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两华大学硕士学位论文 基于直流无刷电机的汽车e p s 控制系统研究 动力机械及工程专业 研究生陈国迎指导教师陈狲 具有高新技术特征的电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，缩写 e p s ) ，已成为轿车动力转向技术发展的主流。本文在分析了国内外电动助力 转向系统发展的基础上，研究了系统的主要结构及工作原理，对系统进行了仿 真分析。并以f 2 8 1 2 为控制核心，完成了电动助力转向控制系统的软硬件设 计。在完成上述设计基础上，本文对部分设计进行了试验验证。 文章首先对电动助力转向系统的工作原理和基本结构进行了分析，特别 是对其中的关键执行部件无刷电机的工作过程做了深入探讨。同时，在e p s 简化模型的基础上建立了系统的数学模型，并对该模型做了稳定性分析 然后本文详细分析了电动助力转向系统的控制策略，分析的重点是助力 策略和补偿策略。在对助力策略分析研究过程中，本文利用搭建的自定义神经 网络模型对助力特性做了预测分析。 根据电动助力转向系统的功能，本文针对无刷直流电机对控制系统硬件 部分进行了设计。控制电路以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，充分利用其事 件管理器e v 模块，a d 模块等外设来实现e p s 控制系统功能。硬件设计部分 主要包括了信号采集电路和驱动电路。 最后，本文在完成硬件单元设计的基础上，开发了相关的系统软件。这 其中包括了主程序模块，系统初始化模块，无刷电机霍尔传感器信号采集模块， 电机换相程序模块，车速信号采集模块，扭矩信号和霍尔电流信号采集模块以 及p i d 控制模块。 本文对部分关键功能单元进行了测试试验，试验结果表明设计中还存在 不足，但能满足基本功能要求，为后期研究打下了基础。 关键词：电动助力转向无刷电机自定义神经网络d s p 两华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to f c o n t r o ls y s t e mo ft h ev e h i c l ee ps b a s e do nb r u s h l e s sd cm o t o r p o w e rm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e ng u o y i n g s u p e r v i s o r ：c h e nc h o n g e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mw i t hl l i 曲- t e c hc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e n t h em a i n s t r e a mo ft h ep o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t b a s e do nt h es t u d y o ft h ed e v e l o p m e n to fe p s ，t h et h e s i sa n a l y z e st h es y s t e m ss t r u c t u r ea n do p e r a t i o n p r i n c i p l e s ，m a k e st h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n dd e v e l o p st h eh a r d w a r ea n dc o n t r o l p r o g r a mo f e p su s i n gf 2 812a sc o n t r o lc o r e t h e ns o m ed e s i g n sa r et e s t e di nt h e t h e s i sf o re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n a tf i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n dt h es y s t e ms t r u c t u r e o fe p s ，e s p e c i a l l ya b o u tt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h ek e yp a r tb l d c a c c o r d i n g t ot h ee p ss i m p l i f i e dm o d e l ，t h es y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l ta n dd e v e l o p e d t h es t a b i l i t ya n a l y s i s t h e ni nt h et h e s i st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe