（光学工程专业论文）eps用无刷直流电机控制系统开发研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 采用无刷直流电机的e p s 系统具有更加高效可靠、无线干扰少等 优点，是e p s 系统发展的方向之一。在国内，美国t r w 公司( 上海) 等多家企业正对其进行研发。 本文首先详尽地介绍了e p s 系统及其无刷直流电机的工作原理和 基本结构，系统地分析了无刷直流电机在工作过程中，定子绕组的电 流、反电动势、转子位置信号与电角度的关系。在此基础上，建立了 无刷直流电机的数学模型，并据此构建了状态空间表达式。 其次，文章根据无刷直流电机的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中，使用s i m p o w e r s y s t e m 、s 一函数以及c o n t r 0 1 s y s t e m 等模块搭 建了无刷直流电机控制系统的仿真模型，并进行了仿真分析。仿真结 果表明模型符合实际情况，可以应用于进一步的研究。 再次，本文设计了e p s 用无刷直流电机控制系统，包括硬件电路 和软件两部分。硬件电路主要包括了集成芯片m c 3 3 0 3 5 、i r 2 1 0 3 以及 功率管i r f 3 2 0 5 组成的电机驱动控制电路与m c 9 s 0 8 a w l6 构成的e p s 控 制电路。在软件设计中，主要涉及到增量式p i d 控制策略，以及具体 控制功能在单片机中的实现等方面的内容。 最后，对设计的控制系统进行了调试和试验。在试验中，采集了 占空比信号、电机转子转动频率以及转向信号，分析了它们的关系。 试验结果表明本文的设计是可行的，为进一步的研究工作提供了基础 和借鉴。 关键词：无刷直流电机，电动助力转向系统，控制系统，单片机，建 模仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e p ss y s t e mu s i n gb r u s h l e s sd cm o t o rh a sg o o dp e r f o r m a n c e ， s i m p l es t r u c t u r e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo n i n d o m e s t i c ，i ti so n eo fd e v e l o p m e n td i e c t i o no fs t e e r i n gs y s t e m ， a n da t t r a c t sm a n yc o r p o r a t i o nl i k et r wi n c f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r e o fe p ss y s t e mu s i n gb l d c mi ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e db a s e do n p r e v i o u sr e s e a r c h ，e s p e c i a l l y i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e m c u r r e n t ，b a c ke m f ，r o t o rp o s i t i o na n de l e c t r i c a l a n g l e i n b r u s h l e s sd cm o t o r a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s e s a b o v e ， m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o ri se s t a b l i s h e d ，a n d s t a t es p a c ee x p r e s s i o niss t a b lis h e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt om a t h e m a ti c a lm o d e lo fb l d c ma b o v e ， t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d b y m a tl a b s i m u li n k i nt h is p r o c e s s ，s i m p o w e r s y s t e mm o d e l ， s f u n c t i o na n dc o n t r o l s