（通信与信息系统专业论文）基于pmsm的esp系统仿真及旋变解调的研究.pdf

r 学位论文的主要创新点 i l l f l f lll i l f ll l l l r j lr ij p i irlli y 18 7 9 3 9 9 一、为了方便设计高性能的e p s 控制系统，对基于p m s m 的e p s 系统 进行了数学建模，并利用a m e s i m 软件进行了系统仿真，仿真结果对设 计实际的e p s 控制器具有理论指导意义。 二、由于e p s 系统工作环境强噪声干扰的特点，要求用于计算p m s m 转子位置的旋转变压器解调方法具有较高抗干扰能力。为了解决目前 旋转变压器软件解调方法存在的对噪声敏感的问题，设计了基于多采 样点旋转变压器软件解调方法，提高了转子角度位置计算的抗干扰能 力。 摘要 电动助力转向( e p s ) 系统是在汽车在转向过程中，利用电机协助驾驶员实 现汽车转向的装置。传统的电动助力转向系统采用的是有刷直流电机，而有刷 直流电机由于采取了物理电刷实现电流换向，因而存在使用寿命短、输出功率 较低、安全性较差等问题。为了解决上述问题，本文采用永磁同步电机( 雕s m ) 代替有刷直流电机的方法，构建了永磁同步电机助力转向系统。研究该助力系 统仿真、p m s m 控制策略仿真以及旋转变压器信号解调方法研究等。 为了设计高性能的e p s 控制系统，需要对整个系统建立精确的数学模型。 本文首先设计了基于p m s m 的e p s 系统的实现方案，并对各部分的结构进行分析， 然后建立了系统的数学建模，以此为基础利用a m e s i m 软件对系统的助力特性、 回正特性、阻尼特性等进行了计算机仿真，仿真结果对设计实际的e p s 控制器 具有理论上指导意义。 首先分析了p m s m 的常用控制方法，以选择适合于本文的永磁同步电机控制 策略。然后设计了基于矢量控制的p m s m 控制方案，并利用m a t l a b 对p m s m 控制 系统的助力特性进行了仿真研究。仿真结果表明采用矢量控制策略可以满足设 计基于p m s m 的e p s 控制器的需求。 由于电机采用了永磁同步电机，该电机与传统的有刷直流电机的最大区别 在于控制过程中需要了解具体转子的位置。由于e p s 系统需要在强震动的环境 下工作，在转予位簧解调方法的选择上选择了能够在高震动的环境下工作的旋 转变压器。在对转子位簧解调的方法上还需要考虑到工作环境中的强干扰因素， 为了解决这些问题，提出了基于多采样点的解调方法。以提高获得转子位置的 精度。为该方法设计了仿真与实验分别进行验证，证明了该方法的合理性与有 效性。 关键词：电动助力转向系统，旋转交压器，控制策略，永磁同步电机 a b s 仃a c t e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mi sat u mi nt h ec a ri nt h ep r o c e s s ，t h e u s eo ft h em o t o rt oa s s i s tt h ed r i v e rt oa c h i e v es t e e r i n gd e v i c e c o n v e n t i o n a le l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mu s e sab r u s hd cm o t o r ， a n dab r u s hd cm o t o rd u et ot h e p h y s i c a lb r a s ht oa c h i e v et h ec u r r e n tc o m m u t a t i o n ， a n dt h u st h e r ei sl i f ei ss h o r t ， l o wo u t p u t ，p o o rs e c u r i t ya n do t h e ri s s u e s t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sp a p e r e m p l o y e dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) i n s t e a do fab r u s hd c m o t o r ，o ft h ee p ss y s t e m ，b a s e dp m s ms y s t e ms i m u l a t i o n ，p m s mc o n t r o l s t r a t e g ys i m u l a t i o na n dr e s o l v e rs i g n a ld e m o d u l a t i o nm e t h o d ， e t c i no r d e rt od e s i g nh i g h - p e r f o r m a n c ee p sc o n t r o ls y s t e m ，t h es y s t e mn e e d