（光学工程专业论文）汽车电子转向系统转向执行电机的控制研究.pdf

摘要 汽车电子转向系统( s t e e r - b y - w i r e ，s b w ) 是指取消方向盘与转向轮之间的机械连 接，而将驾驶员的转向操作与转向车轮之间通过电线及控制器连接。其操控技术的核心 是智能机电传动装置，这些装置将驾驶员指令的电子信号转变为机械动作，也通过电子 信号向驾驶员提供动态的反馈信息，从而实现转向过程的智能控制。 转向执行电机是电子转向系统的动力源，它为车辆转向提供转向力矩。根据直流电 机转矩特性，电机转矩的大小可以通过控制电机的电枢电流( 电压) 得以实现。 本文通过对汽车电子转向系统的硬件组成以及转向执行电机特性的分析，选择永磁 有刷直流电机作为汽车电子转向系统的执行电机，对其驱动的控制方式进行了研究，并 选择了受限单极式p w m 控制方式来驱动转向执行电机，这种方式易于实现并能够保证 较高控制精度。同时，通过对汽车电子转向系统模型的分析，建立了转向执行电机的动 力学模型，对转向执行电机转矩的电压控制及电流p i d 闭环控制进行研究，并作了仿真 分析。仿真结果表明，电流p i d 闭环控制能够实现对目标电流的准确跟踪控制，控制结 果满足电子转向系统转向执行电机的控制要求。最后建立了由方向盘确定目标电流的仿 真模型，与电机动力学模型一起构建了汽车电子转向系统模型，并进行了仿真分析。通 过与机械式转向系统车辆的横摆角速度和质心侧偏角响应的比较，验证了模型，并说明 转向执行电机的电流p i d 闭环控制策略是可行的。 关键词：汽车电子转向系统转向执行电机控制策略 a bs t r a c t s t e e r - b y - w i r es y s t e m ( s a w ) i san e ws t e e r i n gs y s t e mw h i c hi n s t e a dt h em e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o na n dc o n j u n c t i o nw i t hw i r ea n dc o n t r o l l e r sb e t w e e nt h ed r i v e r ss t e e r i n gb e h a v i o r a n dt h ew h e e l so ft h ev e h i c l e t h ei n t e l l i g e n tm e c h a n i c a la n de l e c t r i ct r a n s f e r r i n ge q u i p m e n t s i st h ec o r et e c h n i q u eo fc o n t r o lo fs b w t h ee q u i p m e n t sc h a n g et h ee l e c t r o n i cs i g n so ft h e d r i v e r ss t e e r i n gc o m m a n d si n t om e c h a n i c a la c t i o n sa n df e e d b a c kd y n a m i c a li n f o r m a t i o nt o t h ed r i v e rs t i l lb yt h ee l e c t r o n i cs i g n s s os b wa c h i e v e st h ei n t e l l i g e n ts t e e r i n gc o n t r 0 1 t h e s t e e r i n ge l e c t r o m o t o ri st h ep o w e r s o u r c eo fs b w i tp r o v i d e st h es t e e r i n gt o r q u ef o r t h ev e h i c l e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o r ，w ec a nc o n t r o lt h e v o l t a g eo rc u r r e n to ft h ea r m a t u r es oa st oc o n t r o lt h et o r q u eo ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o r t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ec o m p o s i n ga n dw o r kp r i n c i p l eo fs b w , b a s e do nw h i c h ，w e s e l e c tb r u s h - d i r e c t - - c u r r e n t - - m o t o ra st h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o ro fs b wa n ds t u d yi t sd r i v ea n d c o n t r o lm o d ea n ds e l e c tl i m i t e dm o n o p o l ep w ma st h