（电机与电器专业论文）低成本eps电机控制系统的实现与控制策略优化.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t 硎n g ( e p s ) i sas t a t e - o f - t h e _ a r tt e c h n o l o g yi na u t o 1 n d u s t r i e s c o m p a r e dt oc o n v e r t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( h p s ) ，e p s h a st h es l 畔n o r 埘o t 1 0 w e rf u e lc o n s u m p t i o n ，s i m p l e rs t r u c t u r e ，e a s i e ra s s e m b l y p r o c e s s ，a n d b e t t e r c o n 仃o l i a b i l i t y e p sa r et h u sb e i n gr e p l a c i n gh p s e x t e n s i v e l y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe p ss y s t e mw i t hl o w e rc o s ta n d b e t t e rp e r f o r r n a n c e1 sah o tp o i n to 士 t h ea u t oa n dm o t o ri n d u s t r i e s i nt h i st h e s i s ，d e v e l o p m e n to ft h ee p ss y s t e m ，p a r t i c u l a r l yt h ee p s m o t o ra n d c o n t r o ls v s t e m ，i sr e v i e w e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fe p s m o t o r , d e s i g no fe p sm o t o r c o n 舡o l l e r ，p o w e re l e c t r o n i cd r i v e ，a n d t h es t r a t e g yo fe p sc o n t r o l t h e n ，t h e c h a r a t e r i s t i e so fa i le p sm o t o ru s e di n t h el a b o r a t o r yt e s ts y s t e ma l ei n t r o d u c e d d e s i g no fc o n t r 0 1s y s t e m ，i n c l u d i n gc o n t r o la n d d r i v eu n i t ，p o s i t i o ns 饥s o ru n l ta n d c u r r e n ts e n s o ru n i t ，a sw e l la ss o m ep a r t i c u l a rd e s i g ni s s u e s ，a r ea l s od i s c u s s e d a n d d e t a i l e d as i m u l a t i o nr n o d l e w i t hd u a l c l o s e d 1 0 0 p c o n t r o l i se s t a b l i s h e do n m a t l a b s i m u l i l l l ( p l a t f o 咖i no r d e r t ov a l i d a t et h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o lf l o e ) o f t h e e p sm o t o rd r i v e t h ec o n t r o ls y s t e mi st h e ni m p l e m e n t e do bt h el a b o r a t o r y t e s t s v s t e mw i t ht h ed s pp r o g r a mw h i c hi sd e s i g n e db a s e do n t h es l 舢l a t l o nm o d l e m e a n w h i l e ，i no r d e rt oo p t i m i z et h ee p sm o t o rp e r f o r m a n c e ，t h r e ep u l s ew l d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n i q u e s ，v i z ，s i n e w a v ep w m ( s p w m ) ，s p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) a n d t h i r dh a r m o n i ci n j e c t e dp w m ( t h i - p w m ) a l ec o m p a r a t l v e l ys t u d l e d o nt h ec o n t r 0 1s y s t e m m o r e o v e r , t