（光学工程专业论文）无刷直流电机助力式eps控制系统研究.pdf

；l l u l i i i i i l li t l l l l l l l l liiill i i i i i i l l l l l l l l l l y 18 9 4 2 71 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密囵。 学位论文作者签名： 降匆 v i1 年b 月l3 日 彳 轰 夕y下 哆 日 夕多 名 ， 捌乩 稳年 教u 导 j 指 分类号： 卫生笪：丝 u d c - 鱼垫：曼曼：q 羔2 密级： 公珏 编号：1 0 2 9 9 s 0 8 0 4 0 2 7 硕士学位论文 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 r e s e a r c ho ne p sc o n t r o ls y s t e mw i t h b r u s h l e s sd cm o t o r 指导教师江造越教援 论文作者 廑越 申请学位级别亟专业名称 奎牺王猩 论文提交日期星q ! ! 生墨旦答辩时间垒q ! ! 生鱼旦 学位授予单位和日期江菱太堂 生旦 答辩委员会主席 评阅人 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 电动助力转向系统( e p s ) 具有安全、环保、节能等诸多优点，是汽 车动力转向技术的发展方向。传统的e p s 采用有刷直流电机作为助力电 机，而无刷直流电机相比于有刷直流电机具有体积小、功率密度大、低速 转矩大、调速范围宽、动态响应好等优点，因此无刷直流电机在e p s 上 的应用日益受到重视。无刷直流电机在e p s 中的控制是个难点，本文设 计了一种新型无刷直流电机助力式e p s 控制器，其中用无刷直流电机的 驱动模块实现电机的换相和控制，减轻了e c u 的负荷，增强了控制的实 时性，并介绍了在助力控制、回正控制和阻尼控制三种状态下的实现方式， 为无刷电机助力式e p s 的研发提供了技术支持。本文的研究内容如下： 首先介绍了无刷直流电机的结构和工作原理，建立了无刷直流电机的 数学模型，并对无刷直流电机换相过程进行分析，找出了转矩波动的原因 和解决方法。建立了基于无刷直流电机的e p s 系统动力学模型，为研究 控制策略和设计控制器打下理论基础。 分模块设计了控制器硬件，包括电源电路模块、转矩信号处理模块、 车速和转速信号处理模块、控制核心模块、功率驱动模块、电机位置传感 器信号处理模块、反馈电流信号处理模块、继电器驱动模块和故障警示模 块等。控制核心模块采用a r m 7 l p c 2 1 3 1 作为处理器，满足e p s 的实时 控制和性能扩展要求；功率驱动模块是本设计的亮点，使用m c 3 3 0 3 4 和 i r 2 1 3 0 实现电机换相和功率桥驱动，微处理器只要输出调速信号和正反 转信号，减轻了处理器负担和简化了程序设计； 研究了e p s 控制系统的控制策略，选用折线型助力特性曲线，分三 种控制状态介绍e p s 的控制策略：基于模糊p i d 的基本助力控制、基于 常规p i d 的回正控制和阻尼控制，并给出了三种控制的实现方法。在控 制策略的基础上开发了控制器的软件，包括e p s 控制总程序、a d 采集 子程序、车速信号采集子程序、转矩信号处理子程序、p w m 输出子程序、 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 助力控制子程序、回正控制子程序和阻尼控制子程序。 通过实车道路试验评价了控制系统的性能，原地转向试验有助力时转 矩峰值比无助力时减小5 1 3 8 ，标准差减小5 6 8 1 ，双纽线试验有助力 时转矩峰值比无助力时减小7 1 6 2 ，平均转矩减小7 2 6 3 ，原地转向试 验和双纽线试验说明转向轻便性得到很大提升。蛇形试验中，2 0 k m h ， 4 0 k m h 和6 0 k m h 的转向盘操纵转矩逐渐增大，说明车速越高，电机助力 越小，提高了汽车高速行驶的操纵稳定性，驾驶员有很强的“路感 ，6 0 k m h 的转向盘中间位置评价结果也表明“路感”清晰，操纵稳定性良好。回正 试验表明装有e p s 控制器的汽车回正性能得到很大提升，很好地解决了 低速回正不足，高速回正不稳定的问题。 关键词：电动助力转向，无刷直流电机，控制器，控制策略，道路试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) w i t hs a f e t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e n e r g ys a v i n ga n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，i st h ea u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g d e v e l o p m e n td i r e c t i o n t r a d i t i o n a le p sc h o o s ed c m o t o ra si t sa s s i s t e dm o t o r b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ld cm o t o rh a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，p o w e rd e n s i t y , l o w - s p e e dt o r q u e ，w i d es