電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)BLDC電機(jī)控制模塊設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計

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1、 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)BLDC電機(jī)控制模塊設(shè)計 摘 要 由于電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)具有高性能、高效率、低成本、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展,電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS),成為轉(zhuǎn)向助力技術(shù)的主流。 目前，EPS 的助力電機(jī)多采用傳統(tǒng)的永磁直流電機(jī)，直流電機(jī)所用電刷產(chǎn)生的機(jī)械摩擦，帶來了噪聲、火花、電磁干擾以及壽命短等致命弱點，降低了 EPS 的可靠性和安全性能。因此，開發(fā)一種新型的、適應(yīng)于 EPS 的驅(qū)動電機(jī)—無刷直流電機(jī)，對提高 EPS 的性能

2、具有重要意義。 本文在詳細(xì)了解EPS系統(tǒng)性能要求和工作原理的基礎(chǔ)上,對各種已有的EPS助力電機(jī)進(jìn)行了總結(jié)和比較。對比結(jié)果表明,無刷直流電機(jī)(BLDC)憑借其顯著的優(yōu)點,成為EPS助力電機(jī)的較優(yōu)選擇。本文研究開發(fā)了 EPS 用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，論文的主要工作有： 1）分析了無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理。并從電磁因素、電流換向、齒槽因素、電樞反應(yīng)機(jī)械工藝等方面分析和研究了造成轉(zhuǎn)矩脈動的原因，提出了改進(jìn)措施。 2） 構(gòu)建了以Microchip公司的dsPIC33FJ12MC202微處理器作為控制核心的無刷直流機(jī)控制系統(tǒng),設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路,編寫調(diào)試了相應(yīng)的控制程序,設(shè)

3、計了無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。 實驗表明：無刷直流電機(jī)體積小、出力大、機(jī)械特性好，是 EPS 的理想驅(qū)動電機(jī)。開發(fā)的無刷直流電機(jī)控制器成本低廉，性能可靠，符合 EPS 助力平順、方便操縱、實時性高的要求，為后續(xù)的研究工作提供了良好的開發(fā)、測試平臺。 關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向；無刷直流電機(jī)；dsPIC33FJ12MC202；控制系統(tǒng) Abstract As the electric power steering (EPS) system with high performance, hig

4、h efficiency, low cost , energy saving , etc., with the development of automotive electronics technology, electric power steering technology is gradually replacing the traditional hydraulic power steering (HPS), became steering technology mainstream . Currently , EPS booster motors use more conve

5、ntional permanent magnet DC motors, DC motors brush mechanical friction , bringing noise , sparks , electromagnetic interference , and short life fatal weakness , reducing the reliability and security of EPS performance . Therefore , the development of a novel , adapted EPS drive motor - brushless D

6、C motor, to improve the EPS performance is important. In this paper, a detailed understanding of the EPS system performance requirements and works on the basis of various existing EPS booster motors were summarized and compared. Comparative results show that the brushless DC motor (BLDC) With its

7、 significant advantages to become the optimum choice EPS booster motor. In this paper, the research and development of EPS Brushless DC motor control system , the papers main tasks are: 1 ) analyzes the structure of brushless DC motor works. From electromagnetic factors , current commutation , al

8、veolar factors , technology and other aspects of mechanical armature reaction analysis and study of the causes of torque ripple , the proposed improvements. 2 ) constructed with Microchip s dsPIC33FJ12MC202 microprocessor as the core control brushless DC motor control system , the hardware circui

9、t design , write and debug the corresponding control procedures designed brushless DC motor control system . Experimental results show that : the brushless DC motor , small size , large output , good mechanical properties, is ideal for EPS drive motor . Low cost brushless DC motor controller deve

10、loped , reliable performance , in line with EPS power smooth , easy manipulation, high real-time requirements, providing a good development for subsequent studies , the test platform. Keywords : electric power steering ; brushless DC motor ; dsPIC33FJ12MC202; Control System

11、 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………1 Abstract ………………………………………………………………………… 2 第一章 緒論……………………………………………………………………… 4 1. 1 引言…………………………………………………………………………4 1. 2 課題研究的目的和意義……………………………………………………4 1. 3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀………………………………6 1. 4 EPS系統(tǒng)原理 ………………………………………………………………7

12、 1. 5 EPS用助力電機(jī)概述……………………………………………………… 8 1. 6 無刷直流電動機(jī)概述 …………………………………………………… 10 1. 7 課題研究的主要內(nèi)容 …………………………………………………… 12 第二章 EPS用永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計 …………………………………… 12 2. 1 電機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇………………………………………………………12 2. 2 永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計概述…………………………………………15 2. 3 電磁負(fù)荷和電機(jī)主要尺寸…………………………………………………16 2. 4 樣機(jī)的主要參數(shù)……

13、………………………………………………………17 2. 5 本章小結(jié)……………………………………………………………………18 第三章EPS用無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計………………………………… 18 3. 1EPS控制系統(tǒng)概述……………………………………………………………18 3. 2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………21 3. 3主控電路 ……………………………………………………………………23 3. 4功率及驅(qū)動電路…………………………………………………………… 28 3. 5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 ………………………………………

14、…………………31 3. 6 硬件電路及實驗結(jié)果………………………………………………………33 3. 7 本章小結(jié)……………………………………………………………………34 結(jié)論 …………………………………………………………………………………35 參考文獻(xiàn)（References）……………………………………………………………36 致謝 …………………………………………………………………………………37 第一章 緒論 1.1 引言 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，對于確保車輛的安全行 駛，減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全，改善駕駛員的工作

15、條件起著重要 的作用。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)不斷被采用，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydrulic Power Steering,簡稱 HPS），電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydrulic Power Steering,簡稱 EHPS），發(fā)展到如今利用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering,簡稱EPS）。 所謂電動助力轉(zhuǎn)向（electric power steering，簡稱 EPS），就是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，用電池作為能源，電動機(jī)為動力，以轉(zhuǎn)矩和車速為輸入信號，通過電子控制裝

16、置，協(xié)助人力轉(zhuǎn)向，并獲得最佳轉(zhuǎn)向力的伺服系統(tǒng)。EPS 用電動機(jī)直接提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）控制。它能節(jié)約能源，提高主動安全性，而且還有利于環(huán)保，關(guān)鍵是利用汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠使汽車的駕駛性能達(dá)到令人滿意的程度，即在低速時可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍數(shù)和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向的手感，從而提高了高速操縱的穩(wěn)定性。近幾年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）逐漸成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的熱點之一。 1. 2 課題研究的目的和意義 本課題以汽車電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）控制系統(tǒng)的工程研制項目為背景，以開發(fā)出高可靠性、高性能指標(biāo)、