w oc o n t r o ls t r a t e g i e s ，v i z ，a d a p t i v ep ic o n t r o la n d c o n s t a n t - p a r a m e t e r sp ic o n t r o l ，a r ea l s oi n v e s t i g a t e d i t i ss e e nt h a tt h ec o l i t r o ls y s t e m e m p l o y i n gt h ea d a p t i v ep ic o n t r o la n ds v p w m c a ne x h i b i ta l lo u t s t a n d l n go p e r a t l o n p e 墒肌a n c e i na d d i t i o n ，an e w f o ct e c h n i q u e ，i nw h i c ht h ep h a s ec u r r e n ts e n s m g a 1 1 dt h e 口6 c 砌df a n l et r a n s f o r m a t i o na r en o tr e q u i r e d ，i sp r e s e n t e di n t h et h e s i s i t u s e st 1 1 eq a x i sc u r r e n t ( 岛) ，w h i c hi sd i r e c t l yo b t a i n e df r o mt h ed c - l i n k c u r r e n tf o r f o c t h e r e f o r e ，t h ec o s to ft h es y s t e ma n dt h ec a l c u l a t i o nl o a do f t h ed s pa r el o w f u m l e r m o r e ，也ep r o b l e m sc a u s e db yt h eu n e v e nm e a s u r e m e n tg a i n f o rd l n e r e n t d h a s e sa i l dt h el o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a u s e db y t h ec u r r e n tp u l s a t l o nd on o t o c c u r 锄vm o r e t h u s ，t h ec o n t r o ls y s t e me m p l o y i n g t h i sn e wf o cc a np e r f o r mw e i i k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g e p s ；p e r m a n e n tm a g n e t 夥n c h r o n o _ u sm o _ t o r v 浙江大学硕士学位论文 p m s m ；r e s o l v e r ；d s pc o n t r o l ；f i e l d o r i e n t e dc o n t r o lf o c ；p w m ；a d a p t i v ep i c o n t r o l ；c u r r e n ts a m p l i n g v l 浙江大学硕上学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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。 学位论文作者签名：五k 耘小司 签字日期：如，。年? 月 夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑姿盘堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 象1 丧叫 签字日期：w 年 了月7 日 i i 导师签名： 签字日期：2 矽踟年岁月a 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 首先向我的导师沈建新教授致以诚挚的谢意! 沈老师严谨、细致、专注、 勤奋，让我学到了很多超出学术以外的东西；他诲人不倦，不拘一格，总是真 诚地鼓励着学生去开拓和创新，并身体力行地给与学生充分的指导，真诚地对 待和关心每一位学生。几年之中，沈老师渊博的学识、严谨的治学态度、高度 的负责精神、理论联系实际的工作作风，以及对新兴科学技术的敏锐洞察力， 使我受益匪浅。 感谢航天电气与微特电机研究所的史涔激副教授、邱建琪副教授以及张爱 国高级工程师在我研究生阶段给予我的帮助，尤其感谢金孟加老师，为我的课 题研究的提供了很多的指导和帮助。 感谢已经毕业的博士研究生周凤争、王凯，硕士研究生马隽、方宗喜、黄 志文、李杭新在学术和生活上给与我的莫大的帮助和教导，让我得以顺利克服 许多自己无法解决的障碍；感谢在读的博士研究生王利利、汪昱、杨光、王灿 飞、纪科辉对我的帮助，在求是园学习的两年半的时间里因为有了你们，科研 生活变得丰富多彩。另外还要感谢师弟师妹们：郝鹤、夏冰、明月、李鹏、史 丹、陆媛等人，你们的睿智和勤奋必将助你们快速顺利地完成学业。 感谢同寝室的兄弟许明有、邹乾、赵伟，你们让我继续保持了良好的生活 作息习惯，并营造了一种家的温馨和舒适，让我们共同地进步。 尤其要感谢我的父母多年来对我的培养和支持，感谢我的妻子孟倩如在生 活上对我无微不至的关怀，在精神上对我的理解、支持与鼓励。