ed r i v em o d eo ft h es t e e r i n g e l e c t r o m o t o r i ti se a s yt oa c h i e v ea n di tc a ne n s u r eu p p e r p r e c i s i o no fc o n t r 0 1 b yr e s e a r c h i n g o nt h em o d e lo fs b w , w ee s t a b l i s ht h ed y n a m i c sm o d e lo ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o ra n d m o s t l ys t u d yt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h et o r q u eo ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o r , w h i c he m p h a s i z e s t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n tp i dc l o s e dl o o pc o n t r o lo ft h ee l e c t r o m o t o r t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ec u r r e n tp i dc l o s e dl o o pc o n t r o lo ft h ee l e c t r o m o t o rc a l la c h i e v e t h a tt h ec u r r e n to ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o rt r a i la f t e rt h et a r g e tc u r r e n te x a c t l y , w h i c h s a t i s f i e st h ec o n t r o lr e q u e s t so ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o r a tl a s t ，w ee s t a b l i s ht h em o d e lo f t h et a r g e tc u r r e n tc o n f o r m e db yt h ea n g l eo ft h es t e e r i n gw h e e la n ds i m u l a t et h em o d e lo f s b w , w h i c ha d o p t st h ec u r r e n tp i dc l o s e dl o o pc o n t r o lo f t h ee l e c t r o m o t o r b yc o m p a r i n gi t s r e s p o n s eo ft h ey a wr a t ea n dt h ee x c u r s i o nr a t eo ft h ec e n t e ro ft h em a s so ft h ev e h i c l ew i t h t h ev e h i c l ee q u i p p e dw i t hm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m ，w ev a l i d a t et h em o d e la n dp r o v et h e c u r r e n tp i dc l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g yo ft h es t e e r i n ge l e c t r o m o t o ri sf e a s i b l e k e yw o r d s ：s t e e r - b y - w i r e ( s b w ) ；s t e e r i n ge l e c t r o m o t o r ；c o n t r o ls t r a t e g y i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：杏与锌 岬年多月圹i s 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 专蚺仉矸 年舌月日 导师签名： 孝卅珂伊7 年石月9 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 汽车电子转向系统( s t e e r - b y - w i r e ，简称s b w ) 取消了方向盘和转向轮之间的机械 连接，摆脱了传统转向系统的限制，从人_ 车闭环系统特性出发，不但能有效的降低驾 驶员的体力负担，提高汽车的行驶稳定性，同时，通过理想的转向系统传动比，使汽车 的稳态增益不随车速变化，能够控制汽车的转向特性，实现汽车转向的主动控制。电子 转向系统具有以下优点【1 2 ，3 4 5 6 】： 1 方便汽车总布置设计。 