17、低成本并且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動助力轉(zhuǎn)向無刷直流電機(jī)控制器為目的。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由發(fā)動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵提供液壓油，由轉(zhuǎn)向控 制閥來控制液壓油的流向以實現(xiàn)助力。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其轉(zhuǎn)向助力大、工作 滯后時間短、可以很少地吸收來自不平路面的沖擊等特點獲得廣泛的應(yīng)用。液壓 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然現(xiàn)在運用得比較多，但是還是有它的缺點。汽車在不同車速下 的行駛工況對助力的大小需求是不一樣的，低速要求助力大，高速要求助力小或 者不助力或者增加轉(zhuǎn)向阻力，傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法做到這點。此外，液 壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有噪聲大的缺點，并且液壓管路的泄漏以及進(jìn)氣造成會轉(zhuǎn)向沉重。 電子控

18、制式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于增加了電子控制裝置而且其閥的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而成本較高。在技術(shù)上，電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計也比普通液壓動力轉(zhuǎn)向器要復(fù)雜，必須考慮電氣部分如傳感器的選型和布置、電磁閥的特性、電液系統(tǒng)的耦合、轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)及其算法設(shè)計以滿足不同車速下行駛穩(wěn)定性要求。雖然電子控制的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在駕駛舒適性較傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有很大的提高，但是沒能從根本上解決系統(tǒng)在工作時大量的液流在泵內(nèi)循環(huán)而造成的能源浪費問題。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)扭矩和車速信 號，通過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力，電動機(jī)的助力通 過減速器

19、后施加到汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從而達(dá)到助力效果。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車 速感應(yīng)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠根據(jù)車速變化自動調(diào)節(jié)助力特性，實現(xiàn)對汽車的主 動控制，提高了汽車的主動安全性。 與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS 具有如下優(yōu)點： ① 降低了燃油消耗。試驗表明：在不轉(zhuǎn)向的情況下，裝有 EPS 的車輛燃油 消耗降低了 2.5%；在使用轉(zhuǎn)向情況下，降低了 5.5%。又由于即使在-40 度的低 溫下，EPS 也能夠很好的工作，而傳統(tǒng)得液壓系統(tǒng)要等到液壓油預(yù)熱后才能正常 工作，因此該系統(tǒng)沒有啟動時的預(yù)熱，節(jié)省了能量。 ② 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在 EPS 中，電動機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩

20、，通過適當(dāng)?shù)目刂? 方法，可以消除液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的隨動 性能。 ③ 改善了轉(zhuǎn)向回正特性。該系統(tǒng)采用微電子技術(shù)，利用軟件控制電動機(jī)的動作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最佳的回正性。 ④ 有較好的“路感”。EPS 系統(tǒng)可通過修改軟件很容易實現(xiàn)在不同駕駛轉(zhuǎn)向 工作狀況下獲得更優(yōu)的路感，并能有效改善低速轉(zhuǎn)向盤沉重，高速時發(fā)飄的現(xiàn)象。 ⑤ 有利于環(huán)保。EPS 應(yīng)用電能作為能源，完全取締了液壓裝置，不會有液 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的泄油問題，避免了污染。EPS 還降低了噪聲，因為它沒有轉(zhuǎn)向油泵，而轉(zhuǎn)向油泵是一個噪聲源。 ⑥

21、 輕量化顯著。EPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，零件數(shù)目少，質(zhì)量減輕，無油漏問題，系統(tǒng)易于布置。 ⑦ 系統(tǒng)安全保護(hù)。當(dāng) EPS 出現(xiàn)故障時，即切斷電動機(jī)與減速傳動機(jī)構(gòu)的動力傳送，迅速轉(zhuǎn)入人工—機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)。 EPS 以其特有的優(yōu)越性而得到青睞，它代表著未來動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方 向。EPS 將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位而且有可能完全取代現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這同時也對 EPS 系統(tǒng)的設(shè)計提出了更加嚴(yán)格的要求，其性能的優(yōu)劣和成本的高低都直接影響其在汽車上的應(yīng)用前景。 1.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 ① 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程

22、 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最早是由日本研制成功的。1988 年 3 月，日本鈴木公司 開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡稱:電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))，才真正擺脫了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。1993 年豐田汽車公司首次將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的愛克 NSX 跑車上。同年，在歐洲市場銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車一菲亞特幫托也將美國德爾福公司生產(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無疑是未來動力轉(zhuǎn)向設(shè)計的新方向，目前在中型以上貨車和中級以上轎車上廣泛采用的機(jī)械一液壓動力轉(zhuǎn)向器將逐漸被效率更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所代替。為此，國外幾家大公司(如德國的 ZF、英國盧卡斯

23、一偉利達(dá)、Saginaw、TRW、日本的 NSK、Koy 等)都竟相推出自己的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 Delphi 汽車系統(tǒng)己經(jīng)為大眾的 Polo、歐寶 3181 以及菲亞特的 Punto 開發(fā)出 EPS。TRW 從 1998 年開始，便投入了大量人力、物力和財力用于 EPS 的開發(fā)，他們最初是針對客車開發(fā)出轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS，如今小齒輪助力式 EPS 開發(fā)已獲成功，1999 年 3 月，他們的 EPS 已經(jīng)裝備于轎車上，如:Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。Mercedes-Benz 和 Siemens Automotive 兩大公司共同投資了 6500 萬英鎊用于開發(fā)

24、EPS，他們計劃開發(fā)出用于汽車前橋負(fù)載超過 1200kg的 EPS 系統(tǒng)，因此貨車也可能成為 EPS 的裝備目標(biāo)。 與國外相比，我國的電動轉(zhuǎn)向研究在很長一段時間里是空白，自 2000 年昌 河北斗星車裝備 EPS 后，掀開了國內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁。目前國內(nèi)已 經(jīng)有數(shù)十家大專院校和企業(yè)開發(fā) EPS，并取得了一定的進(jìn)展，雖然各方面對電動轉(zhuǎn)向的研究大量投入，并且已有部分產(chǎn)品開始裝車調(diào)試，但是由于對 EPS 的核心控制技術(shù)并完全摸透，至今仍然在不斷的探索之中，要形成產(chǎn)業(yè)化還尚需時日。 ② 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)大部分文獻(xiàn)只介紹了國外轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用