在今后的学习 和工作中，我会更加努力。 同时感谢其他所有曾经给我以帮助、鼓励和支持的师长、朋友和亲人。在 学业即将完成之际，我向大家表示最诚挚的谢意。 u i 2 0 1 0 年3 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的及意义 助力转向系统是汽车工业历史上三大技术革命之一。现阶段最常用的助力转 向系统是液压式助力( h p s ) 系统，其最大的优点是运转平稳，驾驶者对转向盘的 手感很好。但这种转向系统也存在一定的问题：l ，液压泵由发动机直接驱动， 需要皮带传动，降低了发动机的加速性能且增加了油耗，并且在发动机未起动的 情况下无法工作；2 ，不转向时，泵仍然由发动机拖动，工质通过溢流阀返回， 白白损耗发动机的动力，效率低；3 ，系统结构复杂，需要油泵、油管、压力流 量控制阀、储油罐等部件，体积大、安装不便，而且可能因漏液造成环境污染； 4 ，h p s 系统的运行与发动机密切相关，因此每套系统须安装在汽车上进行整体 调试，而不能作为一个模块预先调试，所以影响整车的生产效率，维修和更换也 非常不方便。 近年来，电动助力转向( e p s ) 系统已逐渐成为汽车行业的一个热门话题。其 典型的原理简图如图1 - 1 所示。 方向盘 点火 信号 图1 - 1 典型e p s 系统原理简图 号 浙江大学硕士学位论文 e p s 系统具有节省电能、结构简单、适合模块化设计生产、输出的转速和转 矩精确可控等优点。与h p s 相比，省略了很多元件，没有h p s 所必须的液压源， 重量轻、布局方便。由于e p s 系统的动力输入源为电源，而不依赖于发动机的转 动，因此在发动机没有启动的状态下依然可以使用，不存在所谓的“寄生损失”， 可以节约3 5 左右的油耗。这样不仅提高了汽车的运行性能，系统整体调试 也可以独立进行。另外由于e p s 的元件数目少，生产成本较低，预计在未来几年 内将大量替代h p s 系统。但是e p s 系统的开发涉及到电机设计、控制系统设计、 程序开发和算法的优化、电路板的设计和制造工艺对系统稳定性与可靠性的影响 等方面，开发成本和难度较高，目前还需要做大量的研发工作【l 。3 】。 e p s 系统的实质是一个伺服电机驱动系统，首先根据车速、驾驶者在方向盘 上施加的转矩等各种参数计算出电机的转速和转矩给定量，准确地提供各种行驶 路况下所需要的最佳转向助力或阻尼；接着根据前一部分的给定量控制e p s 电 机输出相应的转速和转矩。这些都是在车载电子控制单元( e c u ) 的控制下完成 的，根据e c u 的运算速度可以加入不同的高级算法。因此对于h p s 所存在的问 题，e p s 系统均可以很好地解决。首先是h p s 在汽车高速行驶过程中产生的方 向盘发飘的问题。h p s 在汽车低速的时候方向盘转动很轻便，而高速的时候轮胎 的横向阻力小，方向盘变得太轻，很难捕捉到路面的感觉，造成转向过于灵敏而 使得汽车不容易控制。因此需要在高速的时候减小转向助力并增大方向盘回正时 的转向阻尼，这在h p s 系统上实现很困难，而对于e p s 系统，仅需要在控制程 序中加入相应的控制算法即可。其次是应用h p s 的汽车在行驶过程中方向盘松 手回正时产生的前轮摆头现象。由于松手回正过程中转向轮是在车轮回正力的作 用下自由回正的，而车轮本身存在回正惯性，所以车轮在回正过程中会出现在中 心点位置逐步衰减摆头的现象。对于e p s 系统，可以增加位置闭环控制及其相 应的控制算法，精确地令车轮回正至中心点位置而不出现摆头现象【4 】。 对于现阶段的e p s 系统开发，基本分成两个部分进行：第一部分是e p s 电 机驱动系统，第二部分是助力传动系统。其中第二部分可以通过改进h p s 系统 从而达到设计要求。因此开发的重心和难点均在第一部分的e p s 电机驱动系统。 当前的大多研究均基于e p s 电机驱动系统中的某一部分进行，而对于电机驱动 系统的整体开发、成本控制等的整合研究文献较少；且国内对e p s 电机驱动系 统的研究尚处于起步发展阶段，对该系统的研究有着较为重要的意义。本文主要 2 浙江大学硕士学位论文 就是对e p s 电机驱动系统的设计、优化及成本控制等方面进行了研究。 1 2e p s 电机驱动系统的研究和发展 e p s 系统于1 9 8 8 年由日本光洋( k o y o ) 公司首先推向市场。该公司推出了一 种小型车使用的转向轴式电动助力转向系统，由转向轴与一个直流电机驱动系统 构成了一体式设计结构，其主要目的是为了解决小型车由于空间限制而无法安装 h p s 系统的问题。随着助力转向系统的广泛应用，e p s 系统在紧凑型汽车中的应 用也越来越广泛。1 9 9 6 年以后，欧洲越来越多的由于空间限制而无法安装h p s 系统的小型车上开始安装e p s 系统。2 0 0 2 年第一辆安装e p s 系统的小型s u v 在美国投入市场。 最初e p s 系统只在安装h p s 系统存在困难的车型上应用。而随着e p s 越来 越广泛的应用，其优点逐步被人们所认识。由于e p s 系统具备操纵的稳定性、 转向的轻便性，行驶的安全性，因此越来越多的知名转向器公司将目光投向了 e p s 系统的研发中，目前日本精工( n s k ) 公司、光洋( k o y o ) 公司、爱信( a i s i n ) 公司、美国的t r w 公司、德尔福( d e l f ) 公司、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司、 德国的z f 公司等均在大力发展e p s 系统。 目前国内e p s 尚处于起步阶段。2 0 0 0 年，昌河北斗星厢式货车安装了国内 第一部正式推向市场的e p s 系统，由于它在转向方面的性能优越，很受客户欢 迎，至2 0 0 3 年销量已达六万台。