y s t e mm o d e li su s e d t h es i m u l a t i o nm o d e l i sc o r r e tb ys i m u l a t i o na n a l y s i s t h es i m u l a t i o nm o d e lc a nb e f e a s i b l ei na c t u a la p p l i c a t i o n a g a i n ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d c mi ne p ss y s t e mi sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e di nt h isp a p e r i nh a r d w a r ed e v e l o p m e n t ，t h e r ea r e c o n t r o lc i r c u i to fe p sc o n s t i t u t e do fm c 9 s 0 8 a w l 6a n dd r i v i n ga n d c o n t r o l l i n gc i r c u i to fm o t o rw i t hm c 3 3 0 3 5 ，i r 2 1 0 3a n di r f 3 2 0 5 江苏大学硕士学位论文 i ns o f t w a r ed e s i g n ，i n c r e m e n t a lp i dc o n t r o ls t r a t e g yi su s e d a n de v e r ym o d u l eb e i n gu s e di nm c um c 9 s 0 8 a w l 6isi n t r o d u c e d a tl a s t ，d e b u g g i n ga n de x p e r i m e n ta r ed o n ea f t e rd e v e l o p m e n t i ne x p e r i n m e n t ，d u t yc y c l e ，r a t a t i o n a lf r e q u e n c ya n dt u r ns i g n a l a r em e a s u r e d a n dt h er e l a ti o n s h i pb e t w e e nr a t a ti o n a lf r e q u e n c y a n dd u t yc y c l ei sa n a l y s e d t h ed e s i g ni sp r o v e dt ob ef e a s i b l e b ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，e p s ，c o n t r o ls y s t e m , s i n g l ec h i p ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作孝芋名： 釉 日期：珂。年月i j 日 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密卣。 学位论文作者签名：越峥 聊年多月。，日 指剥雠亏彩拗厶 2 , , o f o 年6 月，日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 现代社会，汽车的使用越来越广泛，并且逐渐成为普通百姓可以负担得起的 消费品，汽车工业也成为一个国家工业实力以及科技实力等方面的集中体现。2 0 0 9 年我国汽车年产量首次突破1 0 0 0 万辆，位列世界三甲，标志着我国汽车工业进入 了新的发展阶段。 汽车转向系统作为底盘的四大系统之一，其性能对于确保车辆的安全行驶、 减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作 用。为了提高转向性能，很多汽车都采用了动力转向系统【，动力转向系统的形式 也在不断改进，依次产生了液压式助力转向系统、电控液压式助力转向系统和电 动助力转向系统等【2 】，这些系统在助力性能、回正性能、路感以及系统可靠性等方 面的效果不断提高。 为在激烈的市场竞争中抢占先机，各大汽车零部件生产商以及整车生产商均 对电动助力转向系统进行了开发。世界著名的美国天合公司是生产汽车电动助力 转向器的主要公司之一，在上海设有独资公司，负责向中国销售该产品。无刷直 流电机是e p s 系统主要部件，其成本直接影响系统的整体价格。一直以来无刷直 流电机都是国外提供，价格较高。为了降低成本希望在中国选择、研发或改进一 种无刷直流电机取代进口产品，降低成本，增强竞争力，希望与我们共同来对这 一问题进行探讨。 