25、現(xiàn)狀，文獻(xiàn)介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，并對機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓動力轉(zhuǎn)向、電子液壓動力轉(zhuǎn)向和電子控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了部分闡述。文獻(xiàn)分析了汽車運動的力學(xué)特性，闡明了作用在輪胎上的力產(chǎn)生的機(jī)理與性質(zhì)，討論了轉(zhuǎn)向裝置對汽車運行穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)在對輪胎特性進(jìn)行線性化假設(shè)的前提下，忽略了影響操縱系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，并給出了轉(zhuǎn)向力矩與車速、轉(zhuǎn)彎曲率半徑、轉(zhuǎn)向系傳動比等參數(shù)之間的關(guān)系。 Badaway 對 EPS 系統(tǒng)進(jìn)行建模并對模型進(jìn)行了簡化，驗證了簡化模型的有 效性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了控制器并討論了影響轉(zhuǎn)向性能的因素。Gregg,R.D.給出了 EPS 完整的系統(tǒng)構(gòu)成，并利用

26、手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確模型及 Matrix-X 包對整車進(jìn)行計算機(jī)模擬，使 EPS 性能得到了優(yōu)化。Zaremba,A.T.分析了電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)中的控制和路感問題，按照轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求，提出了對校正器增益、相位滯后和零極點位置的約束，針對變結(jié)構(gòu)控制器，提出了一種非線性約束的最優(yōu)化方法，其控制規(guī)律使目標(biāo)函數(shù) (H_sub2 范數(shù))取極小值，從而使操縱手感得到改善。文獻(xiàn)[27]在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的振動進(jìn)行分析后，提出了一個降低振動和保持路感的校正器。McCann 分析了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中助力電機(jī)參數(shù)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響，通過采用橫擺角速度和橫向加速度反饋，系統(tǒng)獲得了良好的穩(wěn)定性。Burt

27、on 對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中驅(qū)動電路的 Matlab 模型進(jìn)行了仿真。 Sugitani 提出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱的手感取決于控制系統(tǒng)獲取路面環(huán)境的信息的多少，并給出了 H_infinity 控制器。J.S.Chen 采取 PD 控制，獲得理想的穩(wěn)態(tài)扭矩，并避免了扭矩在中頻段的高傳遞率，采用超前補償器消除 PD 控制器無法解決的噪音問題。 1.4 EPS系統(tǒng)原理 EPS系統(tǒng)由電子控制單元ECU、助力電動機(jī)、扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器和減速系統(tǒng)等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)原理如圖1.1所示下圖所示。 圖1.1EPS系統(tǒng)原理圖 在正常工作模式下,當(dāng)駕

28、駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時,扭矩傳感器開始工作,把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對位移轉(zhuǎn)化成電信號傳給ECU,ECU再根據(jù)傳來的扭矩信號和車速信號,決定電動機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和助力電流的大小,從而達(dá)到助力目標(biāo)。這種隨車速和扭矩變化的助力方式,相比采用固定傳動比的液壓助力方式,既能保證汽車低速運行時的靈敏性,又能保證高速行駛時的穩(wěn)定性。 1.5 EPS用助力電機(jī)概述 助力電機(jī)為EPS提供動力,是EPS系統(tǒng)的動力源,它根據(jù)ECU單元的指令,輸出適宜的助力轉(zhuǎn)矩。助力電機(jī)的性能在很大程度上便決定了整個EPS系統(tǒng)的性能,因此EPS系統(tǒng)對電動機(jī)的性能要求很高。相對普通電動機(jī),電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用電機(jī)應(yīng)該具

29、有以下特點: .由于絕大多數(shù)車載電源為12V直流,因此要求直流電機(jī)供電電壓低,并且具有大的額定電流和額定功率; .體積盡量小,轉(zhuǎn)動慣量小,寬廣的調(diào)速范圍,控制特性好,低速運行平穩(wěn),力矩波動小; .轉(zhuǎn)速低,約1000r/mln左右。高轉(zhuǎn)速下,大的齒輪傳動比將會增加系統(tǒng)的機(jī)械慣量,影響系統(tǒng)動態(tài)性能; .在堵轉(zhuǎn)時也能提供助力轉(zhuǎn)矩。對于大型車輛,甚至應(yīng)該能夠提供與轉(zhuǎn)動方向相反的助力轉(zhuǎn)矩。 直流電機(jī)、伺服電機(jī)、力矩電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)等已經(jīng)在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制策略的應(yīng)用,也為交流電機(jī)應(yīng)用于EPS系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。下面就對各種EPS用

30、助力電機(jī)進(jìn)行簡單介紹。 l)直流電機(jī) 優(yōu)點:具有良好的起動性能和調(diào)速性能;可以直接由汽車電源進(jìn)行供電;電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流存在雙=Ct中I舀的函數(shù)關(guān)系,通過調(diào)節(jié)電樞電流便可方便地調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。 缺點:使用機(jī)械電刷和換向器,造成換向火花和機(jī)械噪聲,縮短電機(jī)壽命,增加維護(hù)工作量,并且影響控制精度。 2)伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī),它把電壓信號直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸的角速度或者角位移輸出。 優(yōu)點:具有良好的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比;良好的速度控制特性和高精度的位置控制。 缺點:控制較為復(fù)雜,驅(qū)動器參數(shù)需要通過現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)來設(shè)定。 3)力矩電動機(jī) 力矩電動機(jī)是一種具有低轉(zhuǎn)速,

31、寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。這種電機(jī)可以長期工作在堵轉(zhuǎn)或者低速狀態(tài)。 優(yōu)點:低轉(zhuǎn)速,大扭矩,過載能力強(qiáng),力矩波動小。 缺點:機(jī)械特性較軟。 4)無刷直流電動機(jī) 優(yōu)點:用電子換向取代了機(jī)械電刷和換向器,不產(chǎn)生換向火花和機(jī)械噪聲;機(jī)械特性類似于普通直流電機(jī),易于進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制;控制系統(tǒng)簡單。 缺點:采用1加“導(dǎo)通方式工作,有較大的轉(zhuǎn)矩脈動。 5)永磁同步電動機(jī) 優(yōu)點:良好的機(jī)械特性;采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等)后,轉(zhuǎn)矩脈動較BLDC小。 缺點:控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 綜合分析各種助力電機(jī)的優(yōu)缺點,可以發(fā)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)是一種理想的EPS系統(tǒng)伺服電

