率触发电路和电流采集电路，所述主控芯片包括主程序、系统初始化程序、无限循环程序和极限位置保护程序，该方法包括以下步骤：

步骤一：主程序开始；

步骤二：系统初始化程序；

步骤三：使能中断；

步骤四：无限循环程序；

步骤五：响应中断；

步骤六：中断结束；

步骤七：重新进入步骤四。

进一步设置为：系统初始化程序包括时钟频率设置、输入输出i/o端口方向设定和外设设置，时钟频率设置为16mhz；系统初始化步骤包括以下步骤：

步骤一：系统初始化开始；

步骤二：时钟设置；

步骤三：输入输出i/o设置；

步骤四：定时器设置；

步骤五：adc设置；

步骤六：中断设置；

步骤七：结束。

进一步设置为：输入输出i/o的接口信号包括：车辆侧倾角陀螺仪x和y轴状态信号、直流母线电压和三相绕组相电流信号、电机转子位置霍尔传感信号和极限位置保护信号。

进一步设置为：无限循环程序包括以下步骤：

步骤一：无限循环开始；

步骤二：根据电机倾斜角正负值判定正反转；

步骤三：检测电机是否已到极限位置，到达极限位置进入步骤四，没有到达极限位置进入步骤一；

步骤四：通过外环控制器进行反演滑模控制量计算；

步骤五：通过内环控制器进行电机输出力矩控制；

步骤六：开通pwm信号；

步骤七：重新开始步骤一。

进一步设置为：所述主程序中还设置有保护程序：该程序保护：

步骤一：保护程序开始；

步骤二：相电流/母线电压采样换算还原后的值；

步骤三：步骤二的值是否大于或小于设定值：是：运行步骤四；否：运行步骤五；

步骤四：电机运行标志位置“0”；

步骤五：电机运行标志位置“1”；

步骤六：结束并返回主程序。

进一步设置为：磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法还包括a/d转换程序，a/d转换程序包括以下步骤：

步骤一：a/d转换中断开始：

步骤二：读取个通道转换结果并存储；

步骤三：是否采样n次，是：进行步骤四、五、六，否：直接进行步骤七；

步骤四：对读取的结果进行中位值平均滤波；

步骤五：将各通道滤波后的数据还原为原侧倾角/侧向加速度/相电流/母线电压信号；

步骤六：对相应的存储去更新新的数据；

步骤七：结束并返回主程序中断处。

进一步设置为：所述中位值平均滤波法是对外部模拟量连续采样n次，去掉最大值和最小值后对其余n-2次数据求取平均值来表征实际模拟量。

进一步设置为：极限位置保护程序前必须进行对电机转子位置检测的电机换相切换程序，该电机换相切换程序包括以下步骤：

步骤一：电机换相切换开始；

步骤二：转子周期状态监测；

步骤三：步骤二的周期状态是否为6种状态：是：运行步骤四；否：运行步骤一；

步骤四：计算出哪种功率管开通或关断；

步骤五：使能相应pwm信号；

步骤六：结束。

进一步设置为：中断程序包括以下步骤：

步骤一：中断程序开始；

步骤二：中断初始化，开通中断入口；

步骤三：外部电平上升沿是否触发：触发：运行步骤四；没有触发：运行步骤五；

步骤四：电机运行标志位取反；

步骤五：保护中断现场；

步骤六：结束并返回主程序。

进一步设置为：极限位置程序包括以下步骤：

步骤一：开始；

步骤二：定时器tim1中断初始化；

步骤三：是否已经到极限位置：是：运行步骤四；否：运行步骤五；

步骤四：极限标志位置“1”,电机保持原状态；

步骤五：极限标志位置“0”；

步骤六：保护中断现场；

步骤七：结束并返回主程序。

本发明的有益效果：通过主控芯片、陀螺仪、电源电路、功率变换电路、功率触发电路和电流采集电路的硬件设置然后通过主控芯片上的主程序、系统初始化程序、无限循环程序和极限位置保护程序对车辆主动稳定杆的各个数据进行全面不间断的监控和分析，对电机的相电流更加准确的进行监控并加以控制，从而控制主动横向稳定杆的输出更加准确的反侧倾力矩，从而使主动稳定杆能跟准确地输出相应的反侧倾力矩来抑制车辆的侧倾，这样控制更加稳定安全。