美国t r w 公司( 上海) 希望我们完成的主要工作如下：了解国产适合e p s 使用的无刷直流电机的参数、使用性能、使用条件和易损部位，电机的生产单位， 以及电机与国外同类产品的差距及改进措施。 1 2电动助力转向系统的国内外现状 国外在1 9 7 9 年开始了对电动助力转向系统的研究，直到1 9 8 8 年日本铃木公 司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力 转向系统的束缚【3 】。随后又在其a l t o 车型上装备使用了该系统。自此国际上的各 大汽车企业开始研发电动助力转向技术并为自己的车型配备电动助力转向系统。 1 江苏大学硕士学位论文 在日本，大发汽车公司的m i r a 、三菱汽车公司的m i n i c a 以及本田汽车公司的a c c o r d 等型轿车上安装了各自研发的e p s 系统，本田公司倾向于在其$ 2 0 0 0 型轿车选用 e p s 系统。在欧美，一系列有实力的汽车公司以及汽车零部件商也在开发并装备 各自的电动助力转向系统。例如，美国的d e l p i 汽车公司已经为大众的p o l o 、欧宝 的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出了电动助力转向系统。t r w 公司也在1 9 9 8 年 开始在e p s 系统的研发方面投入大量的人力、物力和财力，它们为客车开发的小 齿轮助力式电动助力转向系统获得成功，1 9 9 9 年三月，该公司研发的e p s 系统 已经装备在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等型轿车上了。德国方面，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 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于e p s 系统的开发，2 0 0 2 年达到3 0 0 万套的年产量，成为世界最大的e p s 生产商，它们计划开发能够适用 于汽车前桥载荷超过1 2 0 0 k g 的e p s 系统，实现在货车上装备e p s 系统的目标 , v t l 。 经过三十年的发展，电动助力转向技术日臻完善，该系统的适用范围也日益 广泛，从最初的微型轿车到如今的大型轿车和商用轿车。例如，本田的a c c o r d 和 菲亚特的p u n t o 都是中型轿车。e p s 系统所适用的速度范围在得到了扩大，早期的 e p s 系统适用于低速和停车时转向，现在e p s 系统可以在高速时转向助力，本田 公司甚至在其a c y r an s x 型赛车上也安装了e p s 系统，而且如今的e p s 系统可以 在汽车高速行驶时提高汽车的操纵稳定性。 目前，各国学者和研究单位从多个角度，运用现代控制理论等方法针对e p s 控制对象非线性、多参数的要求，进行了广泛的研究罔。主要涉及路感控制，对阻 尼、摩擦和惯性的补偿控制，以及失效分析等。 相比较于国外，国内的电动助力转向技术起步较晚。自1 9 9 8 年起，我国开始 了对电动助力转向系统的研究，自此，江苏大学、吉林大学、清华大学、华中科 技大学、合肥大学、武汉理工大学、同济大学、华南理工大学等国内院校以及相 关科研机构都投入到对该技术的研究当中，主要涉及e p s 系统跟随性能、数学模 型、线性状态空间模型、匹配性设计、回正控制、鲁棒控制、模糊自调整控制以 及基于灵敏度的控制等方面。我国在该技术领域已取得很大的进步，特别是在控 制算法上，但是在对影响e p s 系统的助力特性、操纵性能等的因素方面和国外尚 存在一定的差距。 我国对电动助力转向系统的实用化开始于2 0 0 1 年。这一年昌河汽车公司首先 2 江苏大学硕士学位论文 在其北斗星高档微型厢式车中装备了e p s 系统，截止2 0 0 2 年该车型已有6 万辆 配装了电动转向器，即电动转向车己占该车型的6 0 ，昌河汽车公司又在艾迪尔 车型中安装了e p s 系统。紧随其后，广汽本田的飞度、上海大众的途安、一汽大 众的凯迪、哈飞路宝、一汽丰田的卡罗拉等车型都装配了电动助力转向系统。另 外，株洲南方动力公司、广州跨越汽车零部件工贸公司等企业都在开发并小批量 生产转向轴助力式电动助力转向器。国内的e p s 市场广阔，随着我国对该技术日 益掌握，未来将有更多的车型配备该系统。 1 3 无届0 直流电动机概述及其使用优势 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c m ) 是一种永磁同步电动机，随 着微电子技术、电力电子技术、永磁材料、数字信号处理技术以及控制理论等的 快速发展，在普通的直流电机( 有刷直流电机) 的基础之上产生并迅速发展起来 的。1 9 3 4 年，出现了采用电子管线路代替机械滑动接触的无换相器直流电动机。 