32、機(jī)。它具有與有刷直流電動機(jī)相同的調(diào)速和控制性能,但是卻克服了有刷直流電機(jī)中存在的換向火花和電磁干擾;它具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單的優(yōu)點,但是又沒有交流電機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點。即永磁無刷直流電動機(jī)集中了直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點,又克服了二者的缺點,是一種高性價比的EPS用電機(jī)。 但是無刷直流電機(jī)作為EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)也并非完美無缺。首先,永磁電機(jī)中固有的齒槽定位轉(zhuǎn)矩的存在,嚴(yán)重影響了電機(jī)性能。另一方面,由于采用1200換向方式工作,定子磁場每隔600電角度產(chǎn)生一次跳變,使電機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時也存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動。因此在使用無刷直流電機(jī)做EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)時,為獲得良好的性能,我們必

33、須從以上兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。 1.6 無刷直流電動機(jī)概述 永磁無刷直流電動機(jī)(Permanent Magnet Brushless DC motor)是一種典型的電一體化產(chǎn)品,由電動機(jī)本體、控制和驅(qū)動電路、位置傳感器三部分組成。 永磁無刷直流電動機(jī)的構(gòu)成圖如下: 圖1.2永磁無刷直流電動機(jī)構(gòu)成 在永磁無刷直流電動機(jī)中,電樞繞組安裝在定子鐵心中,永磁體固定在轉(zhuǎn)子上,利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測永磁磁極的位置,并由此確定定子繞組的下一個導(dǎo)通狀態(tài),使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。下面以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)2極永磁無刷直流電動機(jī)為例,說明其工作原理,圖1.

34、3為其工作原理圖。 圖1.3永磁無刷直流電動機(jī)工作原理圖 圖1.4定轉(zhuǎn)子位置示意圖 當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖1.4(a)所示位置時,位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子位置信號,經(jīng)過邏輯譯碼后產(chǎn)生導(dǎo)通信號,控制圖1.3中的開關(guān)管Tl,T6導(dǎo)通,即A相繞組正向?qū)? 通,B相繞組反相導(dǎo)通,所產(chǎn)生的定子合成磁動勢如圖1.4(a)所示。根據(jù)電磁力定律,永磁體將沿順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過600,到達(dá)圖1.4(b)中位置時,位置傳感器再根據(jù)所檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號,控制開關(guān)管T6關(guān)斷,T:導(dǎo)通,實現(xiàn)電流由B相到C相的換向。此時,定子磁動勢

35、順時針跳轉(zhuǎn)600,在電磁力的作用下,轉(zhuǎn)子將繼續(xù)做順時針旋轉(zhuǎn)。以此類推,每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60“電角度,定子繞組就改變一次導(dǎo)通狀態(tài),始終保持定子合成磁動勢領(lǐng)先于轉(zhuǎn)子永磁磁動勢600--1200電角度,從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。 從運行過程來看,定子繞組每隔60“改變一次運行狀態(tài),定子合成磁場相應(yīng)改變一次位置。每相繞組每次導(dǎo)通1200,且每個狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通,此種方式稱為兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)工作模式。在每個狀態(tài)過程中,定子合成磁場都恒定不動,而轉(zhuǎn)子磁場則連續(xù)轉(zhuǎn)動,因此總的合成磁場將連續(xù)變化而非恒定,由此將造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動。為了抑制由電流換向造成的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動,已有不少學(xué)者做了大

36、量的研究工作[5,6,7],這里不做詳細(xì)討論。 近年來,隨著電力電子技術(shù)、永磁材料和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,永磁無刷直流電機(jī)得到了迅速發(fā)展。以其高效、高功率密度、高可靠性的特點,在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域,如醫(yī)療器械、儀器儀表、航空航天、電動車等方面都得到了廣泛應(yīng)用。 在國內(nèi),昌河公司于2000年最早在北斗星的部分車型上安裝了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己經(jīng)廣泛運用與1.3L一1.6L的輕型轎車上。然而,應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的助力電機(jī)仍然以有刷直流電機(jī)為主。 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,尤其是汽車電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,EPS系統(tǒng)必將取代傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)成為轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的主

37、流。而無刷直流電機(jī)以其優(yōu)異的控制性能也必將取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)在EPS系統(tǒng)中的地位。 1.7 課題研究的主要內(nèi)容 本課題主要負(fù)責(zé)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的心臟部分：無刷直流電機(jī)控制器的研究 和開發(fā)。在設(shè)計的過程中，吸取了國內(nèi)外的電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗。 本課題研究的主要內(nèi)容為： ① 在分析EPS系統(tǒng)對助力電機(jī)要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一臺EPS用永磁無刷直流電動機(jī)。 ② 觀測無刷直流電機(jī)運行的相關(guān)波形，并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決方法。 ③ 根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能和已設(shè)計的硬件電路，完成各個軟件模塊的設(shè)計和調(diào)試。

38、④ 在綜合試驗臺和電機(jī)試驗臺上完成相關(guān)試驗，觀測波形，討論控制實際控制效果。 第二章EPS用永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計 在第一章中,我們已經(jīng)對EPS用助力電機(jī)的特點進(jìn)行了總結(jié)。為了保證整個EPS系統(tǒng)的良好性能,我們在助力電機(jī)的設(shè)計中也應(yīng)該從這些方面入手,盡量滿足這些方面的要求。 2.1電機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇 文獻(xiàn)分別對永磁無刷直流電機(jī)定轉(zhuǎn)子的各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)和比較。本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合EPS系統(tǒng)的性能要求,進(jìn)行無刷直流電動機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計。 2.1.1定子結(jié)構(gòu)型式的選擇 永磁無刷直流電動機(jī)的定子鐵心中放置繞組,轉(zhuǎn)子上加永磁磁極。由于永磁無刷直流電動機(jī)應(yīng)用場合多樣,

39、其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式比永磁同步電機(jī)更加多樣化。其常用的定子結(jié)構(gòu)型式如圖2.1所示。 圖2.1永磁無刷直流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)形式 圖2.1(a)是在永磁無刷直流電機(jī)中應(yīng)用十分廣泛的的整數(shù)槽結(jié)構(gòu),定子每極每相槽數(shù)為整數(shù),繞組采用雙層疊繞組或者單層同心式繞組。這種結(jié)構(gòu)的顯著缺點是齒槽定位轉(zhuǎn)矩較大,不適宜于EPS助力電機(jī)的設(shè)計。 圖2.1(b)中定子鐵心為無齒槽結(jié)構(gòu),定子繞組均勻分布于定轉(zhuǎn)子之間的大有效氣隙中。由于取消了定子齒,定轉(zhuǎn)子之間不產(chǎn)生齒槽定位轉(zhuǎn)矩,這對于永磁電機(jī)來講是有益的,非常適用于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和振動、噪聲要求較高的場合。但是這種結(jié)構(gòu)也會