p si sa n a l y z e d ，e s p e c i a l l ya b o u tt h e a s s i s t e ds t r a t e g ya n dt h ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y d u r i n gt h es t u d y i n go ft h ea s s i s t e d s t r a t e g y , as e l f - d e f i n i t i o nn e u r a ln e t w o r km o d e li sd e v e l o p e df o ra n a l y s i s f o rm e e t i n gt h ee p s 、f u n c t i o n , i nt h el i g h to fb l d ct h eh a r d w a r eo ft h e c o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d t h e c o n t r o lc i r c u i t u s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 12a si t s p r o c e s s o rm a k e s u s eo ft h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t ss u c ha se vm o d e la n da dm o d e l t or e a l i z et h ef u n c t i o no fe p s c o n t r o ls y s t e m i nt h et h e s i s ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t sa n dt h ed r i v e rc i r c u i t sa r ed e s i g n e d a tl a s ta f t e rt h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n h a sb e e nc a r r i e do n ，t h e c o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ea r ep r o g r a m m e d t h e yi n c l u d ea b o u tm a i n p r o g r a m ， i n i t i a l i z a t i o np r o g r a m , h a l ls i g n a l sa c q u i s i t i o np r o g r a m ，p h a s ec h a n g i n gp r o g r a m ， s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a m ，t o r q u ea n dc u r r e n ts i g n a l sp r o c e s s i n gp r o g r a m ， i i ! 西华大学硕十学位论文 p i da l g o r i t h mp r o g r a m i nt h et h e s i s ，s o m ek e yf u n c t i o np a r t sa r et e s t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g ne n j o y ss o m ed e f a u l tb u tc a l lm e e tt h ef u n c t i o nd e m a n d t h i ss e tag o o d f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：e p s ，b l d c ，s e l f - d e f i n i t i o nn e u r a ln e t w o r k ，d s p 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 学位论文作者签 导师签 第7 2 页 厂月7 口日 月罗p 日 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密西适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名听阜j 矶眨 指导教师签名： 日期：d 7 一；刁 嗍叫 第7 3 页 硝华犬学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 汽车转向系统是汽车底盘的四太系统之，其作用是保证汽车在行驶过 程中根据驾驶员的操纵要求，适时地改变行驶方向，并能够在受到路面干扰偏 离行驶方向时，与行驶系配合来共同保证汽车稳定地直线行驶。转向系统的性 能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。