附图说明

图1是本发明的控制结构示意图；

图2是本发明的电源电路示意图；

图3是本发明的i/o电路示意图；

图4是本发明的不对称半桥功率变换电路示意图；

图5是本发明的功率管驱动电路示意图；

图6是本发明的电机转子位置检测电路；

图7是本发明的相电流检测电路示意图；

图8是本发明的磁阻电机转子位置状态周期图；

图9是本发明的主程序流程图；

图10是本发明的系统初始化流程图；

图11是本发明的无限循环程序流程图；

图12是本发明的a/d采样电流过流或母线电压欠压保护程序流程图；

图13是本发明的a/d转换中断程序流程图；

图14是本发明的磁阻电机换相切换逻辑流程图；

图15是本发明的系统启停外部中断流程图；

图16是本发明的极限位置保护定时器捕捉中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述：

参见图1至图16所示，磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法，包括主控芯片、陀螺仪、电源电路、功率变换电路、功率触发电路和电流采集电路，所述主控芯片包括主程序、系统初始化程序、无限循环程序和极限位置保护程序；所述陀螺仪可检测车辆的侧倾角和侧向加速度，并将其转换为模拟量信号输送到主控芯片，主控芯片通过计算分析后确定车辆的状态，进而控制磁阻电机的运动，从而控制主动横向稳定杆输出相应的反侧倾力矩和旋转方向，为了方便对电机式主动横向稳定杆的控制功能需求进行分析，并考虑系统开发的实用性和可扩展性，以及为了保证控制芯片在车辆受到各种内部或外部激励产生振动的工况中仍能稳定运行，本发明选用意法半导体公司推出的stm8af6266汽车级芯片作为主动横向稳定杆控制系统的主控芯片，从而实现对主动横向稳定杆精确控制；磁阻电机式车辆主动稳定杆ecu控制结构图如图1所示，stm8af6266主控芯片的磁阻电机式主动横向稳定杆ecu最小系统电路由电源电路和外围i/o电路组成如图2和图3所示；电源电路的稳定性是控制系统稳定运行的基础，是控制系统硬件电路正常工作的保障。由于车载电源通常是12v、24v或48v，考虑20％的电源电压输入余量，因此设计的电源输入电压范围为10～60v。本发明的主控芯片stm8af6266可以兼容3.3v和5v的电源电压，功率管触发电路中需提供10～20v的栅极驱动电压，陀螺仪需电源电压为9～24v，并综合考虑电源设计的一致性和可靠性，因此设计输出电压包括12v和5v的电源电路，如图2所示；为了满足输入电源范围10～60v，并将输入电源降压到12v输出，在图2电源电路中选用xl7015型号的dc-dc降压芯片。xl7015降压芯片可满足5～80v的宽输入电压范围，并具有提供0.8a的输出电流能力。在图2电源电路中，通过xl7015降压芯片将输入电源降压到12v，并基于asm1117-5.0v将12v电压降压到5v输出，从而获得12v和5v的输出电压。反向快恢复二极管s310作为续流二极管，起到反向脉冲保护功能。电路中的c1，c2，c4，c5和c6为去耦电容，可消除电源电路的干扰，提高电源电路的可靠性。