40、帶來不利因素,如:繞組散熱能力差,溫升高;有效氣隙長,與繞組鉸鏈的氣隙磁場減弱等。為了獲得較高的氣隙磁場需要增大轉(zhuǎn)子永磁體的厚度,使電機(jī)的成本較高?？紤]到車載電機(jī)散熱條件方面的限制,此結(jié)構(gòu)的電機(jī)也不宜采用。 圖2.1(c)為定轉(zhuǎn)子槽數(shù)/極數(shù)比為3/2的分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)。相繞組線圈繞 在一個定子齒上,每對極下有三個定子齒,分別對應(yīng)定子三相繞組。分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)相對于整數(shù)槽的明顯優(yōu)點是繞組端部尺寸小,繞組利用率高;一個線圈可以形成一個獨立的磁極,相繞組之間藕合弱,互感小;可以有效削弱永磁電機(jī)內(nèi)部的齒槽定位轉(zhuǎn)矩。但是此結(jié)構(gòu)的缺點為:相繞組不能與全部的轉(zhuǎn)子磁場禍合,導(dǎo)致永磁體的利用率降低。

41、 綜合分析上述三種定子結(jié)構(gòu)型式,再考慮到車載電機(jī)工作環(huán)境、性能要求 等方面的約束,我們最終選擇了8極12槽的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)作為定子設(shè)計方案。 2.1.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式的選擇 永磁無刷直流電動機(jī)中常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式 圖2.2(a)中由兩片永磁體圓弧形成轉(zhuǎn)子N極,通過轉(zhuǎn)子鐵心的凸極結(jié)構(gòu)形成兩個S極。該結(jié)構(gòu)可以使永磁轉(zhuǎn)子所需的永磁體片數(shù)降低一半,降低了制造成本;但是轉(zhuǎn)子鐵心的凸極結(jié)構(gòu)會使定子繞組電感發(fā)生變化,其數(shù)值隨轉(zhuǎn)子位置而變化,從而在電機(jī)運行時會產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩。 圖2.2(b)中永磁體切

42、向勵磁,可以獲得了較高的氣隙磁密。但此結(jié)構(gòu)下電樞反應(yīng)磁場較大,會引起氣隙磁場畸變,進(jìn)而增大轉(zhuǎn)子鐵心損耗。 圖2.2(c)中轉(zhuǎn)子永磁磁極之間為磁性鐵心,使轉(zhuǎn)子運行時產(chǎn)生一個附加的磁阻轉(zhuǎn)矩,通過合理的電機(jī)設(shè)計可以使該磁阻轉(zhuǎn)矩變?yōu)橛杏玫耐蟿愚D(zhuǎn)矩,增大電機(jī)的功率密度。但是磁阻轉(zhuǎn)矩的存在也增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動。 多極永磁無刷直流電機(jī)多采用圖2.2(d)的的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、成本低,但是磁性能差也是其顯著缺點。 圖2.2(e)、(f)、(g)中轉(zhuǎn)子永磁體均采用表面式安裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中永磁體直接面對氣隙,使氣隙磁場較強(qiáng)。由于稀土永磁材料磁導(dǎo)率很低,所以定子繞組電感很小,電樞

43、反應(yīng)磁場較弱,對于永磁無刷電機(jī)運行有利。 根據(jù)助力電機(jī)應(yīng)用場合的要求,獲得較平穩(wěn)的助力轉(zhuǎn)矩是其最主要的要求。通過對七種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較,我們最終選擇了表面式安裝結(jié)構(gòu)作為電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式。 2.1.3轉(zhuǎn)子位置檢測 目前,無刷直流電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置檢測方式主要有兩種,即有位置傳感器的檢測方式和無位置傳感器方式。其中無位置傳感器的檢測方式中,應(yīng)用最為廣泛的是繞組非導(dǎo)通相反電動勢檢測法。反電動勢檢測法的優(yōu)點是線路簡單,技術(shù)成熟,成本低,實現(xiàn)起來相對容易。但其不足之處是當(dāng)電機(jī)停止或轉(zhuǎn)速較低時,反電動勢沒有或很小而無法檢出,不利于電機(jī)的啟動。由于應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的無刷直流電機(jī)需要

44、頻繁的啟動,并且主要是工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài),因此這種方式并不適合。而采用霍爾元件作為位置傳感器的有位置傳感器檢測方式,安裝方便、工作可靠、價格低廉,是比較理想的選擇。 2.2永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計概述 無刷直流電動機(jī)設(shè)計的主要內(nèi)容包括電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,其任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能指標(biāo),選用合適的材料,確定電動機(jī)各部分的尺寸,并計算其性能,以滿足節(jié)省材料,制造方便,性能良好等基本要求。無刷直流電機(jī)設(shè)計中的技術(shù)要求主要有以下幾點: 一、運行方式。直流無刷電動機(jī)的運行方式主要有連續(xù)、短時和斷續(xù)三種。在同樣的功率和同樣溫升的限制下,斷續(xù)或短時運行方式的電動機(jī)尺寸要比連續(xù)運

45、行方式的電動機(jī)小。由EPS系統(tǒng)的功能特性我們知道,助力電機(jī)只是在接收到轉(zhuǎn)向盤傳來的的扭矩信號后,才會進(jìn)入運行狀態(tài),因此可以看做一種短時運行方式。這樣,我們在設(shè)計時便可以將電磁負(fù)荷取為較大值,以減小電機(jī)體積,節(jié)省有限的汽車內(nèi)部空間。 二、防護(hù)型式。電動機(jī)的防護(hù)型式直接影響電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及通風(fēng)散熱,在設(shè)計時必須充分注意。一般直流電機(jī)的防護(hù)型式主要有防護(hù)式和封閉式兩種,其中封閉式結(jié)構(gòu)主要用于粉塵較多的場合。由車載電機(jī)的工作條件我們知道,系統(tǒng)對電機(jī)通風(fēng)散熱的要求比防塵更為嚴(yán)格,因此選用防護(hù)式更為合理。 三、溫升和絕緣。在電動機(jī)運行過程中,由于本身內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致電動機(jī)部件的