p e e dr a n g e ， a n d g o o dd y n a m i cr e s p o n s e ，s ot h eb r u s h l e s sd cm o t o rc a t c h e sm o r ea t t e n t i o n o nt h ee p sa p p l i c a t i o n t h ec o n t r o lo fb l d c mi nt h ee p si sad i f f i c u l t i n t h i sp a p e r , t h ee p sc o n t r o l l e rw i t hb l d c mw a sd e s i g n e d ，o n ep a r to ft h e c o n t r o l l e ri st h ed r i v em o d u l eo fb l d c m ，w h i c hc a r r i e so u tc o m m u t a t i o n d e c o d i n ga n dt o r q u ec o n t r 0 1 t h ed e s i g nr e l i e v e st h ec p ul o a da n de n h a n c e s r e a lt i m ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s oi l l u s t r a t e dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f t h r e es t a t e so fa s s i s tc o n t r o l ，r e t u m - t o - c e n t e rc o n t r o la n dd a m p i n gc o n t r 0 1 i t p r o v i d e st e c h n i q u es u p p o r t sf o rt h er e s e a r c ho fe p sc o n t r o ls y s t e mw i t h b l d c m t h em a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ew e r ei n t r o d u c e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c mw a sb u i l t b a s e d o na n a l y s i so ft h e c o m m u t a t i o np r o c e s s ，t h ec a u s ea n ds o l u t i o no ft o r q u er i p p l ew e r ei d e n t i f i e d a l s o ，t h ed y n a m i cm o d e lo fe p ss y s t e mw i t hb l d c mw a s e s t a b l i s h e d ，w h i c h l a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo fc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc o n t r o l l e r s e c o n d l y , t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da st h es u b m o d u l e ， i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i tm o d u l e ，t o r q u es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ， v e h i c l es p e e da n de n g i n es p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ec o n t r o lc o r e m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，m o t o rp o s i t i o ns e n s o rs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h e f e e d b a c kc u r r e n t s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，r e l a yd r i v e rm o d u l ea n df a u l t w a r n i n gm o d u l e t h ec o n t r 0 1c e n t e rm o d u l ea d o p t e da r m 7 l p c 2 1 31a si t s c o n t r o l l e r c o r e ，w h i c hm e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ec o n t r o la n d p e r f o r m a n c ee x p a n s i o n t h ep o w e rm o d u l ew a st h en o v e l t yo ft h ed e s i g n , m 