st o b u i l da na c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l 1 1 1 ed e s i g no ft h ee p s - b a s e dp m s m s y s t e m i m p l e m e n t a t i o n s ，a n da n a l y z et h es t r u c t u r eo f e a c hp a r t ，a n dt h e nc r e a t eas y s t e m o f m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a m e s i ms o f t w a r eu s e da st h eb a s i sf o rt h es y s t e mp o w e r c h a r a c t e r i s t i c s ，r e t t l r np r o p e r t i e s ，d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er e m i t so ft h ed e s i g nt h e o r ya r et h ea c t u a le p sg u i d a n c ec o n t r o l l e r t h i sa r t i c l ei no r d e rt os e l e c ts u i t a b l ec o n t r o ls t r a t e g yf o rp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h ef i r s ta n a l y s i so ft h ep m s mc o n t r o lm e t h o d sc o m m o n l y u s e d ，a n dt h e nd e s i g n e db a s e do nv e c t o rc o n t r o lo f p m s mc o n t r o ls c h e m e ， u s i n g m a t l a b ，t h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fp m s mc o n t r o ls y s t e mw a ss i m u l a t e d ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eu s eo fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g i e st om e e tt h ee p s c o n t r o l l e rd e s i g ni sb a s e do nt h en e e d so fp m s m a st h em o t o ru s i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，t h em o t o ra n dt h e c o n v e n t i o n a lb r u s hd cm o t o rc o n t r o lp r o c e s s ，t h eb i g g e s td i f f e r e n c ei st h a tt h e n e e dt ou n d e r s t a n dt h es p e c i f i cp o s i t i o no ft h er o t o r f o re p ss y s t e mi sw o r k e di na s t r o n gv i b r a t i o ne n v i r o n m e n t r o t o rp o s i t i o ni nt h ec h o i c eo fd e m o d u l a t i o nm e t h o d c a nb es e l e c t e di nh i g hv i b r a t i o nw o r ke n v i r o n m e n t sr e s o l v e r d e m o d u l a t i o no ft h e r o t o rp o s i t i o ni nt h em e t h o d so ft h ew o r ke n v i r o n m e n ta l s on e e dt ot a k ei n t oa c c o u n t t h es t r o n gc o n f o u n d i n gf a c t o r si no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ， m a n ys a m p l i n g p o i n t sb a s e do