为了减轻转向时驾驶员作用在转向 盘上的手力和提高行驶的安全性，早在2 0 世纪5 0 年代，美国d e l p h i 公司率 先开发出液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，缩写h p s ) “。液压 动力转向系统因油液工作压力高，动力缸尺寸小、质量小，结构紧凑，油液具 有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可吸收路面对前轮产生的冲击等 优点，在轿车和轻型载货汽车上获得广泛应用。但是，液压动力转向系统的结 构特征和工作原理决定了其固有的缺点。随着计算机技术和电子技术的飞速发 展，j 使压动力转向技术不断革新，产生了电控液压动力转向系统r e l e c w i c h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，缩写e h p s ) ，电控液压动力转向系统的出现极大地 改善了液压动力转向系统的性能，转向助力矩髓车速的提高而减小，满足了汽 车高速行驶时操纵稳定性的要求。然而，电控液压动力转向系统仍然无法完全 克服液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、 磨损与噪声等方面的一些固有缺点”1 。 f i g l1h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n gs y s t e m 囱i1 液压动力转向系统 第l 硪 f i g l2 e k c m c h y d r a u l i cs t e e f i n gs y s t e m 图12 电动液压动力转向系统 硝华大学硕士学位论文 f 培l3 e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n gs y s l e m 圈1 3 电动勘力转向系统 继电子控制式液压动力转向系统后产生的具有高新技术特征的电动助力 转向系统( e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g ，缩写e p s ) ，它完全取消了液压装置，用电 能取代液压能。不仅克服了液压动力转向系统的固有缺点，同时还极大地提高 了动力转向系统的性能，并且特别适用于环保电动汽车。电动助力转向技术己 经成为轿车动力转向技术发展的主流，电动助力转向系统将作为标准部件装备 到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。掘专家预测，电动助力转向系 统将首先占领轿车市场，并向微型、轻型和中型客、货车市场拓展。预计到 2 0 1 0 年，约3 0 的轿车将安装电动助力转向系统”! 。 目前，电动助力转向系统根据助力电机的安装方式不同，通常可以分为三 种形式，如图14 所示。转向柱助力式( c o l u m n - a s s i s tt y p e ) ，小齿轮助力式 ( p i n i o n a s s i s t t y p e ) 和齿条助力式( r a c k a s s i s t t y p e ) 。 h 啡t f 0 嚏b 一， f i g l4 t h es t y l eo f e l e c 研c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m 图l4 电动助力转向冉勺布置类型 第2 页 西华大! 学硕十学位论文 转向柱助力式e p s 系统的电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装 在转向柱的任意合适位置，一般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向。工作环 境好，电机的输出力矩比较小，是一种目i j 常见的助力形式。由于各部件相对 独立，因此维修方便。设计时也有很大的灵活性。但是电机输出力矩的波动容 易传递到方向盘上，如果电机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须 考虑对电机噪声的抑制。 小齿轮助力式也是目前较为常见的助力形式，这种方式下电动机、减速 器与转向小齿轮相连。它具有转向柱助力式e p s 的全部优点，并且还可以在 现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。 齿条助力式的助力电机电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将 电枢的转动变为平动从而实现助力。这种助力形式的优点是紧凑，不受安装位 置的限制，可以提供较大的助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。 其缺点是结构复杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电机的输出力 矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转动齿条部件，因此维 修不方便p 3 。 1 2 国外电动助力转向系统( e p s ) 的发展现状 目前各大汽车公司已纷纷推出了自己的电动助力转向系统。