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 w h i c hu s e di n t e g r a t e dc i r c u i tm c 3 3 0 3 4a n di r 2 1 3 0t or e a l i z et h em o t o r c o m m u t a t i o na n dp o w e rb r i d g ed r i v e m i c r o p r o c e s s o ro u t p u tm o t o rt o r q u e s i g n a l a n dr e v e r s i n g s i g n a l ，w h i c hr e d u c e dt h ep r o c e s s o rb u r d e na n d s i m p l i f i e dt h ep r o g r a md e s i g n t h i r d l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe p s c o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d f o l d e d l i n e t y p ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ew a sa p p l i e d t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sw e r e i n t r o d u c e di nt h r e ec o n t r o ls t a t e ：b a s i ca s s i s tc o n t r o lb a s e do nf u z z y p i d ， r e t u r n t o - c e n t e rc o n t r o lb a s e do nt r a d i t i o n a lp i d ，a n dg e n e r a ld a m p i n gc o n t r 0 1 t h ec o r r e s p o n d i n gr e a l i z a t i o nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d o nt h eb a s i so ft h e c o n t r o ls t r a t e g y , t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e rw a s d e v e l o p e d ，i n c l u d i n ge p s g e n e r a lp r o g r a m ，a da c q u i s i t i o n s u b p r o g r a m ，v e h i c l es p e e ds i g n a l a c q u i s i t i o ns u b p r o g r a m ，t o r q u es i g n a lp r o c e s s i n gs u b p r o g r a m ，p w mo u t p u t s u b p r o g r a m ，a s s i s tc o n t r o ls u b p r o g r a m ，r e t u r n t o - c e n t e rc o n t r o ls u b p r o g r a m ， d a m p i n g c o n t r o ls u b p r o g r a m f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mw a se v a l u a t e db yr e a lv e h i c l e t e s t i np i v o ts t e e r i n gt e s t ，t h et o r q u ep e a ka n ds t a n d a r dd e v i a t i o no fa s s i s t e d s t a t ed e c r e a s e dr e s p e c t i v e l yb y5 1 3 8 a n d5 6 8 1 t h a nn o n ea s s i s t e ds t a t e i nl e m n i s c a t e t e s t ，t h et o r q u ep e a ka n dm e a no fa s s i s t e ds t a t ed e c r e a s e d r e s p e c t i v e l yb y7 1 6 2 a n d7 2 6 3 t h a nn o n ea s s i s t e ds t a t e t h er e s u l t so f p i v o ts t e e r i n gt e s ta n dl e m n i s c a t et e s ts h o w e dt h a tt h es t e e r i n gp o r t a b i l i t yw a s i m p r o v e dg r e a t l y i ns l a l o mt e s t ，t h em a n i p u l a t i n gt o r q u ei n c r e a s e dw h e n v e l o c i t yw a sf r o m2 0t o6 0k m h ，w h i c hi l l u s t r a