2 提高车辆操纵性能，提高交通系统安全性。 3 有效改善驾驶员的“路感”。 4 提高转向系统的响应速度和准确性。 5 提高汽车的稳定性能。 6 提高转向操纵方便性。 7 节能、环保。 汽车电子转向系统操控技术的核心是智能机电传动装置，这些装置将驾驶员指令的 电子信号转变为机械动作，同时也通过电子信号向驾驶员提供动态的反馈信息。当汽车 需要转向时，驾驶员只需转动控制装置上的手柄( 方向盘或转向操纵杆) ，传感器即会 捕捉到该动作的数字信号，控制器便随即向转向执行电机发送一个控制指令，指示其带 动转向齿条按转向的需要移动【4 8 】【5 2 1 。 从动力和运动是可以相互转换的意义上来讲，电动机是最常用的运动源。对运动控 制的最有效方式就是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现对运动的 控制。 汽车电子转向系统由于是蓄电池直流电压供电，转向执行电机难以提供较大功率， 同时，由于蓄电池容量有限，要求转向执行电机具有较高的效率。所以，汽车电子转向 系统应选择小功率直流电机作为动力源。作为动力源，要求电机具有低转速大扭矩、波 动小、调速性能好、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高等性能。在汽车行驶过程 中，驾驶员根据其感知到路况信息，不断地转动方向盘，调整行驶方向，因此，汽车电 子转向系统的转向执行电机要能够实现双向运行。目前对转向执行电机的控制就是对电 第1 章绪论 机的转矩进行控制。根据直流电机转矩特性，电机转矩的大小可以通过控制电机的电枢 电流得以实现。 本文就是在这样的背景下开展对汽车电子转向系统转向执行电机的驱动及其控制 的研究，通过对直流电机的特性、正反转控制、调压驱动以及电机转矩控制策略的探讨 与研究，选择满足汽车电子转向系统转向执行电机的控制要求的驱动控制方案，建立汽 车电子转向系统仿真模型，分析汽车电子转向系统对车辆的操纵性能的影响。 1 2 研究现状 汽车电子转向系统主要根据各种不同的行驶工况，控制转向执行电机提供转向力 矩，电机本身的性能及其与汽车电子转向系统的匹配都将影响到转向操纵力以及汽车的 动态响应等，对转向执行电机进行相应的转矩控制，使其达到控制目标，这是汽车电子 转向系统最终得以实现的关键所在。 国内外很多单位或个人对电动助力转向系统的助力电机进行了研究。吉林大学的邹 常丰、林逸等利用系统辨识理论建立了电机及其驱动电路的数学模型。j s c h e n 分析了 比例控制和比例加微分控制方式，并比较了性能的优劣，并提出了比例加微分控制能够 提高系统的传递特性。 合肥工业大学的王启瑞、陈无畏将模糊控制和p d 控制结合，提出了模糊自调整p d 控制策略，并进行了仿真分析和试验验证，结果表明该控制策略有较好的抗干扰能力。 清华大学的季学武、石家庄铁道学院的吴文江、杜彦良等人认为传统的p i d 控制器 鲁棒性、抗干扰能力差，不能得到令人满意的控制效果。为此，引入日。控制理论，对 系统的抗干扰、跟踪性、振动的抑制等方面，做了一系列的研究，并取得了一定的效果。 目前对电机的控制，主要利用电机的转矩与电机的电流成比例的特性，通过控制电 机的电流来实现。这是一种间接的方法，因为控制量是电流。而韩国学者j i h o o nk i m ， j a e b o ks o n g 提出了一种新的控制策略，该策略直接控制了转矩，并进行了硬件在环仿 真。但实际上由于系统本身的非线性，再加上外界的干扰，所以对系统控制策略的要求 很高。电流波动会引起转矩波动和噪音，因此m i t s u b i s h ie l e c t r i cc o r p 公司的m a s a h i k o k u r i s h i g e ，k o n j if u k u s u m i 对电流控制提出新的控制策略。他们利用电压观测器对电池 电压波动进行估计，并对电压进行前馈补偿，在一般性能控制器的基础上，达到了很好 的控制效果。 2 长安大学硕士学位论文 清华大学的黄李琴、季学武、陈奎元等人自行设计了电动助力转向系统的助力电机 的驱动电路，并提出了电机转矩控制算法，该方案易于实现，同时又能保证转向控制系 统具有较高的控制精度。 吉林大学的林逸、施国标等人通过对电动助力转向系统助力控制策略的研究，根据 电动助力的特点，采用了p w m 技术实现了电机电流的控制，设计了增量式数字p i g ) 控 制器来进行电机电流的控制。 武汉理工大学的张昌华提出了电动助力转向系统的电机目标电流的控制策略，仿真 比较了模糊控制和p d 控制差别，初步证明模糊控制策略更快的抑制了地面脉冲冲击， 并分析了其原因。 国内外对系统助力电机的目标电流控制算法以及系统的控制策略进行了很多研究， 但并没有就整个系统对汽车的操纵性能的影响作深入的研究。 1 3 本文的研究内容及意义 汽车电子转向系统的动力源采用的是永磁有刷直流电机，电机自身的性能在很大程 度上影响着汽车电子转向系统的工作。本论文主要对汽车电子转向系统的转向执行电机 进行研究。通过对转向执行电机的转矩控制策略的研究，为下一步汽车电子转向系统试 验台的搭建提供了参考依据，下一步对汽车电子转向系统进行研究时，可以制定、修正 系统的控制策略，并最终实现性能优异的汽车电子转向。 本论文的研究内容如下： ( 1 ) 对汽车电子转向系统的组成及其工作原理进行研究，分析汽车电子转向系统转向 执行机构的硬件组成及其要求，同时分析电机特性，并对汽车电子转向系统转向执行电 机的驱动控制方式进行选择。 ( 2 ) 建立转向执行电机的动力学模型，并对其进行分析，建立转向执行电机提供的转 向力矩方程，并探讨转向执行电机的转矩控制策略，分别建立电压开环控制和电流p i d 闭环控制转向执行电机模型，对两种控制模型的控制效果进行仿真比较。 ( 3 ) 建立汽车电子转向系统仿真模型，对汽车电子转向系统进行仿真分析。与机械式 转向系统车辆的响应结果进行比较，从而对所建立的模型以及转向执行电机所采用的控 制策略进行验证。 3 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 作为汽车转向系统，s b w 需要满足的基本功能有【3 8 】【3 9 】： 1 良好的操纵性 转向必须灵活、平顺，具有良好的随动性，驾驶员能够实现对车辆的有效控制，合 理的使用辅助转向系统，应切实减轻驾驶员负担，使车辆获得良好的转向响应特性，使 整车在操纵、安全等方面的性能达到最优。 2 合适的转向力与偏离“中间转向区的位置感觉 在不同速度条件下对车辆进行转向操作时，转动方向盘的力矩应该不同，汽车电子 转向系统要能满足在停车或者低速条件下，转动方向盘不太费力，而在高速行驶时又不 能因转向力过小而产生“发飘 的感觉。即：方向盘力矩的大小可以随车速变化而变化， 能使驾驶员清楚的感觉到转向过程中方向盘偏离“中间转向区的位置大小，以满足车 辆好的直线行驶稳定性以及高速行驶时的“路感 ，在进行转向操作后，方向盘要能适 当的自动回正到直线行驶状态，回正过程要求平稳，残留角速度应尽可能小，从路面上 传来的冲击应该能够模拟传递到方向盘上，使驾驶员能获得真实的路面“路感”信息， 对无效的转向冲击予以屏蔽，使驾驶员感觉舒适。 3 电子系统灵敏的响应特性与较好的可靠性 由于汽车电子转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，能够实现通过电 线、信号及微型计算机控制的转向任务，因此必须保证汽车电子转向系统对驾驶员的指 令反应迅速，响应准确、及时，保证汽车电子转向系统在任何复杂工况下均能安全、可 靠的工作，当电线、信号及微型计算机控制的转向系统失效时，能及时发现错误，使驾 驶员能够有效控制车辆，在电子系统失效的情况下，应该有预警功能及迅速处理功能， 从而使车辆处于驾驶员的有效控制之下。 2 1 汽车电子转向系统工作原理 图2 1 是汽车电子转向系统工作示意图。驾驶员的转向意图( 通过转向柱上的方向 盘角位移传感器输出方向盘左转或右转的转角信号) 转换成数字信号并传递给转向控制 器，在转向拉杆上安装一线位移传感器，利用转向拉杆左、右移动的位移量s 来反映转 向车轮转角万的大小，也就是转向控制器根据方向盘转角矽计算出拉杆的位移量s ，当 4 长安大学硕士学位论文 转向拉杆的位移量达到所需值s 时，转向控制器则切断转向电机的电源，转向轮的偏转 角不再改变。转向电机的蜗轮蜗杆减速机构使其运动不能逆向传动，这样就使得转向轮 保持所设定的偏转角不变。当再次改变方向盘转角缈的大小时，转向控制器便重复上述 控制过程，并计算出新的转向拉杆的移动位移量s 木，转向拉杆的位移量达到s 木时，转 向控制器再次切断转向电机的电源，汽车便保持新的转向状态【2 0 1 1 2 1 】【2 3 1 1 2 4 1 。 图2 1 汽车电子转向系统工作示意图 当汽车需要结束转向操作而回复到直线行驶状态时，驾驶员只需松开方向盘，回位 弹簧便将方向盘推回到原直行位置，转向控制器反向接通转向电机的电源，转向电机驱 动转向器并通过拉杆机构将转向轮拉回到直行状态，这就是转向回正。 汽车电子转向系统可以两转向轮分别调节和整体调节，由于整体调节式具有对传统 结构的继承性好、结构简单、控制方便等特点，因此整体调节式将是我国优先发展的一 种结构型式。汽车电子转向系统结构如图2 2 所示。 方向盘 方向盘转角 畿麓力毒 图2 2 汽车电子转向系统结构示意图 2 2 转向执行机构的硬件组成 5 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 转向执行机构是汽车电子转向系统的执行模块，负责完成转向任务，是整个系统的 动作部分，其主要部件包括转向控制单元( e c u ) 、带减速机构的转向执行电机、机械 转向器以及转向拉杆等【2 5 】 【2 9 】1 5 0 】。 1 转向控制单元： 包括控制单元及动力单元两部分。 控制单元接收主控制器的转向指令并向转向执行机构的动力驱动单元发送指令，控 制转向执行电机工作，保证车辆在各种工况下都具有理想的转向响应特性，减少驾驶员 对汽车转向特性变化所需要的补偿任务。 动力单元接收控制单元的转向指令，驱动执行电机进行转向操作。 转向控制单元作为转向执行电机的控制器，其性能的优劣将直接影响到电子转向执 行机构控制的性能。微处理器要处理大量的输入输出信号，而且要实现高精度和实时控 制，因此要求其必须有高速实时计算、高速实时输入和输出、高速高精度a d 转换、多 中断响应等特性。满足汽车电子转向系统性能要求的控制器有可编程逻辑器( p l c ) 、 高性能单片机、工控机和数字信号处理( d s p ) 等，这四种控制器各有优缺点。 在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机，尤其是新型的8 位、 1 6 位单片机，它们具有a d 、p w m 、e e p r o m 、比较输出、捕捉输入、s p i 接口、异 步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。