1 9 5 5 年美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利， 标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段 是在1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n f _ sm a n n 公司的i n d r a m a t 分部推出m a c 永 磁无刷直流电动机及其驱动系统。1 9 8 3 年，日本住友公司推出第3 代高能n d f e b 稀土永磁后，各国竞相研制，无刷直流电机的发展步伐不断加快 9 - 1 2 1 。在我国稀土 储量丰富，在全球储量的的8 0 ，所以在发展无刷直流电机上有着得天独厚的优 势。早在1 9 6 5 年，我国就研制成功了永磁式无刷直流稳速电机，并应用于第一颗 人造卫星及回收装置的记录仪中。 无刷直流电机按照其工作特性可以分为两大类：1 ) 正弦波同步电机，具有同 步电机的各种运行特性；2 ) 方波同步电机，具有有刷直流电机的各种运行特性【1 3 1 。 本文讨论的是方波式的无刷直流电机。 无刷直流电机相比较于普通的直流电机，两者在电机本体和换相装置上均有 所差别。首先，在无刷直流电机中磁场是旋转的，电枢绕组是固定的，这与普通 电机正好相反；其次，由于以上的结构决定，在无刷直流电机中，利用转子位置 传感器和电子换相电路代替了普通电机中的换相器和电刷，起到了与机械换向装 置相类似的作用，同时实现了无接触换相。 3 江苏大学硕士学位论文 在无刷直流电机的控制系统中，i g b t 、m o s f e t 以及i g c t 等功率器件在功 率逆变电路中广泛使用，更加先进的位置传感器的引进，在控制电路方面正在朝 着高级数字信号处理芯片的方向发展，无位置传感器算法等控制策略的流行，这 都使得无刷直流电机具有更好的运行特性，使其调速范围广泛、可控性好，这些 方面都和传统的有刷直流电机相似。 另一方面，无刷直流电机由于结构方面有异于传统的有刷直流电机，所以其 具有更大的优势应用于电动助力转向系统。 由于定子是电枢绕组，转子产生变化的磁场，所以无刷直流电机的电机本体 结构和交流电机类似，更加的简单，结构更加紧凑，也降低了磁场损耗。而且这 种结构，电枢绕组的导热性能更好，转子无损耗和发热，也更有利于散热。 因为不再使用机械式的换相装置，消除了机械摩擦，所以，可以提高电机的 运行精度和可靠性，这也提高了电机的寿命和运行效率。取消了电刷，使得电机 运行时不再产生电火花，可以减少电磁干扰，减小噪声。 1 4 本文研究主要内容 本论文开展了对e p s 用无刷直流电机控制系统的研究，具体内容如下： ( 1 ) 调查研究。了解我国无刷直流电机的生产使用情况，确定工作方向t ( 2 ) 建立无刷直流电机的数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中对仿真模型 进行分析。 ( 3 ) 设计e p s 系统用无刷直流电机的控制系统并进行调试、试验。 ( 4 ) 设计使用无刷直流电机的e p s 控制系统。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的现状 根据赞助项目的要求，通过实地考察、网上搜索等手段，对我国e p s 用无刷 直流电机的现状有了较为详尽的了解。 2 1网络收集的资料 根据对阿里巴巴等知名商务网站的统计，目前全国有5 0 0 余家各类无刷直流 电机的生产销售企业。这些企业的规模、研发及生产能力各异，主要分布于珠三 角地区、长三角地区、山东和北京地区，在许多企业中，无刷直流电机只是其众 多产品之一，这些厂家的无刷直流电机的型号各异，并没有统一的编号形式，而 且这些无刷直流电机产品的主要参数的变化范围很大，例如：额定电压从1 2 v 到 2 2 0 v 不等，额定电流从几百毫安到几十安培，额定功率的变化范围在几瓦到上千 瓦之间，而额定转速通常都在每分钟数百转以上，最高可达7 0 0 0 r p m 左右，外型 尺寸也有很大的差异。目前，这些无刷直流电机主要应用于医疗、科研、检测、 印刷、包装及各种教学仪器、化工分析仪器、办公自动化及电动自行车驱动等领 域，并没有那一家企业专门注明其生产的无刷直流电机可以用于电动助力转向系 统。 整理了与电动助力转向系统使用要求比较接近的无刷直流电机产品的参数以 及企业，具体如表2 _ 1 所示( 主要是标注的电压为1 2 v 的无刷直流电机产品) 。 