电动助力转 向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车 上装备，随后还用在其a l t o 车上h 1 。在此之后，电动助力转向系统得到迅猛 发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、n s k 和k o y o 公 司、美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司、德国的z f 公司、英国的 l u c a s 公司都相继研制出各自的e p s o3 。比如大发汽车公司在其m h 车上装 备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了e p s ，本田汽车公司的 a c c o r d 车目前已经选装e p s ，其$ 2 0 0 0 轿车的助力转向系统也倾向于选择 e p s 。t r w 公司从1 9 9 8 年开始便投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的 开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 开 发也己获成功。19 9 9 年3 月他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r d 、f i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等。m e r c e d e sb e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资 第3 页 两华大学硕七学位论文 6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，年产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。他们计划 开发出适用于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标1 6 1 。 从国外公开报道的文献来看，国外对电动助力转向控制系统的研究最早 采用开环控制算法，之后采用闭环控制的p i d 控制算法，所开发的电动助力 转向控制系统能够实现基本的转向助力功能，但助力性能较差，助力转矩小， 抗干扰性能差、助力范围窄，仅限于车辆低速行驶时转向助力，当助力较大时 易产生转向振动。 在1 9 9 0 年，电枢电压控制方法在本田n s k 车上得到首次应用。该方法 利用电机电压开环控制算法，将转矩传感器检测的转向盘转矩信号、转速传感 器检测的转向盘转速信号以及车速传感器检测的车速信号经过处理后分别输 入到电子控制单元，通过查转矩表和转速表得到助力电机参考电压，经过计算 得出相应的p w m 占空比，通过控制助力电机电枢平均电压，控制助力转矩， 实现电动助力转向系统的助力控制。该控制方法属于开环控制，其特点是控制 系统简单，但是控制精度不高，控制系统的跟踪性能较差，故1 9 9 7 年日本本 田的a c c o r d 6 型轿车上采用了电流反馈闭环控制。 串 励饼：尽 f i g1 5t h ec o n 仃o lm e t h o do fa r m a t u r ec u r r e n t 图1 5 电机电枢电流控制方法 典型的助力电机电枢电流控制方法如图1 5 所示。助力电机电枢电流控制 方法利用电流反馈闭环p i d 控制算法进行助力控制。将转向盘转矩传感器信 号和车速传感器信号送入电子控制单元，根据预制的“转矩一电机助力目标 电流表 确定助力电机的目标电流，将此目标电流作为控制助力电机的参考电 流，电子控制单元采集电流传感器反馈的助力电机工作电流并与助力电机参考 电流进行比较，助力电机工作电流和参考电流的偏差经p i d 调节器调节后输 第4 页 两华大学硕十学位论文 出p w m 控制信号，通过控制助力电机电枢平均电压，实现电动助力转向系统 的助力控制。这种助力电机电枢电流控制方法省略了转向盘转速传感器，其突 出的优点是能实时控制以减小助力电机工作电流与助力电机参考电流之间的 偏差，控制精度较高，是电动助力转向系统研究与开发中采用较多的一种控制 方法。 近年来，国外许多学者在探讨将先进的控制理论应用于电动助力转向系 统的研究，如将h o o 控制理论、模糊控制理论、模糊p i d 控制理论、神经网络 控制理论等应用于转向控制策略的研究，在实现电动助力转向系统基本助力功 能的基础上，研究如何获得良好的路感，抑制路面干扰和传感器测量噪声，提 高系统的鲁棒性能、跟踪性能，实现转向的回正控制等乜1 。 1 3 国内电动助力转向系统( e p s ) 的发展现状 国内部分高校和企业也已经开始了对电动助力转向系统的研究，现主要 有清华大学、吉林大学、合肥工业大学、江苏大学、天津大学、华中科技大学 和浙江大学等几所高校对e p s 进行了研究，另外国内几家主要的汽车制造商 和零部件生产厂商也都对电动助力转向系统进行了台架试验和小批量生产。如 株洲航空设备公司已开发出电动助力转向系统，并进行了小批量道路试验。 清华大学自1 9 9 2 年开始研究e p s ，目前己完成了台架性能试验，正准备 台架寿命试验和整车试验。清华大学的陈奎元”教授对e p s 的助力控制、回 正控制和阻尼控制技术分别进行了研究。