t e dh i g h e rv e l o c i t y , l e s s a s s i s t e df o r c e t h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yw a se n h a n c e da th i g hs p e e d ，a n d d r i v e rh a das t r o n gr o a df e e l s t e e r i n gw h e e l sm i d d l ee v a l u a t i o nr e s u l t sa t 6 0 k m ha l s os h o wt h a tt h er o a df e e lw a sc l e a r , a n dh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y p e r f o r m a n c ew a sg o o d r e t u r n - t o - c e n t e rt e s ts h o w e dt h a tr e t u m a b i l i t yw a s i m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g , b r u s h l e s sd cm o t o r , c o n t r o l l e r , c o n t r o l s t r a t e g y , r o a dt e s t i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 汽车转向系统概述。1 1 2 电动助力转向系统概述。2 1 2 1 电动助力转向系统简介2 1 2 2 电动助力转向系统的类型。3 1 2 3 电动助力转向系统的关键部件4 1 3 电动助力转向系统的研究现状。8 1 4 本课题的研究意义及主要内容8 第二章无刷直流电机助力式e p s 模型1 0 2 1 无刷直流电机结构及工作原理1 0 2 1 1 无刷直流电机结构1 0 2 1 2 无刷直流电机工作原理1 2 2 2 无刷直流电机数学模型1 3 2 3 无刷直流电机换相过程分析1 6 2 3 1 稳态过程1 6 2 3 2 暂态过程1 7 2 4 电动助力转向数学模型1 7 2 4 1 转向盘和转向柱输入轴子模型。1 8 2 4 2 电机助力模型1 9 2 4 3 输出轴子模型1 9 2 4 4 齿条子模型1 9 2 4 5e p s 的状态空间方程2 0 2 5 本章小结2 1 第三章e p s 控制器硬件设计 3 1 控制核心模块。2 2 3 1 1 微处理器芯片的选型2 2 3 1 2 微处理器外围电路。2 7 3 1 3 微处理器端口资源配置。2 9 3 2 转矩信号处理模块2 9 3 3 车速和转速信号处理模块3 1 v 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 3 4 控制器电源模块3 1 3 5 继电器驱动模块3 2 3 6 故障警示模块3 2 3 7 电机位置传感器信号处理模块3 3 3 8 反馈电流信号处理模块3 4 3 9 功率驱动模块。3 4 3 9 1 换相译码电路3 6 3 9 2 三相驱动电路3 7 3 9 3 三相功率桥3 8 3 1 0 硬件抗干扰设计3 9 3 1 1 本章小结4 0 第四章e p s 控制策略和软件设计 4 1 4 1 助力特性曲线4 1 4 2 控制算法4 4 4 2 1p d 控制原理“ 4 2 2 模糊控制原理4 6 4 3 基本助力控制4 8 4 4 回正控制5 2 4 5 阻尼控制5 3 4 6 软件设计5 3 4 6 1 软件集成开发环境5 3 4 6 2 主程序设计5 5 4 6 3a d 采集子程序设计5 6 4 6 4 车速信号采集子程序5 7 4 6 5 转矩信号处理子程序5 7 4 6 6p w m 输出子程序5 8 4 6 7 助力控制子程序。5 8 4 6 8 回正控制子程序5 9 4 6 9 阻尼控制子程序6 0 4 7 本章小结6 1 江苏大学硕士学位论文 第五章实车道路试验 5 1 试验设备6 2 5 2 试验内容与结果分析6 6 5 2 1 原地转向试验6 6 5 2 2 双纽线试验。6 7 5 2 3 蛇形试验6 8 5 2 4 回正试验7 0 5 3 本章小结7 1 第六章总结与展望 致谢 参考文献 6 1 总结7 2 6 2 展望7 3 攻读学位期间参加的科研项目及学术成果 7 4 1 s 7 8 v 江苏大学硕士学位论文 1 1汽车转向系统概述 第一章绪论 汽车转向系统是汽车的重要组成部分，是保证汽车行驶安全的重要零部件。用来 改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统，其功能是按照驾驶 员的意愿控制前轮绕主销的转角来操纵汽车行驶的方向，并将整车及轮胎的运动、受 受力状态反馈给驾驶员。汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的，它主 要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。借助动力来操纵的转 向系统称为动力转向系统，动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转 向加力装置而形成的。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力 转向系统【1 2 】。液压动力转向系统由于其成本低、技术成熟等优点，在汽车转向系 统中仍占有一定的份额，但是它无法兼顾低速轻便性和高速稳定性的缺点又制约 了其发展。