5 江苏大学硕士学位论文 表2 _ - 1 无刷直流电机产品参数表 f r 抽2 - 1p a r a m e t e rl i s to fb l d c m 二兰竺兰鲎鳘釜兰篮 杭州和鑫电器技术有限公司 一 1 20 加25 0 0 - 一 一 东莞市有为电子有限公司 佛山南海科西亚数码电气有限 公司 佛山南海科西亚数码电气有限 公司 佛山南海科西亚数码电气有限 公司 余姚市双林电器塑料厂 深圳美莱克科技有限公司 上海决井机电有限公司 上海决井机电有限公司 上海决井机电有限公司 东莞宇鸿微电机有限公司 东莞宇鸿微电机有限公司 东莞宇鸿微电机有限公司 东莞宇鸿微电机有限公司 上海安乃达驱动技术有限公司 嵊州高轮电机有限公司 荆州恒隆汽车零部件制造有限 公司 东莞市宇鸿微电机有限公司 东莞市宇鸿微电机有限公司 东莞市宇鸿微电机有限公司 东莞市宇鸿微电机有限公司 淄博博山环讯电子电器有限公 司 东莞市必和必拓电机有限公司 驰卡沙电工( 深圳) 有限公司 淄博市博山新磁电机有限公司 博山天安 2 0 0 1 2 5 0 0 0 1 2 0 1 22 0 0 0 0 5 71 2 0 z w h l l 0 - 1 5 01 22 0 0 7 2 1 5 0 z w h l l m 5 0 0 g1 26 0 0 85 0 0 t o p 7 6 - 1 0 0 a t o p 7 6 - 1 2 0 a t o p 9 6 - 3 0 0 a y h w m 一8 m 1 2 - 1 5 0 y h w m 8 0 8 5 h y h w m 8 m z 仁1 5 2 y h w m 8 0 - 2 4 1 5 3 e h p s 3 2 0 y h w m - 5 m 1 二1 5 y h 飘飞b 3 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9 年6 月份开始生产无 刷直流电机，该电机是仿制三菱的产品。同时该公司也提出，e p s 用无刷直流电 机的控制器的研制是其软肋。根据该公司积累的大量经验，e p s 易在继电器、离 合器和控制器等处出现故障，该公司的有刷直流电机可保证使用大约三年时间。 2 青岛特派希电器有限公司 青岛特派希电器有限公司是韩国g g m 中国总代理，而g g m 公司在韩国电机 制造业中拥有龙头老大的地位，拥有三十年的电机制造经验，其产品品种繁多、 应用领域广泛、生产能力强大。现阶段，青岛特派希的无刷直流电机产品的价格 相对较贵，主要应用于医疗设备。其电机使用寿命长，可达3 万小时。通过座谈 了解到，无刷直流电机由于结构优于有刷电机，一般质量可靠，不会出现问题。 无刷直流电机出现故障的原因，一方面是在初始电机选配上存在失误，另一方面 是控制器的电子元件的问题。该公司也提到可以根据客户提供的电压、转速、功 率或扭矩、外形尺寸和工作环境等参数生产无刷直流电机。 7 江苏大学硕士学位论文 3 淄博科成电机电器有限公司 淄博科成电机电器有限公司坐落于我国重要的电机生产基地辎博博山， 专业从事微电机及减速电动机生产和销售，产品主要分为直流无刷电动机及微型 交流电动机，均可与该公司自行研制的高精度齿轮减速箱及电子控制器配套使用。 现阶段，该公司主要为工业设备提供无刷直流电机，例如风机。该公司生产的无 刷直流电机本体一般情况下也是不易出故障，当然在可靠性上尚无法与国外同类 产品相比，长期使用后，会产生噪音增大的问题。主要产生故障的部位仍是电机 控制系统的电子元件。该公司也可以根据客户的要求设计生产无刷直流电机。 2 3 调研分析及工作目标 调研表明，现阶段，国产并且能够满足电动助力转向系统使用要求的无刷直 流电机还很鲜见。额定电压1 2 v 的无刷直流电机，其额定电流、功率或扭矩满足 不了e p s 的要求；额定电流、功率或扭矩满足要求的，其工作电压满足不了；另 外，外形上也存在诸多的限制。有的厂家虽然声称可以生产满足e p s 使用要求的 无刷直流电机，但尚未形成批量，有的甚至是手工作坊式的生产，质量无法保证， 更无生产、使用经验。需要注意的是，有的厂家目前还没有额定电压为1 2 v 的无 刷直流电机，但在其网站上已发布了产品消息，给用户造成错觉。 无刷直流电机的可靠性的薄弱环节为：轴承、绕组绝缘以及驱动控制线路【1 3 1 。 而在实地调研中，现阶段单纯电机本体损坏的情况很少，根据企业里的经验通常 出现故障的是电机的控制线路部分，可以认为控制器的寿命决定着整个无刷电机 的使用寿命。一方面这是由于控制器的设计不完善，另一方面是由于无刷直流电 机的使用环境的恶劣，尤其在汽车中环境更加恶劣，造成控制器中的电子元件加 速损坏。设计时要充分考虑无刷直流电机的使用环境。 根据调研的结果，本论文的重点将是e p s 用无刷直流电机的控制系统的软硬 件设计。通过设计，一方面是要求该控制系统能够满足e p s 系统的使用，另一方 面对该控制系统进行改进，以期提高其可靠性，延迟整个系统的寿命。 2 4 本章小结 根据课题的要求，通过网络以及实地走访等多种手段对国产无刷直流电机的 8 江苏大学硕士学位论文 生产和使用情况进行调研，发现现阶段国产无刷直流电机多而杂，适合电动助力 转向系统用的电机很鲜见。在电机使用方面，控制线路的寿命通常就决定着电机 的寿命，从控制系统方面改进是一个很好的切入点。 