46、老化,壽命縮短。綜合考慮絕緣材料的耐熱等級和電機(jī)的溫升情況,選用F級或H級絕緣比較合適。 四、效率。電動機(jī)的運行效率直接影響電能的有效利用,也影響電動機(jī)本身的溫升。但是,由于EPS用無刷直流電動機(jī)的功率較小,其能耗指標(biāo)并不十分突出。在保證其他性能指標(biāo)的前提下,可以允許犧牲一點效率。 2.3電磁負(fù)荷和電機(jī)主要尺寸 所謂電機(jī)的電磁負(fù)荷是指電機(jī)的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B。它們與電動機(jī)主要尺寸的確定直接相關(guān),對電動機(jī)的運行特性、效率、溫升等也有很大影響。其中,無刷直流電動機(jī)中的電負(fù)荷(線負(fù)荷)A是指沿定子內(nèi)徑圓周方向每單位長度中的安培導(dǎo)體總數(shù),其表達(dá)式為

47、 (2-1) 其中,m為電機(jī)相數(shù),戈每相導(dǎo)體數(shù),Ia相電流(A),Da定子內(nèi)徑(cm)。 磁負(fù)荷B是指無刷直流電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。 在無刷直流電機(jī)設(shè)計中,主要尺寸是指定子內(nèi)徑幾和電樞鐵心計算長度La,它們確定了電動機(jī)的外形輪廓、重量及材料費用,與電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)也有非常密切的關(guān)系。 以電磁功率為橋梁,可以推導(dǎo)出無刷直流電動機(jī)在給定功率和轉(zhuǎn)速下,主要尺寸與電磁負(fù)荷之間的關(guān)系,如下 (2-2) 其中La電樞鐵心計算長度(cm) p為電機(jī)的電磁功率(kW),n電機(jī)轉(zhuǎn)

48、速 (r/min)。由上式可以看出: (l)在電磁負(fù)荷一定時,電動機(jī)的體積與電磁功率成正比,與轉(zhuǎn)速成反比。 (2)轉(zhuǎn)速一定時,若直徑不變而采用不同長度,則可得到不同功率的電機(jī)。 (3)在技術(shù)指標(biāo)給定的情況下即電動機(jī)電磁功率和轉(zhuǎn)速不變時,電動機(jī)的 主要尺寸很大程度上取決于所選的電磁負(fù)荷。電磁負(fù)荷選的越大,電動機(jī)的尺寸就越小,材料越節(jié)省。但是隨著電磁負(fù)荷的增加,電機(jī)的銅耗、鐵耗會相應(yīng)增加,效率下降,影響電動機(jī)的使用壽命。 作為車載電機(jī)的一種,為節(jié)約有限的車內(nèi)空間,我們應(yīng)該盡量減小電機(jī)的尺寸。根據(jù)上面的分析知道,在保證功率和轉(zhuǎn)速不變的條件下,這時我們就要選

49、取較大的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B,然而這樣做的顯著缺點便是增大了電機(jī)的銅耗和鐵耗,增加了發(fā)熱,降低了效率。但是,由于助力電機(jī)主要工作于斷續(xù)工作模式,而且功率較小,對于能耗的要求并不是太高,因此我們可以考慮采用這種設(shè)計方式。 另外,根據(jù)助力電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小的要求,我們應(yīng)該盡量減小轉(zhuǎn)子的直徑(約等于定子內(nèi)徑幾)。然而,由式(2一l)可以看出,在電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速一定的條件下,減小電樞直徑的同時應(yīng)該增大電樞鐵心的長度,而且電樞直徑的少量減小,便會造成鐵心長度的大量增加。因此,我們應(yīng)該綜合考慮兩方面的影響, 確定合理的Do和La。 2.4樣機(jī)的主要參數(shù) 樣機(jī)參數(shù) 一、性能要求 額定功率:2

50、50W 額定電壓:12V 額定轉(zhuǎn)速:1320r/min 額定電流:30A 相數(shù):3相 二、電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 槽數(shù):12 極數(shù):8 定子鐵心外徑:85mm 定子鐵心內(nèi)徑:37.9mm 定子鐵心長度:32.5mm 永磁體外徑:36.5mm 轉(zhuǎn)子鐵心外徑:30.4mm 轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑:10mm 電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 圖2.3樣機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 2.5本章小結(jié) EPS用永磁無刷直流電動機(jī)與一般無刷直流電動機(jī)相比,在設(shè)計方面存在一些特殊之處,低電壓、大電流、低轉(zhuǎn)速、高功率密度、低轉(zhuǎn)動慣量等是其基本特點。而滿足這些

51、要求,是設(shè)計EPS用無刷直流電動機(jī)的關(guān)鍵。本章根據(jù)EPS系統(tǒng)對助力電機(jī)的性能要求,設(shè)計了一臺無刷直流電動機(jī)。重點闡述了電機(jī)結(jié)構(gòu)型式、永磁體的選擇,以及電磁負(fù)荷和電機(jī)主要參數(shù)的確定。最后使用有限元仿真軟件JMAG進(jìn)行了電機(jī)性能的計算,計算結(jié)果表明基本達(dá)到了設(shè)計要求。 第三章EPS用無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 3.1EPS控制系統(tǒng)概述 3.1.1EPS控制系統(tǒng)工作原理 EPS控制系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。當(dāng)汽車點火開關(guān)閉合時,單片機(jī)上電后對EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢。自檢通過后,閉合繼電器和離合器,EPS系統(tǒng)便開始工作。駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向,扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)動方向,車速傳感

52、器檢測到車速信號,這些信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至控制單元微處理器的相應(yīng)端口,單片機(jī)根據(jù)方向盤扭矩、轉(zhuǎn)動方向和車速等數(shù)據(jù),并依據(jù)助力特性,確定助力電流的大小和方向,通過單片機(jī)的PWM口控制相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷或進(jìn)行PWM,調(diào)節(jié)輸出電流的大小,從而調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)EPS系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,單片機(jī)將控制EPS系統(tǒng)退出運行,轉(zhuǎn)入手動助力模式。 圖3.1EPS控制系統(tǒng)硬件原理框圖 3.1.2EPS系統(tǒng)控制策略 EPS控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是根據(jù)扭矩信號和車速信號,輸出所需要的助力轉(zhuǎn)矩。由于無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以等效為Te=KtIe,其中Kt為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)

53、矩常數(shù),Ie為電機(jī)有效電流。因此,控制電樞電流便可達(dá)到控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,并進(jìn)而控制輸出轉(zhuǎn)矩的目的。 對電機(jī)輸出助力轉(zhuǎn)矩幾的控制由電機(jī)目標(biāo)助力電流控制算法和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制兩部分組成。前者根據(jù)駕駛員對方向盤施加的力矩幾和車速,確定電機(jī)的標(biāo)助力電流It;后者根據(jù)電機(jī)目標(biāo)電流和電機(jī)反饋電流Im對電機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制。EPS系統(tǒng)的控制策略如圖3.2所示。 圖3.2EPS系統(tǒng)的控制策略 3.1.3助力轉(zhuǎn)矩的確定方法 由圖5-2可以看出,EPS系統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)矩由方向盤的輸入轉(zhuǎn)矩和車速共同確定。EPS系統(tǒng)對輸出助力轉(zhuǎn)矩的基本要求是:在某一速