虽然近些年来出现的电控液压转向可以解决轻便性和路感之间的矛盾， 但是其无法避免液压油泄漏、高油耗等问题。电动助力动力转向系统正是在这样 的背景下发展起来的，它能很好的解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。图 1 1 、图1 2 和图1 3 分别是机械转向系统、液压动力转向系统和电动助力转向系 统。 图1 1 机械转向系统 f i g 1 1m e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m 图1 2 液压动力转向系统 f i g 1 2h y d r a u l i cp o w e rs t c e r i n gs y s t e m 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 图1 3 电动助力转向系统 f i g 1 3e l e e e t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 1 2 电动助力转向系统概述 1 2 1电动助力转向系统简介 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 ，简称e p s ) 由机械转向系统、转向 盘转矩传感器、车速传感器、电动机电枢电流传感器、电子控制单元( e c u ) 、无刷 直流电机和减速机构等组成，如图1 4 所示。 图1 4 电动助力转向系统结构 f i g 1 4d i a g r a mo fe p ss t r u c t u r e 电动助力转向系统的工作原理是：e c u 根据转矩传感器和车速传感器的信号决定 电动机的转动方向和最佳助力扭矩，向电动机和离合器发出控制信号，通过功率驱动 电路控制直流电动机的转动，电动机的输出经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条 机构，产生相应的转向助力。通过精确的控制算法，可任意改变电动机的转矩，使传 动机构获得所需的任意助力值。另外，e p s 还具有较高的安全性能，一旦控制器和电 动机失效或相关信号异常，电磁离合器自动断开，确保转向系统能够在手动的作用下 2 江苏大学硕士学位论文 正常工作。 电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，并且助力能根据车 速的不同不断改变。原地转向和低速转向时，电机提供较大的助力，使转向轻便；高 速转向时，电机不助力甚至提供反向阻尼以增强路感，提高操纵稳定性，这样就很好 解决了传统转向系统的轻便性和路感之间的矛盾。电动机只有在转向时才工作，在不 进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性，因此e p s 已经成为现 代汽车转向系统发展的必然趋势。 电动助力转向系统是一项综合了现代控制技术、机电一体化及现代电子技术等的 高新技术，与传统液压动力转向系统相比它有很多优点p ，4 1 ： 1 其结构简单紧凑，制造成本低，工艺相对简单，后期的维护和保养也更加简单。 2 系统损耗低( 不会像液压助力一样有助力液损耗) ，运行噪音低，不会有液压泵 或电子泵运转的噪音，提升舒适性。 3 助力力度能够随速可变，满足车辆高速和低速行驶时对助力大小的不同需求， 响应速度较液压助力系统更快更直接。 4 路感和回正性好。e p s 可以设置不同的转向助力特性来满足不同路况的需要； 并且结构简单、内阻小、回正性好，改善了汽车操纵稳定性。 5 它可与其它电子系统联用。在一些高端车型上，电动助力转向与其他系统共享 总线数据，与可变阻尼悬挂、电子稳定系统、停车辅助系统等电子系统联动，提升车 辆的操控性能和主动安全表现。 1 2 2 电动助力转向系统的类型 电动助力转向系统e p s 的机械结构有很多形式。根据电动机驱动部位的不同，e p s 分为：转向轴助力式( c o l u m nd r i v e ) 、转向器小齿轮助力式( p i n i o nd r i v e ) 和齿条 助力式( r a c kd r i v e ) 三种，如图1 5 所示同。 ( a ) 转向轴助力式c o ) 小齿轮助力式( c ) 齿条助力式 图1 5 电动助力转向系统三种类型 f i g 1 5t h r e et y p e so fe p ss y s t e m 3 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向轴的一侧，通过减速机构与转向轴相连， 直接驱动转向轴助力转向。该方案的助力输入将经过转向器传递，因此要求电动机的 最大输出扭矩相对小；电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低；但 是安装位置离驾驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动易直接传到转向盘上。 齿轮助力式e p s 的电动机和减速结构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。该 方案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出扭矩也要相对小； 电动机安装在地板的下方，工作环境差、对密封要求高；其力矩波动也易传到转向盘 上。由于离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小。 齿条助力式e p s 的电动机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。