9 江苏大学硕士学位论文 第三章e p s 系统用b l d c m 的数学模型的建立 电动助力转向系统是由机械转向部分、助力电机及e c u 等组成的复杂系统， 对e p s 系统和无刷直流电机控制系统进行具体的理论分析之前，介绍一下基本工 作原理，本文中所阐述的电动助力转向系统都是转向轴助力式的。 3 1电动助力转向系统的基本工作原理和主要结构 汽车电动助力转向系统是由蓄电池提供能量，主要包括机械转向部分、电动 机( 无刷直流电机) 、离合器和减速机构、电控单元( 咖) 、以及各种传感器等 部分，其中传感器主要有扭矩传感器、车速传感器、发动机信号传感器、采样电 流电路以及电动机转子位置传感器( 无刷直流电机特有) 等。e p s 系统结构示意 图如图3 - 1 所示。 图3 - 1e p s 系统结构不意图 f i 9 3 - 1 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fe p ss y s t e m 3 1 1 电动助力转向系统的基本工作原理 当驾驶员转动方向盘、意图使汽车转向时，安装在转向轴上的扭矩传感器将 作用在方向盘上的扭矩转变成模拟量的电信号，该信号经过a d 转换输入到e c u 中，同时车速传感器将采集到汽车速度信号转变成电信号也输入到e c u 中，e c u 根据输入的扭矩信号以及事先制定的控制策略经逻辑运算分析，得到适当的调整 1 0 江苏大学硕士学位论文 电机电流的p w m 值，并且根据输入的车速信号对该p w m 值再进行适当的调整， 最终得到最优的p w m 值并输出，以驱动电机为转向提供合适大小的助力，提供助 力的同时e c u 还要发出时离合器闭合的信号，以使助力能够传输到机械转向部分。 在使用无刷直流电机的e p s 系统中，e c u 还要根据转子位置传感器输入的信号来 驱动无刷直流电动机的转动。另外，电动助力转向系统的e c u 还要根据输入电机 采样电流信号、离合器故障输入信号等来判断e p s 系统是否出现故障，若出现故 障将输出使离合器断开的信号并停止输出驱动电机运行的信号，e p s 系统将转换 到完全由驾驶员的操作来使汽车转向的状态，同时e c u 输出故障代码。e p s 系统 工作原理如图3 2 所示。 图3 - 2e p s 工作原理不意图 f i 9 3 2 f u n c t i o n a ld i a g r a mo fe p s 3 1 2电动助力转向系统的主要构成 上文已提到电动助力转向系统的主要组成部分，下面详细介绍一下各个组成 部分。 1 扭矩传感器 扭矩传感器是用来检测驾驶员操作时加载在转向盘上的力矩以及转向。目前， 扭矩传感器主要有三种：非接触式、差动变压器式和电位计式，而电位计式扭矩 传感器又分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式【1 5 】【1 6 1 。这当中，扭杆式扭矩传感 器结构简单、成本低廉、可靠性好，应用较为广泛。 图3 3 展示的电位计式扭矩传感器的结构示意图。转向轴从中间断开，分为输 l l 江苏大学硕士学位论文 入轴和输出轴，中间有扭杆连接，扭杆上的导向销插入滑套的斜槽中，导向销既 可随扭杆一起转动，又可随滑套轴向移动。转动方向盘时，扭杆发生扭曲带动导 向销转动，导向销通过斜槽驱使滑套沿轴向移动。这样，扭杆的旋转变形就转变 为滑套的直线方向上的滑动，进而带动电位计的摆臂摆动，从而将加载在方向盘 上的扭矩转变为电压信号输出。扭杆的扭转角度上限一般设定为4 0 左右，当超过 这个角度时，限位机构起到保护作用。 - ： ( 矗) 转囱盘右转( b ) 转囱盘在中阊c c ) 转窃盘左转 卜电位计2 摆臂3 - - 导向销4 靛入轴5 一扭杆8 涝套7 斜槽8 输出轴 图3 - 3电位计式扭矩传感器结构示意图 f i g3 - 3 s t r u c t i l i a ld i a g r a mo fp o t e n t i o m e t e rt y p et o r q u es e n s o r 图3 4 电位计式扭矩传感器的电路原理图 f i 9 3 - 4c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m o fp o t e n t i o m e t e rt y p et o r q u es e n s o r 电位计式扭矩传感器的电路原理如图3 _ 4 所示。1 、4 端分别是输入端，分别 接+ 5 v 和接地，2 、3 端分别是输出端。当方向盘在中间位置时，2 、3 端输出的电 江苏大学顽士学位论文 压均为2 5 v ；当方向盘旋转时，2 、3 端输出的电压不再相等，两者存在差值。e c u 将采集到的2 、3 端的电压信号进行减法运算，得到的差动电压值可以用来决定助 力的大小以及方向。差动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。 