单片机成本低，易开发，虽然单片机价 格不断下降，但其技术含量却不断提高。另外，单片机的应用已经相当广泛，有许多可 以借鉴的成功范例与大量的公用程序，提高程序设计的效率。单片机尺寸小，结构易布 置，芯片及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设 计带来方便。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样计算速度将直接影响 计算精度，因此单片机一般用于下位机和小型控制上；与此同时，单片机系统属于弱电 系统，易受外界干扰，比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受到恶劣 工作环境的影响，所以必须采取抗干扰措施。 综合以上分析以及从产品的市场角度来说，一般宜选用单片机来控制。从产品的小 型化来考虑，希望主控芯片能集成多项功能，所选择的单片机应满足下面要求： a 具有足够快的速度； b 有p w m 口，用于自动产生p w m 波： c 有捕捉功能，用于测频； d 有a d 转换器，用来对电机的输出转速、输出电压租电流的模拟量进行模数转换； 6 长安大学硕士学位论文 e 有各种同步串行接口； 有足够的内部r o m 和r a m ； g 有看门狗和电源管理功能。 查阅相关资料，能满足上述要求比较常用的有i n t e l 公司的1 6 位单片机8 x c l 9 6 系 列；日立公司的1 6 位单片机s h 7 0 0 0 系列；飞利浦公司的8 位单片机8 x c 5 9 1 等。 2 转向执行电机及其减速机构 转向执行电机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的转向力矩，是汽车电子 转向系统的动力源。电机自身的性能对汽车电子转向系统的性能有很大的影响，是其关 键部件之一，所以汽车电子转向系统对其转向执行电机有很高的要求： 伺服系统及其执行元件支持计算机统一控制； 成本低、可靠性好，便于安装与维修； 体积小、质量轻，能使执行元件便于安装及与机械系统相连接； 惯性小、动力大，具有良好的快速响应性能和足够的负载能力。 反映这些要求的性能参数主要有加速性能、调速比、最低稳定转速、力矩波动、过 渡过程时间长短、机械特性和调节特性等。选择转向执行电机的要求就是能够较好的满 足上面提到的各点。 表2 1 不同电机的特点比较说明 永磁有刷永磁无刷 感应电机 开关磁阻 直流电机直流电机电机 转动绕组 3 相定子三相定子 四相定子 特点永磁转子铝或铜笼转子 钢铁转子 机械换向器无转子绕组 电子换向无永磁体 无永磁体 效率低高对1 2 v 系统低比永磁电机低 功率 低高低低 密度 力矩 波动 电机基本通过通过电子通过电磁设计和 噪声 设计时考虑电磁设计考虑控制器考虑电子控制来考虑 使用技术 技术很成熟仍在发展技术很成熟仍在发展 系统复控制器 简单中等控制器高度复杂 杂程度 最简单 除了上述要求之外，转向执行电机时还应能够实现正、反两个方向均能正常工作， 从而满足车辆的左右转向，出于对汽车电子转向系统安全性和稳定性要求的考虑，还要 7 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 电机在连续运行状态下散热良好，在高温状态下，工作稳定。 表2 1 列出了不同电机的技术特点及其满足汽车电子转向系统使用要求的情况。这 几种电机不仅在结构方面有各自的特点，而且效率、功率密度等技术参数也互不相同。 对转向力矩要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电机，这是一个很好的选择，因为 有刷直流电机技术成熟、控制器结构简单、成本低；对转向力矩要求较大的轿车，可以 选择永磁无刷直流电机，因为永磁无刷直流电机效率与功率密度较高，这就比其它类型 电机更具有优势。虽然也可以用开关磁阻电机，但是技术仍不成熟，需要进行许多的研 究来克服其缺点。当然，随着汽车工业逐渐采用更大工作电压( 4 2 v ) 的电源系统，感 应电机也将会被逐渐采用。 汽车电子转向系统的减速机构与电机相连，转向操作时，起到降速增扭的作用，同 时还能使运动不能逆向传动，以保证转向轮达到所设定的偏转角后保持这一角度不变。 执行电机的减速机构的减速比从以下几个方面影响着汽车电子转向系统的性能：首先， 减速机构的减速比对转向执行电机的输出力矩起到放大的作用，这样，它会间接影响到 汽车电子转向系统的力特性。其次，减速机构的减速比还对执行电机的转动惯量的电机 参数起到放大作用，因此，它还间接影响到系统的动态性能。此外，减速比的大小影响 着减速机构的尺寸、以及传动效率和逆效率，这些都影响着汽车电子转向系统的性能。 减速机构常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。 3 机械式转向器 汽车的机械转向器根据其形式通常可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、 蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式。汽车电子转向系统采用的是原车 型上的齿轮齿条式转向器。 