nt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d t h ea c c u r a c yo f r o t o rp o s i t i o nt oo b t a i ni s i m p m v e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lw a sd e s i g n e dt ov a l i d a t e s h o wt h a tt h e m e t h o di sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ；r e s o l v e r ；, c o n t r o ls t r a t e g y ；p m s m 第二章永磁同步电机e p s 系统的方案设计9 2 1 当前e p s 系统存在的问题及解决方法9 2 1 1 存在的问题9 2 1 2 解决方法9 2 2e p s 系统需要实现的功能分析1 0 2 3 功能模型的建立儿 2 4 基于p m s m 的e p s 系统结构设计1 2 2 4 1 机械部分1 2 2 4 2 电子部分1 2 2 5 小结1 4 第三章基于a m e s i m 的系统建模与仿真1 5 3 1 引言1 5 3 2e p s 系统动态数学建模1 5 3 3a m e s i m 中p m s m 参数建模方程1 7 3 4 a m e s i m 仿真环境1 8 3 4 1a m e s i m 软件介绍与选择原因1 8 3 4 2a m e s i m 软件的特点：1 8 3 4 3 基本使用流程2 0 3 5 基于永磁同步电机的e p s 系统仿真建模2 4 3 6e p s 系统控制策略仿真2 6 3 6 1 助力控制仿真2 6 3 6 2 主动网正控制仿真2 9 3 6 3 阻尼控制仿真3 0 3 7 小结3 1 第四章永磁同步电机控制策略仿真3 3 4 1 引言3 3 l l 5 6 4 2 控制策略选择3 3 4 3 矢量控制原理3 4 4 3 。lc l a r k e 变换：3 5 4 3 2p a r k 变换3 5 4 3 3s v p w m 3 6 4 4 永磁同步电机矢量控制方案设计3 9 4 5 基于p m s m 的e p s 助力曲线的仿真研究4 2 4 6 小结4 4 第五章旋转变压器的解调方法4 5 5 1 旋转变艇器的工作原理4 5 5 2 基于单个采样点的解码方法4 6 5 2 1 顶点采样4 6 5 2 2 改进方法4 7 5 3 基于多采样点的解码方法4 8 5 4 仿真验证5 0 5 5 实验验证5 3 5 5 1 实验方案设计5 3 5 5 2 实验的结果5 4 5 6 小结5 7 第六章全文总结与展望5 9 参考文献6 l 攻读硕士期间发表学术论文情况6 5 致谢6 6 随着人类社会的不断发展，汽车给人们的日常生活带来了巨大的影响。美 国评选出2 0 世纪对人类生活影响最大的发明，第位是电气化，第二位就是汽 车，从这一点就可以看出汽车在人们生活中的重要性。同时，现在大街小巷的 汽车数量也可以从另一个方面证明汽车在人们生活的重要程度。 汽车在人类社会中，不仅实现的是它代步的基础功能，更重要的是改变了 人们的生活方式，扩大了人们的生存空间。比方说，由于汽车加快了人们的出 行速度，给人们出门旅行等各方面带来巨大的便利，让生活更加的舒适与自由。 同时人们可以在城市中心工作，在城市外围居住，使城市的实际空间扩大化， 这样就能有效的减少有限的城市空间对人们生活造成的压力。 汽车如此的重要，那么汽车相关部件的研究的重要性也不言而喻了。汽车 助力转向系统就是辅助汽车实现转向功能的部件。在汽车运行或者静止的过程 中，汽车发生转向，车轮与地面发生侧向位移，两者之间存在摩擦力，在转向 系统上前桥载荷可以高达几千牛。这个转向力单纯依靠驾驶员用手力实现的话 会很吃力，导致转向不便。需要提供辅助力实现转向。而随着车速的增加，车 轮与地面的摩擦力减小，如果依照低速时的摩擦力采取固定大小的辅助力设计， 助力会过大，导致方向盘不易控制。这些问题就是助力转向系统所需要解决的 问题。电动助力转向系统的存在有助于提高驾驶员的舒适性与控制的可靠性。 是现代汽车中不可或缺的组成部分。 自从e p s 系统问世以来，它已经经历了三个不同的发展阶段： 1 机械式转向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，简称m s ) 机械式转向系统以驾驶员的体力作为转向动力，单纯的依靠传统的机械结 构实现转向动力的传递与放大，系统另外不增加辅助动力来辅助汽车转向。机 械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。其中， 转向操纵机构就是驾驶员实现方向控制的部件，该部分以方向盘为主，包括到 转向器输入端的零部件等，也就是动力源的提供装簧。操纵汽车转向时，由于 人所能够提供的动力是非常有限的，因此需要借助增力装置来使转向车轮发生 偏转。而转向器就是把从操纵机构传来的转矩按一定传动比进行放大，并输出 到增力装置。