图3 5 表示的是扭矩传感器输出特性曲线。 嘞出电压5 1 垂 4 i v 、了，1 2 i l 2 5 v l o 9 v 所, 7 f i i 3 ，、 i 、 l ，i j 。 一 1 08642246墨1 0 左礁扭杆的扭曲角右旋 图3 - 5 扭矩传感器输出特性 f i 9 3 - 5o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft o r q u es e n s o r 2 电磁离合器 电磁离合器的结构如图3 - 6 所示，主要由电磁线圈、主动轮、压板以及从动轴 等组成【1 7 1 。工作时，电磁线圈通电，吸引压板紧靠在主动轮上，这样主动轮、压 板和从动轴成为一体运动。当电磁线圈没有通电时，压板与主动轮不再接合，动 力传递将断开。在这里，电磁离合器出了负责传递动力，还起到了两个作用：1 ) 防止过载；2 ) 当电机系统出现故障时，离合器可以断开电机到机械转向装置间的 连接，提高了系统的可靠性。 l23 1 一滑环2 一电磁线圈3 压板4 花键5 一从动轴6 一主动轮7 一滚珠轴承 图3 石电磁离合器结构示意图 f i g3 - 6 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h 3 减速机构 江苏大学硕士学位论文 电机输出转速过高，而输出的扭矩很小，所以需要减速机构进行减速增扭， 以得到合适的转向系统的转速和扭矩。电动助力转向系统中使用的减速机构主要 分为双行星齿轮式和蜗轮蜗杆式两种形式。其中，蜗轮蜗杆减速机构传动平稳、 结构简单、体积小、成本低，应用较为广泛。 t 曩)b ) 图3 7 蜗轮式减速机构的结构示意图 f i g3 - 7 s t r u c m r a ld i a g r a mo f d e c e l e r a t i n gm e c h a n i s mw o r m - g e a rt y p e 4 车速传感器 目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，即使是机械式的也 可配装电子式车速传感器。 5 电子控制单元e c u 电子控制单元好比是电动助力转向系统的大脑，通常是由微处理控制芯片、 各传感器输入信号相适应的接口电路、微处理器内置的模数转换器( a d ) 和脉宽 调制器( p w m ) 、监测微处理器工作的监测电路、驱动功率放大器的脉宽调制驱动 电路和由场效应晶体管( m o s f e t ) 组成的h 桥电路等部分组成。负责根据各传 感器输入信号和事先固化好的控制算法，进行逻辑分析运算，输出指令，控制电 机和离合器等工作。 3 2 无刷直流电机的结构与基本工作原理 无刷直流电机的形式多种多样，但最典型的还是三相式的，因为它的效率较 高、转矩波动较小。本文以三相式的无刷直流电为例进行介绍。 1 4 江苏大学硕士学位论文 3 2 1无刷直流电机的结构 。 图3 8 所示的是内转子外定子式三相无刷直流电机本体的结构示意图。无刷直 流电机主要有电机本体、转子位置传感器和电子换相电路组成，电机本体主要包 括了：定子、转子以及转轴等。 转 轴 图3 8 无刷直流电机的电机本体结构示意简图 f i g3 - 8 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fb l d cm o t o r 定子是电机本体的静止部分，主要由定子铁心、电枢绕组等组成。电枢绕组 连接形式主要有星型绕组和封闭绕组( 在三相中就是y 型和型) 。当电机运行时， 电枢绕组通过变化的电流，其周围分布变化的磁动势，与转子的励磁磁场相互作 用而产生电磁力矩，同时由于电磁作用电枢绕组中也产生了反电动势。电枢绕组 的连接方式不同会产生不同的反电动势形式，分别是梯形波反电动势和正弦波反 电动势，这里我们主要考虑的是梯形波反电动势。 转子是电机的转动部分，包括永磁体、导磁体和支撑部件等，永磁体一般用 铁氧体或稀土合金磁体等制作而成，按一定的极对数( 2 p = 2 、4 、) ，n 、s 极 交替排列而成，它是产生磁场的核心部分。 无刷直流电机换相是电子形式控制的，需要确定转子的位置来控制哪一相绕 组导通，通常采用位置传感器来实现这一功能。无刷直流电机转子位置传感器的 种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等，使用较为广泛的是磁敏式霍尔传感器， 该种传感器利用霍尔原理，每当磁极经过传感器附件时，它便会发出一个高电平 或低电平信号，用以指示转子位置。在三相无刷直流电机中通常输出三路霍尔传 感器信号。 电子换相电路又称逆变器，根据转子位置传感器检测到的转子位置信号，使 得桥电路中的功率管按一定的逻辑顺序依次导通，以实现普通直流有刷电机的机 江苏大学硕士学位论文 械换相器的作用，保证电机的顺畅运行。 