2 3 电机特性分析 转向执行电机作为汽车电子转向系统的关键执行部件，需要其根据不同的工况产生 不同的转向力矩，要具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求转向执行电机具有线 性的机械特性和调速特性。永磁有刷直流电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等 特点，因而，本论文中选用了永磁有刷直流电机作为汽车电子转向系统的转向执行电机。 直流电机是一种具有优良控制特性的电机，它具有启动转矩大、体积小、重量轻、 调速范围广、易于平滑调节转矩、转速容易控制以及效率高等十分优良的特性。 随着永磁材料和工艺的发展，已将直流电机的励磁部分用永磁材料代替，产生永磁 8 长安大学硕士学位论文 直流电机。永磁直流电机具有体积小、结构简单、运行可靠、输出功率大以及高效节能 等一系列优点，所以目前已在中小功率范围内得到了广泛的应用畔1 1 4 5 】【4 6 1 。 1 永磁直流电机的运行特性 永磁直流电机的稳态运行特性主要有工作特性、机械特性和转速调节特性等。 ( 1 ) 工作特性 永磁直流电机的工作特性是指电机在端电压u 恒定的情况下稳态运行时，其转速 力、电磁转矩疋和效率r 随电枢电流，或输出功率最变化的特性，即刀= 厂( ，) 、瓦= 厂( ，) 、 r = f ( i ) 。如图2 3 所示。 图2 3 永磁直流电机的工作特性 转速特性。在端电压u 恒定的情况下稳态运行时，永磁直流电机的转速n 随电枢 电流，( 或输出功率只) 变化的特性就是转速特性，即n = 厂( ，) ( 或以= f ( p 2 ) ) 。 肛等一每c ， ( 2 t ) e 。 、 由式( 2 1 ) 可p a 知道，当u 恒定时，不计电枢反应和温度影响时，由于电枢电阻压降 r 。，随电枢电流的增大而增大，因此，电机转速玎将随电枢电流的增大而有所降低，这 时电机的运行是稳定的。 转矩特性。在端电压恒定的情况下稳态运行时，永磁直流电机的电磁转矩随电 枢电流，( 或输出功率b ) 变化的特性是其转矩特性，即z = 厂( ，) ( 或疋= 厂( 只) ) 。 当u 恒定时，不计电枢反应和温度影响时，电磁转矩疋随电枢电流，成正比例变化。 效率特性。在端电压u 恒定的情况下，永磁直流电机的效率7 7 随电枢电流i ( 或 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 输出功率最) 变化的特性即为其效率特性，即巧= 厂( ，) ( 或7 7 = 厂( 只) ) 。 ( 2 ) 机械特性 永磁直流电机的机械特性是指电机在端电压u 恒定的情况下稳态运行时，其转速，l 随电磁转矩t 变化的特性，即咒= 厂( 疋) ，如图2 4 所示。 图2 4 改变电源电压u 时的机械特性 由转速特性及转矩特性可以导出机械特性表达式为式( 2 2 ) 胪等一去 亿22 ，刀= 二一。= _ i z l c 。c 。c ，2 。 、 运行稳定性好的电机，其机械特性曲线应具有略为下降的特性。 2 直流电机的起动 直流电机起动过程所用的时间很短暂，在额定电压下直接起动过程中，直流电机的 电枢电流f 。和转速甩随时间t 变化的规律如图2 5 。 图2 5 起动过程中i 。( t ) 和胛( f ) 在额定电压下直接起动时，由于接通电源瞬间电机的转速为零，电枢的感应电动势 也为零，这时电源电压全部加到电枢电阻上，而直流电机的电枢电阻一般很小，使得起 1 0 长安大学硕士学位论文 动电流很大，可达到额定电流的1 0 - 2 0 倍。如此大的冲击电流将导致电机换向恶化， 使换向器产生强烈火花；也会使供电电源受到冲击。 因此，对直流电机起动的基本要求是： 起动电流要小； 起动转矩要大； 3 直流电机的制动 电机拖动负载工作时，有时需要限制电机转速的升高，有时需要电机很快减速或停 车，以及紧急停车等，汽车电子转向系统的转向执行电机要实现转向随动，即当方向盘 在包括中间位置在内的任意位置停止转动时候，执行电机也应停止转动，这些情况下都 需要进行制动。 电机制动的方法有机械的( 抱闸) 和电磁的两种。电磁制动是通过电机产生的电磁 转矩与旋转方向相反实现的。电磁制动的优点是制动转矩大，制动强度比较容易控制。 现在的电力拖动系统中多采用这种方法，或者与机械制动配合使用。 4 直流电机的调速 调速是在机械负载不变的情况下，人为的通过改变电机的机械特性以达到改变电机 转速的目的，它可以用机械的、电气的或机电配合的方法来实现。电机速度调节性能的 好坏，常用调速范围、调速的平滑性、调速的稳定性、调速的经济性和调速时电机的容 许输出来衡量。 5 直流电机的正、反转 直流电机具有良好的控制性能，也容易实现正、反转控制。为了达到正反转的目的， 只要改变电机电源电压的极性就可以实现。直流电机的正、反转控制有单电源方式和双 电源方式两种【2 3 1 。 ( 1 ) 双电源方式 双电源方式分别采用n p n 型和p n p 型三极管用于切换电机电压极性。这种切换方式 也称为半桥方式。为使正、反转动作特性在电气上完全相同，可以采用互补性晶体三极 管。 ( 2 ) 单电源方式 单电源控制方式采用四只晶体三极管来切换电机端电压的极性。单电源方式又称为 全桥方式或h 桥方式。 单电源方式一般应用于数字控制。这种控制方式和微型计算机组合起来可以实现电 1 1 第2 章汽车电子转向系统转向执行机构的硬件研究 机电压的开关控制( p w m 控制) 和短路制动。由于开关控制的工作效率很高，因此也 可以用于大功率电机的控制。 