本发明选用的stm8a系列芯片以stm8为内核，该内核具有3级指令流水线的哈佛结构，外设采用模块化的设计方式，具有更高的性能和更大的灵活性。

其内部的主要资源有：

1)32kb的flash程序存储器，2kb的ram存储器，1kb的数据eeprom存储器；

2)4个主时钟源：低功耗晶体振荡器、外部时钟输入、内部16mhz可调rc振荡器和内部128khzrc振荡器；

3)1个16位高级定时器，2个16位通用定时器，1个8位定时器，多达9个捕获/比较通道；

4)具有7个10位adc通道；

5)带有lin主从模式通信接口，spi通信速率可达10mbit/s，i2c通信速率可达400kbit/s；

6)25个gpio口和2个独立的看门狗。

基于stm8af6266芯片的资源架构和相应的控制策略，设计了磁阻电机式主动横向稳定杆的ecu最小系统及外围i/o电路，如图3所示。

基于主控芯片stm8af6266设计的磁阻电机式主动横向稳定杆控制器的ecu最小系统包括电源供电模块、时钟模块、复位模块和程序编程接口等，其中时钟模块选择片内16mhz可调rc。

图3中显示系统的输入i/o接口信号有：车辆侧倾角陀螺仪x和y轴状态信号、直流母线电压和三相绕组相电流信号、电机转子位置霍尔传感信号和极限位置保护信号。系统的输出信号为电机功率驱动电路六路pwm脉冲信号。

磁阻电机的功率变换电路是一种开关信号流，在开关模式下为电机的运行提供相应的能量及电机绕组能量回馈；由于不对称半桥功率变换电路使得每相的电机绕组都由独立的不对称半桥电路实现开关能量传递，相与相之间的电流是完全独立的，具有较高的可靠性且便于灵活控制；因此本发明选择了不对称半桥功率变换电路来实现磁阻电机的控制，以其中一相绕组的不对称半桥功率变换电路为例，如图4所示；图4中mos功率管的额定电压的选型取决于直流母线电压us，功率管在关断状态下承受的压降为us+△ul，其中△ul为关断时绕组电感产生的瞬时脉冲电压和电机能量回馈导致的电压瞬时增量，△ul电压瞬时增量与换相电流、滤波电容和漏电感等因素有关，难以精确计算，因此功率管额定电压ur需满足以下经验公式：

ur＞(1.82.2)us

另外，功率管的额定电流选型一般依据电路的有效电流作为选型依据，保证功率管能持续稳定工作，一般选取功率管额定电流的十分之一作为持续运行的有效电流。根据功率管的耐压和持续电流的要求，图4中功率管选取了英飞凌公司的ipt020n10n3，该型号的mos管耐压可达100v，完全符合目前车载电压分别为12v、24v和48v的需求，且其额定电流为300a，因此采用2路功率管并联使得设计的功率变换器持续工作电流可达60a，符合实际功率的要求。

图4中快速恢复二极管在功率管导通时，二极管在外电源作用下反偏截止。当功率管关断时，相电流迅速从功率管功率管转换到快速恢复二极管续流。因此在选用快速二极管不但需要考虑快速性，而且需要考虑电流容量。本实施例中，选用了美微科的mbr30100的肖特基快速恢复二极管作为续流二极管，该二极管工作电流可达30a，也采用2路并联的方式进行设计来满足实际的需求。

本发明选用美国ir公司较成熟的集成芯片ir2101作为功率管的栅极驱动电路，结合图4和图5，可知某相绕组的pwm信号通过ir2101以及栅极驱动电阻来触发功率管的开与关。图5中的电容c10和二极管d3为自举电容和自举二极管，当某相上桥臂关断时，ir2101的6脚悬浮接地电位为0v，8脚经d3与+12v电源相连，c10进行充电使得两端电压自举到12v。当上桥臂导通时，6脚与直流母线电压us相连，使得6脚电位为us，但是由于c10的存在，8脚的电位为us+12v，二极管d3承受反压截止，从而保护了+12v电源，使得功率管变换电路能安全的运行。