转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构。 天津工业大学硕上学位论文 主要的机械式转向系统有齿轮齿条式转向器，循环球式转向器，球丽蜗杆 滚轮式转向器等几种。 循环球式转向器：这种转向器有两对传动副组成，一对是螺杆、螺母，另 一对是齿条、齿扇或曲柄销。在螺杆和螺母之间装有可循环滚动的钢球，使滑 动摩擦变为滚动摩擦，从而提高了传动效率。这种转向器的优点是，操纵轻便， 磨损小，寿命长。缺点是结构复杂，成本高，转向灵敏度不如齿轮齿条式。因 此逐渐被齿轮齿条式取代。但随着动力转向的应用，循环球式转向器近年来又 得到广泛使用。 蜗杆曲柄销式转向器通常应用在转向力较大的大型汽车上，它是以蜗杆为 主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用 轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗 杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动， 从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。 齿轮齿条转向器：它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合 的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿 条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。 它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。 在汽车上得到广泛应用。 由于机械式转向系统完全靠入力驱动，与地面的摩擦力完全传递到驾驶员 的方向盘上，有着更好的路感。在不同的情况下需要的转向力是不同的，但足 该系统对助力的放大比例足固定的：在需要较大转向力的时候，驾驶员容易疲 劳；反之。容易转向过大，很难同时满足省力和灵敏度两种需求。尽管在机械 结构上可以实现一些改变来改善系统的功能，但是无法彻底解决机械系统所存 在的问题。 2 液鹾助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 为了解决机械式转向系统存在的轻便性与灵活性之间的矛盾，新型的助力 转向系统出现了。该技术目前已经相当成熟。美国g m 公司在2 0 世纪6 0 年代率 先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统在传统的机械助力转向系统实现 过程中加入了一个液压罐，由汽车发动机提供动力，带动油泵，当不发生转向 的时候，液体直接流出，返回原来的位置，但是当发生转向的时候，液体对改 变流动方向，推动系统中的活塞，带动了轮胎的转动。改进了操纵负担过重的 问题。但是传统液压助力转向系统也存着固有的缺点。首先，即使不进行转向 操作，发动机也要带动油泵工作，能耗比较大。其次，设备比较多，安装复杂， 且易漏油，造成环境污染与增加了汽车整体的不安全性。最后，不能解决转向 2 第一章绪论 轻便性与路感之间的矛盾。由于轮胎的固有摩擦力特性，当车速变大时，转向 所需的力减小，而传统液压助力转向系统的转向助力并没有随车速增加而输出 力矩减小。 导致高速行驶时产生“发漂”的感觉。但是由于系统的后来随着技术的发 展，又出现了电子液压助力转向系统。该系统的在一定程度上克服了传统液压 助力转向系统的一个缺陷，不管转向或者不转向的时候都要消耗发动机部分动 力。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它 所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号 计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液 压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压 控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要 的同时，节省一部分发动机功率。而是由而且所提供的转向助力大小不能随车 速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是 在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘的现象，驾驶员缺少显著的“路 感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。在1 9 8 3 年日本k o y o 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统 可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而 且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动 助力转向之间的过渡产品。 