清华大学的季学武h 刀h 3 1 教授对e p s 的直流伺服技术进行了研究，针对e p s 原有的单一控制方式的不足，采用带 有助力和阻尼两种模式的综合控制方式，提出一种针对占空比和控制模式的修 正方法。同时，季学武教授还申请了“一种车用光电式扭矩传感器”的专利， 因为扭矩传感器一直是电动助力转向的核心部件。清华大学通过与南京汽车集 团有限公司进行e p s 项目的合作，并获得国家、清华大学和江苏省等各类基 金的资助。 吉林大学的宗长富引教授通过对方向盘回正力矩的建模，模拟生成了为 驾驶员提供路感的方向盘回正力矩，利用所提出的前轮转向控制算法，对模摆 角速度和侧向加速度进行反馈控制，提高了汽车的稳定性。目前吉林大学完成 第5 页 两华大学硕十学位论文 了汽车电动助力转向系统( e p s ) 的研究，装配在捷达车上进行测试并通过吉林 省科技厅鉴定。 合肥工业大学的王启瑞和郁明等对e p s 的单片机控制进行了研究 。蒋 浩丰，黄森仁等建立了基于笛卡儿坐标的e p s 多刚体动力学模型、轮胎模型及 整车二自由度转向模型，采用基于p i d 的模糊神经网络控制方法进行控制。 陈无畏和王启瑞先后提出了性能较好的模糊自调整p d 控制和具有鲁棒性较强 的基于h o o 控制的不同方式对e p s 进行控制。现在，合肥工业大学己完成了安 徽省科技厅下达的十五科技攻关项目汽车电动助力转向系统的研制与开发。 江苏大学的徐建平提出了e p s 的阻尼控制方法和回正控制算法，对特定 频段应用主动阻尼控制方法来增加系统阻尼，并基于转向盘转角估计方向盘的 回正力矩，省去了转角和转速传感器，降低了控制系统的成本。何仁对e p s 稳定性进行了分析，提出在满足助力的前提下，应尽量取小的助力增益值使系 统更稳定。另外江苏大学的罗石等提出并设计了电动助力转向系统驱动电路方 案，即h 桥式驱动电路中上、下管均采用n 沟道m o s 管，上管常通或常闭， 下管由p w m 逻辑电平控制的驱动方案 1 。 天津大学的许镇琳等人基于综合目标函数的误差反向传播学习算法，设 计了用于该离散化转向助力特性的b p 神经网络结构，进行了离线训练，并在电 动转向综合试验台上实现了在线控制。实现了全车速范围的非线性转向助力， 克服了转向助力盲区副。王豪等人设计的e p s 系统动态补偿控制器进行补偿 控制后，使得转矩信号的抗扰动能力提高了6 7 ，系统的暂态性能和稳态性 能满足了实际使用要求，同时也明显减小了系统的振荡。 华中科技大学的唐新蓬定性地说明了e p s 系统的控制方式和结构参数对 汽车转向盘阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响鲥。另外还讨论了 e p s 系统对汽车转向盘力特性的影响，提出了并验证了将e p s 系统比例控制 系数设计随车速和侧向加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法。刘照和 杨家军等对e p s 系统进行动态分析研究并分别提出了基于混合灵敏度和基于 h o o 鲁棒控制方法。 浙江大学中标了浙江万达汽车方向机有限公司联合招投标的重大科技攻 关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研究”项目“引。 第6 页 西华大学硕十学1 1 ：7 ：论文 此外，东南大学、江苏理工大学、北方交通大学、西北工业大学、西华 大学也对e p s 的转向特性和转向盘力等进行了理论方面的研究，这些研究都 对下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础。然而，由于国内各大企业 与研究机构对该项技术的控制理论与控制原理并未完全掌握，仍处于探讨实践 阶段，e p s 的批量国产化工作仍需一个模索的过程阻引。 1 4 论文研究的意义及主要内容 在目前国内己装车的e p s 中助力电机多采用永磁直流电机，控制方式较 为简单，但由于直流电机机械换向器的存在，导致直流电机存在最高转速受限、 需定期维护、电机体积大效率低等缺点。另外机械换相存在的摩擦、噪声、电 火花也都都对其进一步在e p s 中应用带来了障碍。永磁无刷直流电机用电子 换向器取代了普通直流电机中的电刷结构，消除了因该结构带来的一系列缺 点，是e p s 助力电机的理想选择。 本文针对以永磁无刷电机为助力电机的e p s 控制系统进行了研究。课题 来源于四川省车辆工程重点学科建设项目( s z d 0 4 1 0 ) 和四川省教育厅重点项 目，通过对e p s 系统进行系统深入的研究，为e p s 系统的产品开发提供了理 论依据。本文的研究内容主要包括： 1 ) 在文中首先分析e p s 结构及无刷电机的工作原理。搭建e p s 模型， 根据助力比对其进行稳定性分析。 2 ) 对e p s 的控制策略进行分析，并利用自定义神经网络模型对助力特性 曲线进行研究。 3 ) 根据实验室已有的基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片的e p s 控制器，设计 控制系统硬件。这部分包括信号采集电路和驱动电路。 4 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，编写控制系统软件部分。 5 ) 对几个关键的功能单元分别进行试验验证。 