如图9所示：磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法包括以下步骤：

步骤一：主程序开始；

步骤二：系统初始化程序；

步骤三：使能中断；

步骤四：无限循环程序；

步骤五：响应中断；

步骤六：中断结束；

步骤七：重新进入步骤四。

进一步设置为：系统初始化程序包括时钟频率设置、输入输出i/o端口方向设定和外设设置，时钟频率设置为16mhz；stm8af6266汽车级芯片时钟频率为16mhz，包括32kb的flasheeprom，工作温度最高可达150°，抗干扰性能强；如图10所示：系统初始化步骤包括以下步骤：

步骤一：系统初始化开始；

步骤二：时钟设置；

步骤三：输入输出i/o设置；

步骤四：定时器设置；

步骤五：adc设置；

步骤六：中断设置；

步骤七：结束。

进一步设置为：输入输出i/o的接口信号包括：车辆侧倾角陀螺仪x和y轴状态信号、直流母线电压和三相绕组相电流信号、电机转子位置霍尔传感信号和极限位置保护信号。

还包括相电流检测电路如图7所示：根据图4可知，图7中电流信号(isense_n与isense_p)来自功率变换电路不对称半桥下桥臂的检测电阻，检测电阻的阻值为1mω。采样电阻先把电流信号转化为电压信号输入双运放电流检测电路，图7中opa2374双运放中的u7b为u7a提供稳定的基准电压，图7中设计的电路基准电压为2.5v，根据图7中的电流检测运放电路，可得到实际相电流与输出的电压之间的关系为

式中：is为相电流；rs为采样电阻；uo为电流运放检测输出电压。

通过基于opa2374双运放相电流检测电路设计，很容易将相电流转化为电压输入控制器，在控制器中主控芯片采样a/d转换获得电压，最终实时检测相电流。

本发明还包括电机转子位置检测电路，通过设计相应的转子位置检测电路，可以获得电机定子与转子的相对位置，从而来控制绕组相序的通断顺序。在电机运行过程中，为了获得较精准的位置信号，电路设计必须简单可靠，图6电机转子位置信号检测电路，本发明的电机优选为12/8极的三相电机，需检测3个转子位置信号。考虑样机安装体积的大小，所以转子位置传感器采样霍尔开关元件来感应转子位置。图6中位置信号采集进来先采样上拉电阻(r5、r6和r7)进行高低电平使能，再通过缓冲电阻(r8、r9和r11)输入主控芯片。为了防止瞬间脉冲输入主控芯片导致破坏芯片，在位置信号检测中设计了稳压二极管，可以滤除瞬间高压脉冲信号，从而保护主控芯片。

如图11所示：无限循环程序包括以下步骤：

步骤一：无限循环开始；

步骤二：根据电机倾斜角正负值判定正反转；

步骤三：检测电机是否已到极限位置，到达极限位置进入步骤四，没有到达极限位置进入步骤一；

步骤四：通过外环控制器进行反演滑模控制量计算；

步骤五：通过内环控制器进行电机输出力矩控制；

步骤六：开通pwm信号；

步骤七：重新开始步骤一。

在实际主动横向稳定杆控制系统运行过程中，为了保护控制器硬件电路的安全，还设计了母线欠电压保护和相电流过流保护的保护程序。如果a/d转换采集的母线电压小于设定的电压值时，在主程序中设置了相应的逻辑判断程序，只要母线电压小于设定值，主程序关断pwm信号输出来强制电机停止运行。同理，如果a/d转换采集的相电流大于设定的电流值时，主程序同样关断pwm信号输出来强制电机停止运行。如图12所示：该保护程序包括以下步骤：