54、度情況下,當(dāng)方向盤沒有轉(zhuǎn)矩或只有很小的扭矩的時候,電動機(jī)不提供助力,直到方向盤的轉(zhuǎn)動需要很大力矩的時候,為了減輕駕駛員的出力,電機(jī)開始提供助力轉(zhuǎn)矩,并且力矩的大小隨著方向盤轉(zhuǎn)動角度的增大而增大,而當(dāng)方向盤扭矩大于某一個值后,電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩不再增大,以防止電機(jī)因電流過大而損壞;為增強(qiáng)EPS系統(tǒng)的路感,電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)該隨著車速的增高而降低;而且能夠在正反兩個方向提供助力轉(zhuǎn)矩。 圖3.3EPS系統(tǒng)的助力特性曲線 圖3.3為EPS系統(tǒng)的助力特性曲線,圖中Th為駕駛員在轉(zhuǎn)向盤上施加的扭矩,T為助力電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。助力特性大體分為三大類:直線型、折線型和曲線

55、型。但無論何種助力特性,都有三個區(qū)間,即:無助力區(qū),助力區(qū)和助力飽和區(qū),以滿足EPS系統(tǒng)提供助力,兼顧路感的要求。 3.1.4EPS系統(tǒng)的控制模式 根據(jù)汽車行駛狀態(tài)的不同,為提高EPS系統(tǒng)的操控性能,EPS系統(tǒng)也應(yīng)該分別對應(yīng)不同的控制模式。具體來說可分為三種,即助力控制、回正控制和阻尼控制。 助力控制又稱為常規(guī)控制,是在汽車轉(zhuǎn)向角增大的過程中為減輕施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力,通過減速機(jī)構(gòu)把助力電機(jī)提供的力矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的一種基本控制模式。此時,助力電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩方向與駕駛員施加在方向盤上的扭矩方向一致,起到助力作用。 回正控制是改善轉(zhuǎn)向回正性能的一種控制

56、模式,汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。而且隨著車速的提高,回正性能提高。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動方向便可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容主要有,在汽車低速行駛進(jìn)入轉(zhuǎn)向回正過程時,EPS系統(tǒng)實行斷路控制,保持機(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性,而在高速行駛轉(zhuǎn)向時,為防止回正超調(diào),采用阻尼控制。 阻尼控制是汽車運行時,提高高速直線行駛穩(wěn)定性的一種控制模式。當(dāng)快速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤時,轉(zhuǎn)向盤的瞬時角速度很大,電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也很大,轉(zhuǎn)向盤不再旋轉(zhuǎn)后,由于慣性作用電機(jī)還沒有停止轉(zhuǎn)動,帶動轉(zhuǎn)向盤造成汽車轉(zhuǎn)向過度,這是極其危險的。尤其在車速較高時,需要阻尼控制使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)以改善轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。阻

57、尼控制的作用便是提高轉(zhuǎn)向的收斂性,即當(dāng)轉(zhuǎn)向盤停止動作時,電機(jī)也要求相應(yīng)的停止轉(zhuǎn)動。阻尼控制的原理是當(dāng)電動機(jī)繞組發(fā)生短路時,電動機(jī)將會產(chǎn)生一個大小與其轉(zhuǎn)速成正比的反向轉(zhuǎn)矩,電控單元即利用這一特性對電動機(jī)進(jìn)行阻尼控制。 3.2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 3.2.1無刷直流電機(jī)控制器的總體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括四個部分,即主控電路、驅(qū)動電路、逆變電路和無刷電機(jī)本體?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。 圖3.4無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制電路是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理并發(fā)出控制指令,控制功率驅(qū)動電路中

58、相應(yīng)的功率管的開通、關(guān)斷或進(jìn)行PWM。完成以下功能: 1、捕捉電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的脈沖信號,判斷轉(zhuǎn)子位置,輸出恰當(dāng)?shù)尿?qū)動邏輯電平給驅(qū)動電路。 2、捕捉代表車速和扭矩的電壓信號,并由此確定電機(jī)的目標(biāo)電流和目標(biāo)電壓,調(diào)節(jié)PWM至恰當(dāng)?shù)恼伎毡取? 驅(qū)動電路接受控制電路的控制信號,驅(qū)動功率電路中相應(yīng)的功率管導(dǎo)通或截止,同時也是控制電路和功率電路之間的隔離環(huán)節(jié)。功率電路采用六個MOSFET組成三相全橋結(jié)構(gòu),實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的電子換向。 無刷直流電機(jī)定子槽內(nèi)安裝霍爾位置傳感器,三個霍爾元件互差60。電角 度,輸出三路脈寬為180。電角度的位置脈沖信號,可作

59、為電機(jī)的換向信號并用于速度檢測。 3.2.2驅(qū)動方式的選擇 目前的永磁無刷直流電機(jī)大多采用方波驅(qū)動,功率管采用三相六狀態(tài)的工作方式。逆變橋在每一個瞬間只有兩個功率管導(dǎo)通,每隔1/6周期(60。電角度)換向一次,且每次只換向一個功率管,每一功率管導(dǎo)通120`電角度。相繞組的供電電壓為方波。電樞磁場在空間以60電角度為周期跳躍式旋轉(zhuǎn),與轉(zhuǎn)子永磁磁場之間的夾角在60一120電角度之間連續(xù)變化,造成輸出轉(zhuǎn)矩的波動。但是,方波永磁無刷直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、起動轉(zhuǎn)矩大、加速快、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩呈線性及效率高等優(yōu)異特性。而且,方波驅(qū)動的控制算法簡單,可靠性高,因此很適合做EPS用無刷直流電機(jī)的控制方式

60、。 3.3主控電路 主控電路是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元。電機(jī)的換向控制、輸出轉(zhuǎn)矩控制及各種保護(hù)功能的實現(xiàn)都由主控電路來完成。因此,主控電路的設(shè)計直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和可靠性。 3.3.1芯片的選擇 無刷直流電機(jī)的控制方式主要有模擬方式和數(shù)字方式。模擬控制一般使用專用集成電路(如MC33035)為核心,配以少量的外圍電路。這種全硬件的控制方式設(shè)計簡單,無需軟件編程,開發(fā)周期短,價格便宜,并能實現(xiàn)一定的控制精度。此外,全硬件的控制方式還有響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)性能穩(wěn)定,能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。但是,模擬方式能夠?qū)崿F(xiàn)的功能固定,無法利用軟件進(jìn)行功能的擴(kuò)