第7 页 西华人学硕士学位论文 2e p s 系统结构及数学模型 2 1e p s 系统的基本构造 电动助力转向系统( e p s ) 是在机械转向系统的基础上加装一套电机伺服 控制系统构成的动力转向系统，如图2 - 1 所示。电动助力转向系统由机械转向 f i 9 2 i t h e s t r u c t u r a ld i a g r a mo f e p s 图21 电动助力转向系统结构示意图 装置，助力电机，减速机构， 转矩传感器，车速传感器及控 制器等关键部件组成。其工作 原理是：助力转向系统的电子 控制单元根据转矩传感器和 车速传感器的信号确定助力 电机的目标电流和目标转矩， 并将目标电流值作为控制助 力电机的参考电流，通过对电 子控制单元功率转换电路的 控制，实现对助力电机工作电 流的控制，从而实现对电动助 力转向系统助力转矩的控制。控制的目标是要求电动助力转向系统具有较好的 助力性能和操作稳定性能。以下对电动助力转向系统各组成部分加以说明，电 子控制单元将在硬件设计部分详细介绍。 21 1 机械式转向嚣” 根据结构特点不同，机械式转向器可分为齿轮齿条式转向器、循环球式 转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器。齿轮齿条式转向器以其结构 简单、紧凑、传递效率高等优点，而广泛应用在微型、普及型中级、和中高级 轿车上，装载量不太、前轮采用独立悬架的货车和客车有些也用齿轮齿条转向 器。由于齿轮齿条式转向器在轿车上的广泛应用，因此，电动助力转向系统的 机械式转向器多选用齿轮齿条式转向器，齿轮齿条式转向器存在逆效率高的缺 点，发生在转向轮和路面之问的冲击力，大部分传至转向盘，引起反冲现象， 第8 页 两华大学硕十学位论文 使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，但在电动助力转向系统中， 通过控制算法的设计，可以克服齿轮齿条式转向器逆效率过高的缺陷，削弱路 面的冲击力。 2 1 2 助力电机 电动助力转向迅速替代液压动力转向非常重要的技术之一就是电动机技 术。2 0 世纪8 0 年代高能量永磁材料的引入，使得电动机设计师有机会设计出 体积小、重量轻、性能高的电动机，这种电动机使得电动助力转向实现商业化 成为可能”们。e p s 对助力电机有很高的要求，包括功率、尺寸、性能等。轿车 上使用的电源通常是1 2 v 蓄电池。依据不同的车型和制造商，蓄电池的最大 电流一般是7 5 8 0 a 。这决定了其最大输出功率为1 2 7 5 - - 9 0 0 w 。根据这一功 率局限，e p s 不得不提高各元件的效率，以获得所需的输出功率能依据转向阻 力在2 5 0 w 一5 0 0 w 之间变化，而转向阻力主要取决于转向轴的负荷。助力电 机除了满足功率要求，还必须满足转向系统其它的特定要求，如： 1 ) 平滑性，即驾驶员不应当在转向盘上感觉任何由于电动机输出力矩的 波动所引起的冲击。 2 ) 电动机的转动惯量应当足够小。 3 ) 避免转向失控。在意外失去助力时，应能保证驾驶员能手动转向。 目前，日本普遍采用直流有刷永磁电机，有刷电机由于存在机械换向装 置，可靠性差，但其控制算法简单；欧美普遍采用直流无刷电机，由电子换向 装置取代机械电刷的直流无刷电机可靠性高，但其控制算法复杂，输出转矩容 易产生脉动。 e p s 在选配永磁无刷电机作为助力电机时，为减少扭矩脉动，一般会对 电机做一定改动，对转子外圆表面开出斜槽。本文选配普通三相四极的直流无 刷电机来对e p s 控制系统进行研究。 2 1 3 传感器 1 ) 转矩传感器 在操作转向盘时，转矩传感器根据输入转矩的大小产生相应的电压信号， 第9 页 西华大学硕士学位论文 由此e p s 的控制系统可以检测出操作力的大小。目前一般应用以下三种传感 器：应力测量传感器、扭矩或角度测量传感器以及涡流式传感器【1 3 】。这些传感 器在测量转向扭矩时都可以测量很小的角度，精度也高。然而，由于后一种角 度测量传感器价格昂贵或对加工和安装要求太高，而第一种应力测量传感器的 测量精度高，成本低，又完全能满足测量e p s 系统转矩信号的要求，所以本 论文选取应力测量传感器a m 2 0 1 2 作为e p s 系统的转矩传感器。 2 ) 转角传感器 转角传感器将检测到的方向盘转角信号传输到电子控制单元中。本文采 用的是l w s 4 型磁阻式角度传感器。 3 ) 车速传感器 车速传感器用于检测车轮转速的大小，并把其转变为电信号送入电子控 制单元。通常采用的车速传感器有两种：无源感应式车速传感器和有源车速传 感器f 1 3 】。 由于有源转速传感器所具有众多优点和进一步开发的潜力，选取有源转 速传感器作为车速传感器。 4 ) 电流传感器 在对助力电机进行闭环控制时需要采集电机电流。我们选用双向专用 电流传感器将采集的电流经过电流电压转换和处理之后，送入电子控制单元 中。 旧传感器h 信p 日 电子脉 q 车速传感器 控制 冲 萱 整 旧传感器h 信一p 日 兀形 2 气转角传感器 f i 9 2 2t h es i g n a lp r o c e s s i n go f t h es c i i o i s 图2 2 各传感器信号处理过程 2 1 4 减速机构 减速机构起减速增扭作用。通常为蜗轮蜗杆式、双排行星齿轮式或球螺 第1 0 页 西华大学硕士学位论文 旋机构式。用于电动助力转向系统的减速机构要求结构紧凑，不能反向自锁。 