步骤一：保护程序开始；

步骤二：相电流/母线电压采样换算还原后的值；

步骤三：步骤二的值是否大于或小于设定值：是：运行步骤四；否：运行步骤五；

步骤四：电机运行标志位置“0”；

步骤五：电机运行标志位置“1”；

步骤六：结束并返回主程序。

磁阻电机式车辆主动稳定杆控制方法还包括a/d转换程序，a/d转换程序主要完成对车辆侧倾角、侧向加速度、电机相电流和电机母线电压的数据采集，采集的实质是将外部的电压信号(模拟量)从相应引脚读取并存放在相应寄存器(数字量)中，然后将采集的数字量换算成外部实际值。为了提高数据采集的精度，采用“中位值平均”滤波法对数据进行滤波处理，所谓“中位值平均”滤波法既是对外部模拟量连续采样n次，去掉最大值和最小值后对其余n-2次数据求取平均值来表征实际模拟量。通过这种滤波法可以有效消除脉冲干扰引起的误差，且算法实现简单。本发明在a/d采样过程中，采样连续扫描中断模式对外部电压信号进行采集，数据转换结果采用右对齐方式。如图13所示：a/d转换程序包括以下步骤：

步骤一：a/d转换中断开始：

步骤二：读取个通道转换结果并存储；

步骤三：是否采样n次，是：进行步骤四、五、六，否：直接进行步骤七；

步骤四：对读取的结果进行中位值平均滤波；

步骤五：将各通道滤波后的数据还原为原侧倾角/侧向加速度/相电流/母线电压信号；

步骤六：对相应的存储去更新新的数据；

步骤七：结束并返回主程序中断处。

进一步设置为：为了实现磁阻电机式主动横向稳定杆系统的闭环控制以及位置极限保护，必须检测电机转子位置，通过对转子位置状态的监测确定主功率管的开关切换，从而实现电机的闭环控制；电机的转子位置状态信号如图8所示，电机在一个角周期内共有6个状态，分别为101、100、110、010、011和001。对于12/8极三相电机而言，在一个转子角周期(45°)内，当电机转子转过一个角周期后，位置信号恢复到起始状态，实现往复循环。本发明采用传统六步换相法对电机加以控制。极限位置保护程序前必须进行对电机转子位置检测的电机换相切换程序，如图14所示：该电机换相切换程序包括以下步骤：

步骤一：电机换相切换开始；

步骤二：转子周期状态监测；

步骤三：步骤二的周期状态是否为6种状态：是：运行步骤四；否：运行步骤一；

步骤四：计算出哪种功率管开通或关断；

步骤五：使能相应pwm信号；

步骤六：结束。

进一步设置为：为了实现对控制系统的启停控制，设计了相应的按键开关信号，并采用主控芯片的pc4端口对按键信号进行读取，读取信号的方式采用中断进行。启停按键以改变电平逻辑来触发中断，从而改变电机运行的状态变量来控制系统的运行或停止。如图15所示：中断程序包括以下步骤：

步骤一：中断程序开始；

步骤二：中断初始化，开通中断入口；

步骤三：外部电平上升沿是否触发：触发：运行步骤四；没有触发：运行步骤五；

步骤四：电机运行标志位取反；

步骤五：保护中断现场；

步骤六：结束并返回主程序。

进一步设置为：由于主动横向稳定杆输出相应的反侧倾力矩作用于车辆时是通过电机转子转动带动稳定杆扭转一定角度产生的，当扭转角度过大会破坏系统的机械结构，所以必须对电机的转子角度设置极限保护。控制系统通过主控芯片定时器1的捕捉功能对其中1路转子位置信号进行检测，并计算出每次主动横向稳定杆运行电机转子的角度与设定好的极限位置进行比较，如果超过设定好的极限位置，电机保持现有状态，不再进入下一步换相运行，从而保护系统的机械结构。图16所示：极限位置程序包括以下步骤：

步骤一：开始；

步骤二：定时器tim1中断初始化；

步骤三：是否已经到极限位置：是：运行步骤四；否：运行步骤五；

步骤四：极限标志位置“1”,电机保持原状态；

步骤五：极限标志位置“0”；

步骤六：保护中断现场；

步骤七：结束并返回主程序。

因此，通过本发明的硬件和程序的设置可以对电机的相电流更加准确的进行监控并加以控制，从而控制主动横向稳定杆的输出更加准确的反侧倾力矩，从而使主动稳定杆能跟准确地输出相应的反侧倾力矩来抑制车辆的侧倾，这样控制更加稳定安全。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。