3 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 ) 。 现代电子技术的进步催生了电动助力系统。该系统包括了传感器，电子控 制单元e c u ，电动机，转向盘和减速器等。汽车的行驶状况由传感器转化为电 信号传送给e c u ，比如车速，输入力矩，转向角度等信息，e c u 根据这些信息按 照一定的控制策略控制电机工作，电机将力矩加在转向器上，从而实现了汽车 的转向。只有在转向时才提供助力，并且按照需求来提供助力，不但节约了能 源，还有助于在不同条件下不同的助力使得汽车的操作性能更佳。即可以在不 同的情况下提供不同的助力来实现汽车的偏转。这些优点使得电动助力转向系 统在现在的汽车的应用上取得的很好的应用空间。 日本s u z u k i 公司首先在小型轿车c e r v o 上配备了k o y o 公司研发的转向柱 助力式电动助力转向系统：从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。电 动助力转向系统与液搓系统不同，它具有以下优势： a 减少了系统能耗，汽车转向过程中，处于转向状态的时间可以占到总行 驶时间的5 。对传统的液压助力转向系统，由于在不需要转向时，油泵始终工 作，也就是说，有效的工作时间只占实际工作时间的5 ，其它的时间都是在白 3 天津工业人学硕上学位论文 白的耗能，仅此一项就会使汽车油耗增加4 ，e p s 系统可以彻底解决这一 点，只需要增加0 5 的耗油量，就可以更好的实现转向功能。即比起传统液压 助力转向系统可以减少汽车油耗的3 5 卜5 5 。 b 改进了液压系统效率较低的问题，传统的液压系统由于是机械和液压连 接，效率一般只有6 0 一7 0 ，而e p s 则可以达到9 0 以上。 c 助力是可变的。通过将汽车车速，方向盘力矩等信息输入e c u ，通过e c i j 对电机实现控制。 d 增强了转向跟随性，由于转向系统的助力是由电机提供的。机械系统与 电机直接相连，与液孤系统不同，没有液体的迟滞性，提升了转向跟随性。 e 电动助力转向系统取消了液版转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件， 而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统 结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。 f 由于整个系统是一个整体，所以与不同汽车的配备也更为方便，增加了 应用的便利性与设计时提供了很大的灵活性。 g 环境污染小，由于该系统采用电源作为动力，本身电源就是一种清洁的 能源，将燃油的消耗转变为电源的消耗，这就减少了整个汽车的尾气排放量， 减少了污染。同时取消了液压系统，从根本上解决了液压系统液体泄漏的问题， 从而进一步减少系统对环境的污染。 未来的前景技术： 1 四轮转向系统 四轮转向系统在传统转向系统的基础上将前轮转向改变为前后轮共同驱 动，改善了汽车高速行驶的稳定性，低速行驶时的操纵轻便性，以及减少在停 车场驻车时的转弯半径。 根据车速的不同，系统转向后轴具有三种动作，异相，中相，和同相。车 辆低速行驶时，后轮方向与前轮相反，这就是异相。车辆中速行驶，后轮正直， 保持中相。车辆高速行驶时，后轮与前轮转弯方向相同，即为同相。 首先，缩d , y 车辆低速转向时的转弯半径。在低速转向时，前后轮反向转 动，使转弯半径减少达2 0 。四轮转向技术使汽车操纵性能及泊车敏捷性。 还有，明显提高了车辆高速行驶时的稳定性。当车辆在高速行驶中转向时， 前后轮同向有效的降低和消除了车辆侧滑事故的发生几率，进而缓解了驾驶员 疲劳程度。 2 线控转向系统 线控转向系统是更新一代的汽车转向系统，它取消了方向盘与转向轮之间 的机械连接。由方向盘提供的只是一个转角信号。 4 1_l_li_illlllllillllllllllllljiijiiiiilllli11ji 第一章绪论 该系统优点是有利于汽车设计制造，并能提高汽车的乘坐舒适性，缺点在 于方向盘与转向柱之间无机械连接，驾驶员的路感较差，而且，电子器件之间 的可靠性难以保证。 其中，四轮转向系统与线控转向系统都仍处于研究阶段，仅在概念车中有 时会采用。而机械与液压转向系统已经发展成熟，但是以处于逐步被取代的技 术。目前，电动助力系统做为现代汽车转向技术的发展趋势，有着广阔的应用 前景和发展空间。 1 2 国内外发展现状 电动助力转向系统经过了长期的发展，逐步占据了汽车转向系统中的份额。 最早将电动助力转向系统应用在微型轿车上的是铃木公司，它在1 9 8 8 2 在 c e r v o 车上装备e p s ，后来又更进一步，在a l t o 车上也安装了该系统。此后， 世界各个大的汽车厂商在该领域投入了精力，日本的大发，三菱，本田，德国 的z f 公司，还有美国的d e l p h i ，t r w 公司，都相继推出了各自的e p s ，并且在 出厂的一些汽车上安装了e p s 系统。