2 2 无刷直流电机工作原理 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r , 缩写b l d c ) 采用方波自控式永磁 同步电动机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料， 其性能超越传统的直流电动机的所有优点，同时，又解决了直流电动机碳刷滑 环的缺点，具有高效率、高精度的特点，且体积小、质量轻、可作成各种体积 形状，是当今效率最高的调速电机。与传统直流有刷电动机或交流变频调速电 动机相比，无刷电动机具有更好的性能，概况为“： 1 ) 良好的调速转矩特性； 2 ) 良好的动态响应特性； 3 ) 效率高； 4 ) 可实现无噪声运行； 5 ) 较高的调速范围。 无刷电机是典型的同步电机，因此，定子产生的磁场和转子产生的磁场 是以相同频率旋转的，不存在感应电机那样的“滑差”。常用的无刷直流电动 机有单相、两相和三相。实际系统中，以三相无刷直流电机的应用最为广泛。 本文中采用的无刷电机为三相电机。 同一般的有刷直流电机不同，无刷直流电机的换向采用电子换向器完成。 为使b l d c 旋转，定子绕组必须采用特定的次序供电。具体给哪一项定子绕 组供电，必须根据转子的位置来判断，b l d c 采用3 个嵌入到固定位置的霍尔 传感器检测转子的位置。只要转子磁极经过霍尔传感器，霍尔元件就会产生相 应的信号( 高电平或低电平) ，则根据3 个霍尔传感器的输出就可以确定相应 的换相次序。 无刷直流电机的感应电动势和相电流波形具有特点n 卯： ( 1 ) 感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽度为1 2 0 。电角度； ( 2 ) 电流为三相对称1 2 0 。方波； ( 3 ) 梯形波感应电动势与方波电流在相位上严格同步，即1 2 0 。方波电流 要落在梯形波感应电动势1 2 0 。的平顶区间内。 第l 】页 两华大学硕+ 学位论文 由于无刷直流电机定子三相绕组总只有两相导通，于是其电磁功率为 电磁转矩为 只= e a i a + + e c f c = 2 e d s ( 2 1 ) 丁：墨：2 e s l s( 2 2 ) 。 gg 由上两式可以看出b l d c 的电磁功率和转矩都是恒定的，则转速不会产 生波动。方程中b 的大小取决于励磁磁场磁通密度b ，和转速g ，于是有 互= k 8 b ， ( 2 3 ) 式中k 。是与电动机结构有关的常数。 从式2 3 可以看出，其转矩公式的形式上与他励直流电动机的电磁转矩公 式相似。电磁转矩与电机结构有关，正比于电枢电流。因此可以通过控制定子 电枢电流。的大小控制转矩，所以b l d c 的转矩具有良好的可控性“副。 夕迫 ( a ) 第一步 a i p u ( c ) 第三步 a i c ( e ) 第五步 少弋 o ) 第二步 af i 夕迫 ( d ) 第四步 a i 夕迫 ( f ) 第六步 f i 9 2 3c h a n g i n gp h a s er a n k 图2 3 绕组加电次序 本文中的无刷直流电机采用y 联接，无中线接出。每次电机换相都会通 第1 2 页 西华火学硕+ 学位论文 过一相绕组提供电源输入，另一相绕组提供电源输出，第三相绕组处于不供电 状态。由于定子绕组流过的电流通过铁芯产生的磁场和转子永磁体之间的相互 作用，从而产生旋转的力矩。为了使电动机连续运转，定子绕组就必须产生旋 转的磁场，在定子旋转磁场的带动下转子旋转，旋转的定子磁场实际上是通过 “六步换相”实现的。图2 3 为与霍尔传感器输出信号相应的绕组加电次序。 e b l b e c k 换相次序 l2 ：3 ：4 ：56 ：1 ：2 345 ：6 ： f i 9 2 4t h ep h a s eo r d e rr e l a t i o n s h i pa m o n g h a l ls i g n a l s ，b a c k e m f a n dp h a s ec u r r e n t 图2 4 霍尔信号与反电动势和相电流间相序关系 每当转子旋转6 0 。电角度后，霍尔传感器改变一次状态，相电流进行一次 换相，经过3 6 0 。电角度后，改变6 次状态完成一个电周期换相。电角度周期不 完全与机械旋转周期一致，其关系由电动机的转子磁极对数确定。具体关系如 下： 第1 3 页 m l 霍尔传感器信号 感应电动势和相电流 两华大学硕士学位论文 转子磁极对数= 丢嘉燃 1 1 州用j 哥，口j 删：出y 以本文中选用电机为两对磁极的无刷直流电机为例，霍尔传感器信号与 电枢反电势和相电流的关系如图2 4 所示： 由相序图2 4 可以清晰看出，在一个电角度周期内霍尔传感器要改变6 次状态，每6 0 度电角变化一次状态，每一次的变化都对应一次相电流换相过 程。 2 3 电动助力转向系统数学模型n 1 为了分析助力时电动助力转向系统的稳定性能和进一步设计控制系统， 首先需要建立电动助力转向系统的数学模型。由于电动助力转向系统的结构模 型较为复杂，直接建立系统的数学模型有一定的困难，为此，将电动助力转向 系统的结构模型进行简化，在简化结构模型的基础上建立电动助力转向系统的 数学模型。 