3 2 2 无刷直流电机工作原理 如图3 - 9 所示，以三相定子绕组星形连接的无刷直流电机为例，换相电路为三 相桥式电路。电机运行时，转子位置传感器检测转子的位置，控制器根据该位置 信号控制三相桥式电路中功率管的导通，进而导通定子绕组，产生变化的磁场从 而产生电磁力矩。 1 图3 - 9 无刷直流电机工作原理示意图c a ) a 图3 - 9 无刷直流电机工作原理不意图( b ) f i g3 - 9 f u n c t i o n a ld i a g r a mo fb l d c m 绕组总是两两通过电流，即上、下桥电路中总各有一个功率管同时导通，通 电时，一个绕组正向导通，而相应的另一个绕组反向导通。这其中，转子位置信 号每隔1 6 个周期( 6 0 。电角度) 换相一次，换相时有一个功率管保持导通而另一 个功率管关断，换另一功率管导通，即在一周期内每个功率管导通1 2 0 。电角度。 详细的转子位置传感器工作情况、功率管和各相绕组导通情况见表2 1 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 表3 - 1 三相无刷直流电机转子位置传感器、功率管以及绕组的工作状况 t a b3 - 1 s w i t c h i n gs e x l e n e e 电角度 位置信号( i - i , h 2 i - 1 3 ) a 相b 相c 相 功率管导通 绕组绕组绕组 6 0 。1 2 0 。 1 2 0 。1 8 0 。 1 8 0 。2 4 0 。 2 4 0 0 3 0 0 。 3 0 0 0 3 6 0 0 110 01o 011 001 lol q lq 6 q 3 q 6 q 3 0 2 q 5q 2 q 5 q +o o+ + 一 o o 一 _ o + + 注解： ( 1 ) 。+ ”表示正向导通： ( 2 ) “一”表示反向导通； ( 3 ) “o ”表示没有导通。 无刷直流电机中各相绕组通过的电流和反电动势的变化都与电机转过的电角 度存在一定的关系。例如，当电机运行到图3 - 9 ( b ) 中1 的时刻时，绕组导通的 顺序是a _ n c ，a 相绕组正向通电、c 相绕组反向通电，而b 相绕组不通电，即 功率管q 1 、q 6 导通，功率管q 2 、q 3 、q 4 、q 5 截止。a 、b 两绕组中的电流的 绝对值达到最大，而c 相绕组中的电流是上升的( 某相绕组中电流或升或降需要 视具体情况而定) ，与此同时a 、b 两相绕组所产生的反电动势的绝对值也达到最 大，c 相绕组的反电动势此时为零。上述是最理想的情况。其具体的示意图可以见 图3 1 0 。 1 7 1 0 0 h l li o 江苏大学硕士学位论文 o l o ；o ll ：o d ll o l ilt ill ：1 - 1 2 ； lil ii 入： 稠| ：重- 阁i - | i； i i i i i i t i l - - l l l i i l i i i 甜1 2 0 pl8 妒2 4 0 p 掰3 6 0 p 图3 1 0 位置信号、绕组电流和反电动势波形示意图 f i g3 - 1 0w a v ef o r mo fp o s i t i o ns e t l 8 0 1 s i n e , l o s , i d e a lb a c k - e m fa n dp h a s ec u r r e n t s 3 3e p s 无刷直流电机的数学模型 3 3 1 无刷直流电机的数学模型的建立 在建模前需要做出如下的假设【1 例：忽略铁心饱和；不计涡流和磁滞损 耗；转子上没有阻尼绕组；永磁材料的电导率为零；相绕组中的感应电动 势波形近似是梯形波，并且平顶部分占1 2 0 。电角度；三相绕组完全对称且相同。 可以将电机定子绕组简化为如图3 1 1 所示的电路。 l o l o l o 江苏大学硕士学位论文 图3 1 1 无刷直流电机的等效电路 f i g3 1 1 b r u s h l c s sd cm o t o re q u i v a l e n tc i r c u i t 无刷直流电机的电压方程为： 跳 其中，、 斟隆毒 三隆 + 匪 + 匿 分别表示三相定子绕组的端电压和三相中性点电 位( v ) ，f 、f 分别表示三相定子绕组的相电流( a ) ，r 、冠、r 分别表 adcadc 示三相定子绕组的电阻( q ) ，工、厶、l 分别表示三相定子绕组的自感；l 口dc 、。 z ， ( i 、j = 口、b 、c ) 表示i 、j 两相定子绕组问的互感，、分别表示三相 定子绕组的反电动势( v ) ，其大小与电机的转速以及转角有关，具体关系可以见 式( 2 _ 2 ) 、( 2 _ 3 ) 、( 2 - 4 ) 1 9 1 。 g z c o f ( o ) r o f ( o 一争 r o f ( o 一争 其中，k 表示反电动势系数( v r a d s ) ，表示转子的转角( r a