61、展,限制了其在性能要求較高的場合的應(yīng)用。而相比來說, 數(shù)字控制系統(tǒng)就克服了這些缺點。 無刷直流電機(jī)的數(shù)字控制方式是指以微處理器為核心,由微處理器來實現(xiàn)電子換向及轉(zhuǎn)矩控制的一種控制方法,具有接口能力強(qiáng),使用靈活方便的優(yōu)點。而且,隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,其價格的優(yōu)勢也會逐步顯現(xiàn)?？捎糜跓o刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器主要有單片機(jī)和數(shù)字信號處理器(DSP)。單片機(jī)接口能力強(qiáng),使用靈活方便、價格低廉,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種微處理器。但是單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力較差,在軟件控制算法復(fù)雜的情況下,會嚴(yán)重影響控制的實時性。因此,在很多對系統(tǒng)性能要求較高的場合,DSP便取代單片機(jī)獲得了廣泛

62、的應(yīng)用。然而,DSP也有抗干擾能力差的缺點,為提高系統(tǒng)可靠性,會大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外,DSP的價格昂貴,也限制了其在低成本領(lǐng)域的應(yīng)用。 由于EPS系統(tǒng)對控制的實時性要求較高,其對控制芯片的數(shù)據(jù)處理能力便提出了較高的要求,在這方面DSP無疑是一個好的選擇。然而,作為一種產(chǎn)品,成本、系統(tǒng)的簡易性和穩(wěn)定性也是決定其能否占領(lǐng)市場的一個重要方面,而這幾點卻是DSP的缺點所在。因此,選擇一種兼有單片機(jī)和DSP兩者優(yōu)點,又不會放大兩者缺點的產(chǎn)品便十分具有現(xiàn)實意義。通過綜合比較,本文最終選擇了Microchip公司出產(chǎn)的dsPIC33FJ12MC202芯片。 3.3.2芯片簡介 數(shù)

63、據(jù)尋址概述 數(shù)據(jù)空間可以作為32K字或64 KB尋址，并被分成兩塊，稱為X和Y數(shù)據(jù)存儲區(qū)。每個存儲塊有各自獨立的地址發(fā)生單元 （Address Generation Unit，AGU）。MCU類指令只通過X存儲空間AGU進(jìn)行操作，可將整個存儲器映射作為一個線性數(shù)據(jù)空間訪問。某些DSP指令通過X和Y的AGU進(jìn)行操作以支持雙操作數(shù)讀操作，這樣會將數(shù)據(jù)地址空間分成兩個部分。X和Y數(shù)據(jù)空間的邊界視具體器件而定。X和Y地址空間都支持無開銷循環(huán)緩沖區(qū) （模尋址模式）。模尋址省去了DSP算法的軟件邊界檢查開銷。此外，X AGU的循環(huán)尋址可以用于任何MCU類指令。XAGU還支持位反轉(zhuǎn)尋址，大幅簡化了基2 F

64、FT算法對輸入或輸出數(shù)據(jù)的重新排序?？梢赃x擇將數(shù)據(jù)存儲空間的高32 KB映射到由8位程序空間可視性頁（Program Space Visibility Page，PSVPAG）寄存器定義的任何16K程序字邊界內(nèi)的程序空間內(nèi)。程序空間到數(shù)據(jù)空間的映射功能讓任何指令都能象訪問數(shù)據(jù)空間一樣訪問程序空間。 DSP引擎概述 DSP引擎具有一個高速17位x 17位乘法器、一個40位ALU、兩個40位飽和累加器和一個40位雙向桶形移位寄存器。該桶形移位寄存器能在單個周期內(nèi)將一個40位的值右移或左移最多16位。DSP指令可以無縫地與所有其他指令一起操作，且設(shè)計為能獲得最佳實時性能。MAC指令和其他相關(guān)指令

65、可以在同一個周期內(nèi)，同時完成從存儲器中取兩個數(shù)據(jù)操作數(shù)，將兩個W寄存器相乘并累加，且可選擇使結(jié)果飽和。這要求RAM數(shù)據(jù)空間對于這些指令拆分為兩塊，但對于所有其他指令保持線性。數(shù)據(jù)空間分塊是通過將某些工作寄存器用于每個地址空間，以透明和靈活的方式實現(xiàn)的。 3.3.3主控電路工作原理 圖3.5無刷直流電機(jī)主控電路原理圖 主控電路原理圖如圖3.5所示。DSC的RBI和RBZ端口為刀D采樣端口, 分別采樣代表當(dāng)前車速和轉(zhuǎn)向盤扭矩的電壓信號,RB3一RBS作為霍爾信號輸入端口。正常工作模式下,RBI采用查詢方式工作,RBZ一RBS采用中斷方式工作

66、。 REO一RES為PWM信號輸出端口。 當(dāng)單片機(jī)上電后執(zhí)行開機(jī)自檢,自檢通過后進(jìn)入工作狀態(tài)。DSC掃描霍爾位置傳感器輸入端口,根據(jù)霍爾信號輸出相應(yīng)的邏輯控制信號,送往PWM端口輸出,控制電機(jī)開始運轉(zhuǎn)。在運行過程中,當(dāng)RBZ一RBS中的任意一個端口發(fā)生信號跳變時,都會觸發(fā)相應(yīng)的中斷處理程序。DSC根據(jù)三路霍爾信號進(jìn)行譯碼,得到控制三相逆變器開關(guān)信號的六路原始信號。同時根據(jù)RBI和RBZ兩路A/D采樣得到的電壓值,確定PWM端口的占空比。通過修改占空比寄存器的值,輸出適當(dāng)?shù)腜WM控制信號。 3.3.4電壓轉(zhuǎn)換電路 我們所設(shè)計的控制系統(tǒng)中,主控電路的供電電壓為SV,由SV直流電源單獨供電。驅(qū)動電路為12V,電機(jī)端電壓為12V,光禍器件工作電壓SV,而直流電源只有12V一個等級。系統(tǒng)中,除了電機(jī)可以直接由電源供電外,其他單片機(jī)外圍器件都需要進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。 為了獲得十SV直流電壓,同時提高驅(qū)動電路供電電壓的質(zhì)量,我們使用了兩個三端穩(wěn)壓控制芯片7805和7815。其應(yīng)用如圖3.6所示。 圖3.6系統(tǒng)電源電路設(shè)計 3.4功率及驅(qū)