通过对汽车电子转向系统工作原理及其转向执行机构硬件组成的分析，确定了满足 汽车电子转向系统要求的转向执行电机应具备的性能要求，同时，通过对电机特性的分 析，选择永磁有刷直流电机作为汽车电子转向系统的转向执行电机，这种电机具有优良 的控制特性，不仅其启动转矩大、体积小、重量轻、调速范围广、易于平滑调节转矩、 转速容易控制等十分优良的特性，而且还具有结构简单、运行可靠、输出功率大以及高 效节能等一系列优点，这就满足了汽车电子转向系统对转向执行电机的苛刻要求。 1 2 长安大学硕士学位论文 第3 章转向执行电机驱动控制方式的选择 汽车电子转向系统执行机构的关键部件是转向执行电机，通过第2 章的分析，选择 永磁有刷直流电机作为汽车电子转向系统的转向执行电机，车辆运行时需要左右两个方 向转向，同时根据不同行驶条件提供车辆转向所需要的转向力矩，所以，本章对转向执 行电机的驱动方式进行研究，以选择满足汽车电子转向系统要求的合理驱动控制方案。 电机驱动控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材 料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电机控 制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。其中电机的控制部分已由模拟控制逐渐 让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系 统的应用。并正向全数字控制方向快速发展。电机的驱动部分所用的功率器件经历了几 次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件m o s f e t 和i g b t 成为 主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电机控制方法能够得到 实现。脉宽调制控制方法( p w m 和s p w m ) 、变频技术获得了广泛的应用3 0 】p 6 】【3 7 】【4 7 】【5 0 】。 3 1 电子开关器件的选择 对转向执行电机的驱动起主要作用的就是电力电子开关器件。目前，常用的电力电 子开关器件有：可关断晶闸管( g t o ) 、功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) 。根据它们的特点，这些器件都有各自的应用范围。可关断晶闸 管( g t o ) 仍然在大功率和超大功率领域占统治地位；功率晶体管( g t r ) 和绝缘栅双极晶 体管( i g b t ) 在大、中功率方面占统治地位；功率场效应管( m o s f e t ) 在中、小功率领域 内具有较强的优势。考虑到汽车电子转向系统的转向执行电机的正、反转控制及响应速 度要求，应选择功率场效应管作为其驱动部分的电子开关器件。 功率场效应管( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，m o s f e t ) ，产生于2 0 世纪7 0 年代。功率场效应管有着与其它器件完全不同的特点。首先，它不是那种由多 数载流子和少数载流子共同导电的双极型器件，而是只由一种载流子导电的单极型器 件；其次，它要求的栅极驱动电流很小，因此可看成是电压控制型器件。由于具有这些 特点，使得功率场效应管具有开关速度快、热稳定性优良、损耗低、驱动电路简单、驱 动功率小、安全工作区宽、无二次击穿等显著优点，目前已得到越来越厂泛的应用。目 前，功率m o s f e t 的指标达到耐压6 0 0 v 、电流7 0 a 、工作频率1 0 0k h z 的水平，在开 13 第3 章转向执行电机驱动控制方式的选择 关电源、中小功率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置高效率和小型化。 功率场效应管有3 个引脚：栅极g 、源极s 、漏极d 。栅极g 相当于晶体管的基极 b ，源极s 相当于晶体管的发射极e ，漏极d 相当于晶体管的集电极c 。 根据载流子性质，功率场效应管可分为n 沟道和p 沟道两种类型，其符号如图3 1 所示，箭头表示载流子移动的方向。其中，n 沟道型类似于n p n 型晶体管，栅源极间 加正向电压时，m o s f e t 导通；p 沟道型类似于p n p 型晶体管，栅源极间加反向电压 时，m o s f e t 导通。 dd g ss 簟牲纫逸毙獭嘲趱簸 图3 1 m o s f e t 的符号 功率场效应管的主要参数包括： ( 1 ) 漏源极击穿电压丑和额定电压 ( 2 ) 漏源极d u d t 耐量 ( 3 ) 漏极额定电流，d 和峰值电流 ( 4 ) 通态电阻足。 3 2 转向执行电机的调压驱动方式 近年来，直流电机的结构和控制方式都发生了很大的变化，随着计算机进入控制领 域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调 锘l j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在 单片机控制中实现，从而为直流电机的数字化控制提供了契机【1 6 】 【19 1 。 3 2 1l a w m 控制原理 根据直流电机转矩特性，电机转矩的大小可以通过控制电机的电枢电流得以实现， 而对电机的电流控制是通过调节电机的电枢电压实现的。