如，大发公司的m i r a ，三菱的m i n i c a ，本 田的a c c o r d 车都安装了e p s 系统。 随着时代的发展，e p s 技术越来越完善。具体的表现有e p s 系统应用领域 扩大，由最初的只能在微型轿车中应用，逐步向不同类型的汽车领域扩展；助 力转向控制效果的改善，由过去的只能在低速范围内实现助力，发展到在全速 范围内选择不同的控制策略实现助力，比如说，过去的助力系统在汽车高速时 就会停止输出助力。现在高速时系统可以采用与低速时不同的控制策略来提高 汽车的操纵稳定性，完善了助力转向系统的功能。 m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两个公司共同开发e p s 系统，还将 开发适用于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s 系统，可以适用于货车系统。t r w 也投入了大量的资源用于e p s 的开发。在1 9 9 9 年3 月，它所制作的e p s 系统开 始正式安装在实际轿车上。目前该公司在齿轮式电动助力转向系统投入了大量 精力，该种系统可以满足于对转向齿轮承载高达1 5 k n 的较大型车辆提供助力。 现在世界上安装了该公司的e p s 系统的汽车数目已经超过了1 0 0 0 万台。该公司 对该系统未来的前景表示乐观。表示目前在上海安亭开始生产电动助力转向系 统，以供应亚太区客户。 而国内e p s 系统也从过去研发还不成熟到现在有了一定的成就，e p s 系统 研究被作为高新科技产业项目之一，由部分高校和企业联合，采用“产，学， 研”为一体的研究和开发方式进行开发。国内的轿车也选装了电动助力转向系 统。如“北斗星”，马自达，广州本田也安装了e p s 系统。现在经过了多年的 5 天津工业大学硕：1 ：学位论文 努力，国内在e p s 系统方两做了大量的工作，取得了相当的成就，有的厂家可 以批量生产不同类型汽车e p s 装置。国内安装国产e p s 系统的车型也越来越多， 并且有的车型开始试装国产的助力系统，进一步推动了国有助力转向系统的发 展。 e p s 自从面世以来，市场占有率一路攀升，显示出强劲的发展势头。汽车 方面的各大厂商，比如美国德尔福，t r w 公司，卢卡斯公司，本田等等，都对 e p s 的发展前景表示看好。在不远的将来，该系统会在汽车产业中占有更重要 的地位。 过去，由于有刷直流电机在控制方面的优异表现。助力转向系统中都采用 的是有刷直流电机。随着技术的进步，无刷直流电机与永磁同步电机在控制领 域的应用发展迅猛。在助力转向系统中也开始应用，目前无刷直流电机在助力 转向系统中的应用有了不少研究，这方面的工作有了一些开展。而永磁同步电 机在永磁同步电机方面的应用控制方面的研究仍然比较少。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是在原有助力转向系统的基础上，将原来常用的有刷直流电机改换 为永磁同步电机。利用永磁同步电机优秀的性能，提高了整个系统的性能特性。 通过对系统所需的各个部分进行相应的仿真，从而实现对永磁同步电机控制以 实现助力转向系统的功能。 1 应用仿真软件建立起永磁同步电机的系统模型，如果单纯的从数学模型 的角度去仿真，得出的结果由于忽略了一些实际参数的影响，与实际系统的误 差往往相对较大。本课题采用a m e s i m 仿真软件用图形化建模方式进行建模，减 少了数学建模的工作量，节省了系统搭建的时间，并且仿真的实际结果更接近 与现实的系统结果。 ， 2 对永磁同步电机助力转向系统的控制策略进行分析，汽车的行驶过程中 受到很多不同因素的影响，比如，不同的路况，车速，转向速度都会对转向助 力需求产生不同影响。在不同的状况下提供最为合理的转向助力，是助力转向 系统中十分重要的一环。一般解决方法是在采用在不同情况下选择较为合理的 助力控制策略，该方法使助力转向系统的功效发挥到最大。于是对不同车速下 的控制策略进行总结，分为助力控制，阻尼控制，主动回正控制。 3 该系统改用了永磁同步电机来实现助力转向系统的功能，首先需要了解永 磁同步电机的控制策略。本文用m a t l a b 软件来实现对永磁同步电机的控制策 略，可以有助于后期对永磁同步电机助力转向系统控制模块的设计。 6 7 子位景，系统采用了旋 调出转子的位置，通过 了在不同因素下的干扰 天津工业大学硕上学位论文 8 以长 实现 互相 作用，发生了电机的转动， 由换向器在转子位置发生转换的时候实现使电流方 向发生换向，来改变了磁场的方向，而实现了电机的持续转动。所以控制方法 一般是励磁控制。即通过电流大小的控制来改变磁场的大小来控制电机速度。 另一种方法是改变电枢电压的方法来改变转子的受力，以该种方法来控制转子 的转动速度，实现调速。但是有刷直流电机存在以下的不足之处： 1 寿命短，由于电流方向的改变是由电刷换向来实现的，所以存在着物理 电刷的摩擦，造成的损耗会影响电机的寿命，从而缩短了整个转向系统的寿命。 2 功率低，由于电机利用换相电刷进行换相，因此电机的输出功率较低。 3 安全性较差，由于电火花的存在，会造成整车的安全隐患。 