2 3 1 电动助力转向系统结构模型的简化 本文以某微型汽车为研究对象，该车的机械式转向系统为齿轮齿条式转向 系统，其齿轮齿条式转向器和转向轮的结构模型如图2 5 所示，根据d u g o f f 轮胎模型，汽车转向时地面作用在转向轮上的侧向力和切向力分别为 c = 百a k , s ( 2 - 4 ) f ，：a k = - 、t a n a ( 2 - 5 ) y2 丁 式中，以为轮胎的切向刚度；以为轮胎的侧向刚度；d 为轮胎与地面的接触 面积；口为轮胎的侧偏角；j 为轮胎的滑移率。 第1 4 页 西华大学硕十学位论文 f i 9 2 2t h es t r u c t u r a lm o d e lo f t h e r a c ka n d p i n i o ns t e e r i n gg e a ra n dt h es t e e r i n gw h e e l 图2 5 齿轮齿条转向器和转向轮结构模型 转向时，作用在齿条上的转向阻力历为： 斥= 只s i n 6 + c c o s & ( 2 - 6 ) 式中，6 为轮胎的转角。 转向盘转角和转向轮转角6 之间存在以下关系 6 ：盟( 2 7 ) f 式中，f 为转向系统角传动比。 由式( 2 - 6 ) 、式( 2 - 7 ) 得到作用在转向齿轮上的阻力矩为 = 最。= ( 告s i n 争+ 鼍芋c o s 争) 。( 2 8 ) 式2 8 中，为转向齿轮半径。由文献1 1 对式2 8 描述的阻力矩的分析结果 可知，当转向盘转角小于1 8 0 。时，转向阻力矩和转向盘转角之间近似成线性关 系。 根据以上分析结果，在电动助力转向系统结构模型中可以将齿条和轮胎 及地面之间的关系简化为齿条与一端固定的线性弹簧相连接的结构。 由于本文所研究的微型汽车的前轴载荷较小，因此电动助力转向系统采 用转向轴助力式结构，即助力电机的输出转矩经减速器放大后作用在转向轴 上，进行转向助力。根据对转向阻力和转向盘转角之间关系分析的结论，将齿 条和轮胎及地面之间的关系简化为齿条与一端固定的线性弹簧相连接的结构， 第1 5 页 两华大学硕士学位论文 建立电动助力转向系统简化的结构模型，简化模型如图2 6 所示。 f i 9 2 6t h es i m p l i f i e ds t r u c t u r a lm o d e lo fe p s 图2 6 电动助力转向系统简化结构模型 2 3 2 建立电动助力转向系统数学模型 在图2 6 所示的电动助力转向系统结构模型中，助力电机电枢轴、转向轴 和齿条上不可避免地存在着阻尼，为了便于电动助力转向系统数学模型的建 立，将作用在转向轴、齿条、助力电机电枢轴上阻尼的线性部分用粘性阻尼表 示，非线性部分用l ( 0 。，o 。) 、z ( ，z ，) 和厶( e 册，0 朋) 来表示。应用牛顿运动学 定律，建立以下电动助力转向数学模型。 - 以ec = 一匆p 。一t o 。+ 七x r + c + z ( 。，oc ) ( 2 - 9 ) 0 c o s p 聊站半。x r - b r x r + 等业e 。- - 等2x ，却，堋b 如 r pr pr pr p ( 2 1 0 ) 城一驰一卯。+ 盖_ + 乙+ 厶( 。舢( 2 - 1 1 ) 式中， c 为转向盘输入转矩； 以为转向盘、转向输入轴总成转动惯量； 包为转矩传感器扭杆刚度系数； b c 为转向输入轴阻尼系数； 第1 6 页 西华大学硕十学位论文 为助力电机输出转矩： 乜为助力电机电枢轴和减速器主动齿轮轴总成刚度系数； 以为助力电机电枢和减速器主动齿轮等效转动惯量； 吃为助力电机电枢轴和减速器主动齿轮轴阻尼系数； 聊为齿条质量； 抚为齿条和转向轮祜性阻尼系数； 七为等效弹簧刚度； g 为减速器减速比； 为转向齿轮半径； e 为转向轴转角； 0 。为转向轴角速度； z ，为转向齿条位移； j ，为齿条位移； 0 。为助力电机电枢轴转角； e 。为助力电机电枢轴角速度； p 为转向齿轮螺旋角。 表2 1 参数取值列表 t a b l e 2 1t h el i s to f t h ep a r a m e t e r sv a l u e 参数数值单位参数数值单位 以 o 0 6 堙? 2 肋 2 k g 恕 1 2 3n r a d 印 6 5 3 n ( 朋j ) 包0 3 6n m ( r a d s ) g1 6 l c 。 1 2 5n m r a d r p 0 0 0 9m ) 。0 0 0 2k g j n 。k t 9 1 8 5 9n | m 0 0 0 3n i t ( r a d s )d 1 3 。 电动助力转向系统数学模型中各常数量的取值如表2 1 所示。式( 2 9 ) 表 示转向盘、转向输入轴总成非线性数学模型。由于扭杆上端与转向输入轴相连， 扭杆下端与转向输出轴相连。转向时，扭杆上下端的转角存在一定差异，从而 产生扭杆弹力，扭杆弹力通过转向输出轴、转向齿轮传递到转向齿条上，推动 。 第1 7 页 两华大学硕十学位论文 转向节臂转动，实现汽车的转向。转向盘、转向输入轴总成与扭杆组成弹簧质 量阻尼系统。式( 2 1 0 ) 表示齿条的非线性数学模型，扭杆的弹性转矩和助力电 机的输出转矩通过转向齿轮作用在齿条上，地面对转向轮的作用力通过拉杆作 用在齿条上。式( 2 1 1 ) 表示助力电机的非线性数学模型。为了更好的研究电动 助力转向系统的控制策略，必须首先将式( 2 9 ) 、式( 2 一1 0 ) 、式( ( 2 1 1 ) 所表示的 非线性系统线性化，然后应用控制理论进行控制系统的分析与综合。 2 4 电动助力转向系统稳定性分析 由图2 - 6 所示的电动助力转向系统简化的结构模型可知，转向盘转矩等 于转矩传感器的扭杆转矩，即