对电机的驱动离不开半导体功 率器件，在对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为 两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式【4 9 】【矧。 1 4 o 墨1j 盈 长安大学硕士学位论文 线性控制方式也就是电阻控制方式。在电机和电源之间插入晶体三极管，这个晶体 三极管相当于一个可变电阻器，也就相当于控制了加在电机上的电压，从而改变电机的 转速和转矩。晶体管工作在不饱和区，基本上与低频功率放大器的电路结构相同。由于 直流电机线性控制方式不改变电流的波形，因此对电刷、换向器的换向作用影响很小， 可以做到转速的平滑调节。但是晶体三极管产生的功率损耗将变成焦耳热而消耗掉，使 得线性控制的效率很低，是一种不经济的控制方法。 汽车电子转向系统的转向执行电机应采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体 功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电机电枢电压，从而实现对电机 电流和转矩的控制。 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环 节上时，其效果基本相同。p w m 控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器 件的导通和关断进行控制，利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲 列，并通过控制电压脉冲宽度或周期来达到变压的目的，或控制电压脉冲宽度和脉冲列 的周期来达到变压变频目的的一种控制技术。p w m 控制方式具有良好的经济性。但由 于电机供电电压处于开关状态，因此会导致噪声、振动以及电刷、换向器的磨损等问题。 这些问题从控制技术上已经逐步得到解决。p w m 控制方式已经成为现代直流电机控制 技术的主流。 卜 硼辫霹掰删飘 鬻豫l 删域弗 图3 2 直流电机的p w m 控制原理和电压波形图 图3 2 是利用开关管对直流电机进行p w m 控制的原理图和输入输出电压波形，图 3 2 ( a ) 中，当开关管m o s f e t 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电机电枢绕组两 端有电压虬。t 。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为0 。f ： 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的 电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图3 2 ( b ) 所示。电机的电枢绕组两端的 15 第3 章转向执行电机驱动控制方式的选择 电压平均值为 吣筹= 弘一， ( 3 1 ) 式中，口一占空比，口= 一1 1 2 占空比口表示了在一个周期丁内，开关管导通的时间与周期的比值。1 2 的变化范围 是o 口1 。f l s 上式可知，当电源电压u ，不变的情况下，电枢的端电压的平均值砜取 决于占空比口的大小，改变口值就可以改变端电压的平均值，从而达到调压的目的。 在p w m 调压时，占空比口是一个重要参数。改变占空比口有三种方法。 ( 1 ) 定宽调频法 这种方法是保持t 。不变，只改变t ：，这样使周期t ( 或频率) 也随之变化。 ( 2 ) 调宽调频法 这种方法是保持t ：不变，只改变t ，这样使周期r 也随之改变。 ( 3 ) 定频调宽法 这种方法是使周期丁保持不变，而同时改变t ，和t ，。 前2 种方法由于在调压时改变了控制脉冲的周期( 或频率) ，当控制脉冲的频率与 系统的固有频率接近时，将会引起振荡，这将对系统的稳定性造成影响，所以在对汽车 电子转向系统转向执行电机的控制中，使用定频调宽法。 3 2 2 转向执行电机的p w m 调压驱动 汽车电子转向系统要实现车辆左右转向，所以应采用可逆p w m 调压控制方式对转 向执行电机进行驱动。同时，为了满足汽车电子转向系统的随动性和反应快速性，还要 求电机能够以高精度，快速调整电机的转速和输出转矩。图3 3 所示为p w m 控制h 桥 式可逆驱动系统，该控制方式能够满足汽车电子转向系统对转向执行电机的要求。 h 型可逆p w m 调压驱动有双极式、单极式和受限单极式三种不同控制方式，通过 具体分析、比较三种控制方式的特点以及它们各自的优缺点，从而确定汽车电子转向系 统转向执行电机p w m 驱动控制方式【2 1 1 1 2 4 】【2 7 】【2 9 】【3 7 1 1 5 0 1 。 1 6 长安大学硕士学位论文 图3 3 h 桥式可逆p w m 驱动控制系统 1 双极式p w m 控制的缺点： ( 1 ) 在一个p w m 周期里，工作过程中4 个m o s f e t 管都处于开关状态，开关损耗 大，而且v 1 和v 2 、v 3 和v 4 容易发生上、下两管直通( 即同时导通) 的事故，降低 了装置的可靠性。 ( 2 ) 电机在某个固定方向运转时，p w m 占空比调节范围只有o 5 ，这就增加了控制系 统设计的复杂性。 2 单极式p w m 控制的优缺点： 单极式p w m 控制的功率场效应管v 3 和v 4 在一个p w m 周