2 1 2 解决方法 为了解决这些问题，本文拟选取高性能电机代替直流有利电机，研究基于 新型电机的电动助力转向系统。可以选用的电机有多种，目前应用较多的有永 磁同步电机，无刷直流电机两种。这两种电机都解决了传统有刷直流电机由于 电刷存在所带来的问题。然后通过对两者性能的比较，选定更合适的电机。 表2 - i 电机性能比较 启动转矩控制结构寿命低速转矩输出 永磁同步电机大复杂 长 好 无刷直流电机大复杂 长 一般 有刷直流电机大 简单 短一般 从上表可以看出永磁同步电机与无刷电机两种新型电机除了在控制方式比 较复杂外，在很多性能上都要优于传统电机。在对控制要求较高的领域，新型 电机具备着更好的发展前景。但是在永磁同步电机与无刷直流电机的选取上两 者性能差距不大，永磁同步电机低速控制性能略优，而无刷直流电机的高速调 9 天津工业大学硕上学位论文 速方面略优一些。本文中选择了永磁同步电机主要是出于助力转向系统的特征。 该系统需要电机在大多数情况下保持静止状态，一旦需要转向则立刻响应，这 就需要能在低转速情况下输出较高的转矩实现助力。在该方面永磁同步电机的 性能要略优于无刷直流电机，所以本文选择永磁同步电机来实现助力转向系统。 永磁同步电机工作原理是：永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子线圈通 入三相交流电时，线圈产生旋转磁场，两个磁场相互作用带动转子旋转。三相 交流电产生的磁场是不断变化的，不需要电刷就可以带动转子的转动。由于在 电机中取消的电刷，解决了传统有刷直流电机在电刷换向时存在火花，同时伴 有噪音的问题。采用了永磁体转子，取消了传统交流电机中励磁电路的存在， 提高了电机的有效功率。 永磁同步电动机( p m s m ) 具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高 等特点。出于这些优点，永磁同步电机迅速扩大了自己在电机市场中的份额， 尤其是在精密控制领域，更是大放异彩。在助力转向系统中采用可以提高整个 系统的性能，利用永磁同步电机来实现助力转向系统具备一定的现实意义。现 在在助力转向系统中采用永磁同步电机所作的工作还相对不多。 2 2e p s 系统需要实现的功能分析 e p s 系统的目标是在满足轻便性的同时还具有足够的路感。路感是指驾驶 员对汽车实现转向时，路面摩擦力与驾驶员控制转向之间的关系。而轻便性是 转向时输入手力不需要太大。转动相同的角度，驾驶员需要提供的转向力越大， 路感越强，但是轻便性越差；反之，正好相反。为了要同时满足这两个截然相 反的要求，就先需要对这两个目标进行了解与分析。在不同的情况下这两个目 标相互之间的重要程度是不同的，需要对具体的实际状况，做出不同的重要性 评估，然后制定出控制策略。由于轮胎的固有摩擦力特性在不同的车速下是不 同的，所以汽车转向时需要的转向力也是不同的。当车速为零的时候，轮胎与 地面之间的阻力最高，对应的需要的助力也是最高。随着车速的提高，需要的 助力会逐渐降低。而当车速很高的时候，需求的助力较低。在需求低助力时， 驾驶员可能稍微出力就会超出需求的转向助力，导致转向超出驾驶员预期，成 为安全隐患。在车速很高的时候很容易出现危险。此时路感的重要性要大于轻 便性。反之，在低车速的情况下，需要高助力来辅助转向。此情况下，系统的 轻便性需要放到优先的位最上。在不同车速状态下采用选择不同的控制策略的 方法实现协调路感与轻便性的冲突。 1 0 第一章永磁同步电机e p s 系统的方案设计 2 3 功能模型的建立 e p s 系统的功能是通过驾驶员对方向盘提供基础转力控制方向，由e c u 通 过分析获得的车速与力矩信号，通过控制电机实现对转向系统提供合理的助力。 具体的实现过程如下，该系统需要获得方向盘上输入的力矩，根据不同的车速， 得到需要转向的力矩的大小。这两个信号需要由传感器将实际信号转变为电子 控制单元可以理解的电信号。控制助力电机实现该助力的输出。由此可知，系 统需要具体的转向信号，车速信号。整个系统还需要力矩传动装置转向轴与扭 杆还有涡轮蜗杆等。与助力产生装雹，助力电机。最后还有实现汽车具体转向 的齿轮齿条等设备。 图2 - l 助力转向系统功能示恿图 驾驶员的转向意愿由转动方向盘来实现，车轮实际转向应该与驾驶员转向 意愿保持一致，是通过机械的剐性连接来实现，保证在方向盘转动一定的角度 的情况下，车轮会转动对应的角度。通过传感器获取所需要的信号实现控制单 元对助力电机的控制。利用涡轮蜗杆实现方向盘上的驾驶员出力与电机提供的 助力之间的叠加，实现转向的实现。 天津工业火学硕i 二学位论文 2 4 基于p m s m 的e p s 系统结构设计 助力转向系统是由机械部分与电子部分互相配合来完成所需的功能。驾驶 员在汽车需要转向的时候，转动方向盘，为整个转向系统提供输入信号，以实 现转向。当方向盘转动的时候带动转向轴转动，扭杆发生形变，根据该形变由 力矩传感器获得方向盘的力矩信号，将该信号传入e c u 中。电子控制单元通过 接收到的信号( 车速，力矩) 得到系统需要的助力，然后通过控制电机实现助力 的输出。该助力传输给涡轮蜗杆，电机带动蜗杆转动，蜗杆与涡轮咬合的齿轮 比，实现电机的降速增矩，与主轴相连接的涡轮相互作用。