该方 案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大；电动机工作环境差， 对密封要求高；安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小，且力矩波动 不易传到转向盘上。 上述三种类型的电动助力转向系统是基于齿轮齿条式转向器的转向系统，而采用 循环球式转向器的客车和轻型载重车也有采用电动助力转向系统的必要。随着社会节 奏的加快，商用车的行驶速度也越来越快，对汽车高速行驶的操纵稳定性也提出较高 的要求，而商用车一般采用的是循环球式的转向器，所以电动助力转向系统还有一种 类型：循环球式电动助力转向系统。 1 2 3电动助力转向系统的关键部件 e p s 主要部件包括：转矩传感器、车速和转速传感器、助力电机、减速机构、电 子控制单元等。 1 转矩传感器 转矩传感器是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向的，有的传感器还能 测量转向盘转角的大小和方向【。转矩传感器安装在转向柱上，在输入轴和输出轴之 间，传感器就是通过检测输入轴和输出轴之间扭杆的转角来测量转向盘转矩的。根据 传感器的固定部分和活动部分是否接触把传感器分为接触式和非接触式，如图1 6 所 示。接触式传感器因在转动过程中存在机械上的摩擦，对使用寿命影响很大，现在已 经很少采用，比较常见的是电位计式。非接触式转矩传感器借助光、电磁信号检测扭 杆的转角，主要有光电式、电感式。本研究采用的是电感式扭矩传感器，主要包括感 应线圈、短路环和解码器，如图1 6 所示。 电感式扭矩传感器工作原理：转动转向盘时，扭杆发生扭转，固定在扭杆上端 的导向销子就会沿着滑套的斜槽转动。由于滑套的另一端固定，所以滑套只能沿轴 4 江苏大学硕士学位论文 向移动，滑套上的短路环也相应发生一定位移，两个线圈的电感一个增大另一个减 小，解码器的作用是把线圈的电感变化量转换为输出电压的变化。 ( a ) 线圈( b ) 滑套 ( c ) 解码器 图1 6 电感式扭矩传感器 f i g 1 6i n d u c t a n c et y p eo ft o r q u es e n s o r 随着e p s 系统的不断完善和发展，对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提 出了更高的要求。e p s 扭矩传感器正呈现以下的发展趋势【2 q ： ( 1 ) 测试系统向微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展； ( 2 ) 从单功能向多功能发展，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设 定、状态组合、信息存储和记忆； ( 3 ) 向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设 计和优化来实现小型化，i c 部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独 的i c 部件上，减少外部部件的数量； ( 4 ) 由静态测试向动态在线检测方向发展。 2 车速和转速传感器 车速传感器位于变速器输出轴上，为磁感应式车速传感器，它能产生频率与车速 成正比的正弦脉冲信号，该信号经里程表电路处理后，形成方波信号，该方波信号一 5 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 方面给里程表使用，一方面通过导线送至e p s 控制器，向e p s 控制器提供车速信号， 图1 7 是试验测量的某车型车速信号。发动机转速传感器位于发动机曲轴上，为发动 机e c u 提供转速及相位信号，转速信号是脉冲电压信号，频率与转速成正比，如图 1 8 所示。在电动助力转向中，转速信号是触发信号，当转速达到怠速以上控制单元 启动。 ( a ) v = 2 0 k m h 图1 7 车速信号 f i g 1 7v e h i c l e6 p e e ds i g n a l ( b ) v = 5 0 k m h ( a ) n = 5 0 0 r p m ( b ) n = 1 5 0 0 r p m 图1 8 转速信号 f i g 1 8e n g i n es p e e ds i g n a l 3 助力电机 电动机是电动助力转向系统的动力源，其功能是根据电子控制单元的指令输出适 当的辅助转矩。电动机对e p s 系统的性能有很大的影响，所以e p s 系统对电动机有 很高的要求，不仅要求转矩大、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要 求可靠性高、易控制【1 1 。由于无刷直流电机( b l d c m ) 既具有交流电动机的结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗、调速性 能好等诸多特点，因此被广泛运用于各种伺服系统和驱动系统【捌。无刷直流电机由电 机本体、位置传感器、功率开关器件组成；相对于有刷电机而言，无刷电机取消了电 6 江苏大学硕士学位论文 刷和换向器，可靠性大大增强，功率密度也得到了提高，因此，无刷直流电机是e p s 助力电机的理想选择。本文选用江苏超力电器有限公司生产的z w l 8 9 0 6 型无刷直流电 机，其参数如表1 1 所示。 