通过其机械结构， 将电机的助力与方向盘提供的助力相叠加起来，输出到齿轮齿条上，在该装置 将旋转力矩通过齿轮带动齿条引起齿条的横向运动，实现了将转动转换为横向 位移的功能。该横向运动带动了轮胎的转动，实现汽车在运动方向上的改变。 图2 2 助力转向系统具体结构设汁 2 a 1 机械部分 可以得知，机械部分有方向盘，转向轴，扭杆与减速器，拨轮齿条转向器 等，方向盘与轮胎刚性连接，方向盘转动实现了轮胎的转动。 2 a 2 电子部分 电子部分组成包括：电子控制部分，电机，力矩传感器，角度传感器，电 流传感器，车速，转速传感器等等。该系统中采用的角度传感器是与传统助力 转向系统中差异最大的一部分。传统助力转向系统由电刷实现电机电流的换向。 不需要了解转子实际位置就能实现系统，但是永磁同步电机需要通过了解转予 的具体位置进行坐标变换，以实现矢量控制。 第二章永磁同步电机e p s 系统的方案设计 该系统由于电机采用了永磁同步电机，相应的一些部分会有一些改变。永 磁同步电机在控制过程中需要了解电机转子的具体位置，本文采用了利用旋转 变压器来获得转子角度位置，所以在电机部分中加入了旋转变压器。 1 助力电机 e p s 系统转向力矩是由助力电机提供的，助力电机是该系统的主要部件。该 系统主要所做的内容就是用永磁同步电机取代了传统的有刷直流电机进行控 制。这是本文的重点。对于永磁同步电机的介绍在文中有所介绍，这里就不另 作介绍了。 2 转子位置检测 本文采用了永磁同步电机实现助力转向系统，传统的直流电机在控制过程 中不需要精确的了解转予的位置，只需要了解转子所处的大概象限就可以实现 控制。但是永磁同步电机却需要知道具体的转子位置，通过电机转子处于不同 的位置，会根据该位鼍进行计算实现控制。并且同步电机的转子位置与电源的 磁场位置保持一致，所以在电机控制中得到转子的实际位置是非常重要的。转 子位置的探测可以通过码盘，霍尔元件和旋转变压器来实现。本文转子位置的 检测使用的是旋转变压器。因为旋转变雎器具备在碰撞与高温条件下工作的条 件下稳定工作的能力，在汽车的系统中能够稳定的工作。 3 力矩传感器 为了得到驾驶员在转向盘上的输出力矩，力矩传感器是系统中不可缺少的 部分。力矩传感器目前主要有接触式与非接触式两种，非接触式的力矩传感器 主要有光电式电磁感应式和磁阻式。其中光电式足检测光栅盘间相对角度变化 实现检测，电磁感应式则是通过电感或电磁感应系数变化实现的。而磁阻式是 通过磁阻元件的电阻变化原理实现力矩的检测。而接触式的传感器当方向盘发 生转向，扭杆会发生形变，通过角度电压转换期间电位器检测传感器两端 的扭杆形变大小，将该信号变成电压信号实现力矩的检测。非接触式的由于价 格昂贵，尽管在精度与体积上更为优异，在实际系统中应用的仍然较少。本课 题采用的也是接触式传感器。 4 电子控制单元e c u 电子控制单元是e p s 系统的核心部件，其功能直接决定了e p s 系统的性能， e c u 获得力矩传感器信号，车速信号。进行处理后按照控制单元的控制策略控 制电机工作，为汽车实现转向提供一定的助力或阻尼。e c u 的组成包括： 1 e c u 的核心部件微处理器。用来实现具体的控制策略，本课题采用了飞 思卡尔公司生产的d s p 作为处理器。d s p 通过a d 转换功能获取所需信号，d s p 芯片强大的计算能力可以实现复杂策略的实现。将输入信号处理得到系统所需 天津工业人学硕l 学位论文 要的助力。根据这个助力用电机控制控制策略实现对p w m 的控制，从而实现电 机的控制。实现整个系统的助力输出。 2 逆变电路，由6 路p w m 信号实现电机驱动电路的控制，实现3 相交流电 机的控制。电机驱动电路采用的三相桥电路。 2 5 小结 本章主要对转向助力系统的功能进行分析，对系统需要的部件进行了介绍 与分析，选择了需要的系统部件。为永磁同步电机助力转向系统的系统整体设 计做了必要的基础。系统分为了机械部分与电子部分，将两个部分结合到系统 功能的介绍中。将更细节的各个部件连接起来，构建成了一个完整的系统框架。 为下一章的系统建模奠定了基础。 1 4 发展。如果 。如果不能 研发周期， 降低研发的成本及风险性。现在它已经成为科学研究中不可缺少的环节。本课 题对永磁同步电机助力转向系统进行仿真。为了简化建模过程，得到与实际工 程相仿的仿真结果，选用了仿真软件a m e s i m 。该仿真软件具有图形化建模的特 点，使用简单，仿真效果更为贴近实际状况。而在实际各个科学领域中广泛的 应用。通过建立精确的模型，对实际的助力系统设计进行验证，为设计高性能 的控制算法提供理论指导。 3 2e p s 系统动态数学建模 该助力转向系统通过驾驶员输入力矩，实现电机力矩的输出，所以首先应 该了解到输入输出之间的动态关系。系统存在着多变量，强耦合的非线性系统， 并且存在着各种未知因素的干扰，建立适合于实际控制的e p s 数学模型是设计 的基础。 由下图模型，可得到动态数学模型。 图3 1 助力转向系统各部分参数图 天津1 = 业大学硕上学位论文 依据牛顿运动定理，可列出方程。 譬 r 霉 以0 c = k 二l + 乃一包见4 - 正( 包