表1 12 7 q y l 8 9 0 6 型无刷直流电机参数 t a b 1 1p a r a m e t e r so fb i j ) 例 电机参数参数值 额定电压( v ) 额定电流( a ) 最大电流( a ) 额定功率( w ) 额定转速( r r a i n ) 额定输出转矩( n m ) 1 2 5 0 7 0 2 3 0 1 0 5 0 2 2 4 减速机构 电动助力转向系统的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。目前实用的减速 机构有多种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星 齿轮与传动齿轮组合式。本文选用的减速机构为减速比为1 7 5 的涡轮蜗杆减速机构。 传统的e p s 还配有电磁离合器，装在减速机构与电动机之间，其作用是保证e p s 系 统只在设定的行驶车速范围内起作用。当车速达到界限值时，离合器分离，电动机停 止工作，转向系统成为手动转向系统。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动分 离。而新一代的e p s 已经取消电磁离合器，因为采用大螺旋角蜗轮蜗杆机构，逆向传 动阻力较小，对逆传动影响不大【2 4 1 ，而且汽车高速时，电机需要提供阻尼来提出高速 时的操纵稳定性，这样电磁离合器应该取消。 5 电子控制单元 电子控制单元是e p s 系统的核心，它的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器 信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，电子 控制单元还有安全保护和自我诊断功能，电子控制单元通过采集电机的电流、电压、 发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取 消，同时电子控制单元将进行故障诊断分析。控制系统与控制算法也是电动助力转向 的关键技术之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制 算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律。 7 一 无刷直流电机助力式e p s 控制系统研究 1 3电动助力转向系统的研究现状 传统的e p s 多采用有刷直流电机作为助力电机，然而，有刷直流电机有其本身固 有的缺陷：电刷和换向器的存在使其可靠性以及可维护性较差。对于e p s 系统，有刷 电机换向时产生的噪声和火花对汽车的行驶安全性有很大影响，这给e p s 系统设计带 来了不便。与普通直流电动机相比，无刷直流电动机克服了普通直流电动机由于电刷 和换向器带来的固有缺陷，提高了安全性与可靠性，维护方便，节省了安装空间，降 低了噪声与电磁干扰，同时还具有直流电动机良好的机械特性。因此无刷直流电机在 e p s 上的应用得到日益重视，国内外学者已经在无刷直流电机助力式e p s 上做了一些 研究。 国外，文献6 1 设计了基于无刷直流电机的d s p 控制器并研究了控制策略，文 献f 7 1 介绍了无刷直流电机e p s 的故障诊断和容错，文献8 1 提出一种优化的p w m 方法调制用于e p s 的无刷直流电机，文献9 1 对用于e p s 的无刷直流电机的多参 数进行实时预估，文献 1 0 1 设计了一种减少齿槽转矩波动的转子结构，文献 1 1 1 研究了用于主动前轮转向的无刷直流电机的鲁棒控制，文献 1 2 1 设计了六相容错 e p s 无刷直流电机，文献 1 3 1 比较了两种用于e p s 的无刷直流电机的转子设计方 法。 t 国内，文献 1 4 1 建立了电动助力转向用无刷直流电机的模型，对电机转速和转矩 进行了仿真，文献 1 5 1 提出了一种降低无刷直流电机e p s 系统损耗的p w m 控制策 略，文献 1 6 1 指出助力电机选型和设计的原则，文献 1 7 1 提出了无刷直流电机在模 式切换时采用电流平均斜率不变的方法，有效地抑制了不同调制模式间切换所产 生的转矩波动，文献 1 8 1 使用有限元法分析了削弱齿槽转矩的方法，并设计了无 刷直流电机的控制器软硬件，文献 1 9 1 设计了基于d s p 的e p s 控制电路，文献 2 0 1 提出一种e p s 永磁无刷直流电动机齿槽脉动转矩的抑制方法。 1 4 本课题的研究意义及主要内容 上世纪9 0 年代中期欧美已经批量生产无刷直流电机助力式电动助力转向系统， 而国内至今还没有出现成熟的样品，国内外学者对用于e p s 的无刷直流电机进行许多 研究，而对无刷直流电机助力式e p s 的整体实现方法和控制策略没有提及，本文设计 了一种无刷直流电机助力式e p s 控制器，无刷直流电机由驱动模块直接控制，减少了 处理器的负担，增强控制实时性，而且研究了助力控制、回正控制、阻尼控制三种状 态的判别和控制策略，给出了三种状态的实现方法。因此本文的研究对无刷直流电机 8 江苏大学硕士学位论文 助力式电动助力转向系统的研究有一定的理论意义和现实意义。 本课题以汽车电动助力转向控制系统的工程研制项目教育部科学技术研究重点 项目( 2 0 8 0 5 2 ) 、江苏省教育厅高校科研成果产业化推进项目( j 啪8 2 1 ) 为背景，以 开发高性能、高可靠性、低成本并且具有自主知识产权的无刷直流电机助力式电动助 力转向控制器为目的，主要研究内容如下： 第一章简单介绍转向系统的发展历史，指出发展电动助力转向系统的必要性， 着重讨论e p s 的结构原理及关键部件，并且分析国内外的研究现状。 第二章在介绍无刷直流电机的结构和原理的基础上建立无刷直流电机数学模型 和e p s 数学模型，为下文的控制策略研究和控制器设计打下理论和模型基础。 第三章分模块设计控制器硬件，包括：电源电路模块、转矩信号处理模块、车 速和转速信号处理模块、控制核心模块、功率驱动模块、电机位置传感器信号处理模 块、反馈电流信号处理模块、继电器驱动模块和故障警示模块等。