目前多家高校和世宝、金杯恒隆、飞宁等国内 大型转向器生产厂家开始合作立项或独立研发e p s 系统【3 一。 现阶段常用的e p s 驱动系统多使用异步电机驱动系统、有刷直流电机的驱 动系统和无换向器电机的驱动系统。奔驰等公司曾采用过异步电机e p s 驱动系 统，该系统有着电机结构简单、坚固耐用、控制器简单、无需位置传感器等优点， 但由于异步电机在低速时的性能很差，最终并没有大规模的使用，仅在部分车型 上小规模验证。在低端的应用中常采用有刷直流电机，这种电机采用h 桥功率 驱动控制，有着控制简单、成本低的特点。但电刷的寿命制约着电机驱动系统的 使用，同时由于电刷换向时产生的电火花也会对e m c 造成影响，严重时会干扰 其他车载电子产品，因此只有在较低端汽车上才会使用。在高端的应用中，则多 使用无换向器电机，由于省略了电刷，其寿命，稳定性和e m c 特性均有大幅提 高。无换向器电机可以分成两类：无刷直流电机( b l d c m ) 和无刷交流电机 3 浙江大学硕士学位论文 ( b l a c m ) ，后者也称作永磁同步电机( p m s m ) 。两者的本体设计和功率驱动部分 基本相同，只是前者在转子位置检测和电流检测方面要求较低，因此在成本方面 比p m s m 有优势。但b l d c m 在运行时存在输出转矩脉动，会对驾驶员的手感 造成不好的影响。因此虽然此前国内外曾推出过基于b l d c m 的e p s 驱动系统， 但始终无法大规模使用。目前国内外研发的e p s 驱动系统均是基于p m s m e p s 电机驱动系统采用汽车电瓶供电，因此供电电压多为1 2 v 对于中型车 通常需要约5 0 0 w 的p m s m 作为e p s 电机，当效率为6 0 时，电流则接近7 0 a 。 如此大的电流，对电机设计和控制器设计均提出了较高的要求。对于大型车虽然 电瓶电压通常为2 4 v ，但所需要的功率等级也随之提高，电流依然较大。目前汽 车工业趋向于将整车电压提高至4 2 v ，以减小输出的电流。目前对于混合动力汽 车，电压等级已经增加至2 8 8 v 。无论是4 2 v 还是2 8 8 v 电压等级下，e p s 电机 驱动系统的开发难度均要比现在低。而目前在1 2 v 2 4 v 供电的低压大电流的应 用前提下，开发成本低、性能良好、运行稳定的e p s 驱动系统成为当代汽车电 气和电机控制行业的一大难点和重要的研究方向i s - 1 2 。 1 3 国内外e p s 电机设计和驱动控制的研究成果 1 3 1e p s 电机本体设计研究成果 目前e p s 电机的设计和驱动均基于p m s m 的优化设计加精确矢量控制的实 现。 p m s m 是较为成熟的电机结构，有着高功率密度和高效率的优点，其典型 截面图如图1 2 所示。由于转子铁心在较低的转速时涡流非常小，且对电机运行 不会造成影响，因此可以采用实心设计。通常与轴共同加工，以增加机械强度。 定子与异步电机相似，其绕组形势可采用集中绕组或分布绕组，具体情况根据电 机的设计要求决定。文献【1 3 1 5 】对h a l b a c h 式的永磁体结构做了阐述。h a l b a c h 永磁体结构的每个磁极是由多个按特定充磁方向顺序排列的永磁体块组成，共有 两种实现方式：一是预充磁的永磁体块按一定充磁方向顺序排列而成，二是对一 整个未充磁的永磁体环进行连续顺序充磁。显然第二种方法可以得到理想的气隙 磁密且机械强度更好，其加工方法是将特殊加工的磁环经过预充磁，使得磁环在 非面向气隙的一侧的磁力线从磁环内部穿过，然后再按照预充磁的方向进行充 磁另外由于h a l b a c h 式永磁体可以产生“聚磁”作用，即增强永磁体特定位置的 4 浙江大学硕士学位论文 磁密，因此可以的提高永磁体的利用率。 图1 - 2p m s m 电机原理图 齿槽转矩( c o g g i n gt o r q u e ) 是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互 作用产生的转矩，是由永磁体和电枢之间相互作用力的切向分量的波动引起的。 齿槽转矩是永磁电机的通病，因此在e p s 电机的设计方面，削弱齿槽转矩是研 究的重点。国内外大量的文献 1 6 - 2 3 1 对此进行了研究，削弱齿槽转矩的方法可归纳 为三大类：改变永磁磁极参数、改变电枢铁芯参数、以及合理的组合电枢槽数和 极数。 1 ，改变磁极参数的方法主要是通过改变对齿槽转矩起主要作用的气隙磁 密的高次谐波分量的幅值从而达到削弱齿槽转矩的目的。具体方法包括优化 磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、不等极弧系数组合等。 2 ，改变电枢铁芯参数的方法是主要是改变对齿槽转矩起主要作用的- 9 有 效气隙长度、永磁体充磁方向长度相关的高次谐波分量g 。具体方法有改变槽 1 2 i 宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅助槽等 3 ，合理组合槽数和极数就是优化如和g 从而达到削弱齿槽转矩的目的。 实际使用中可以采用单一的方法，也可以采用多种方法的组合 另外e p s 的高功率密度也是设计的难点之一。由于体积的限制和功率的要 浙江大学硕士学位论文 求，电机内导线的电流密度会达到1 5 a m m 2 以上。如此高的电流密度在一般的 驱动系统应用中是不允许的，因为此时的导线发热较为严重，如果热量不能及时 散出去，会导致导线的绝缘层破损而引起匝间短路。但是在e p s 应用中，电机 处于间歇运行状态，仅在原地移车时会连续满载运行，且时间通常不会超过1 0 分钟，大多数时间均为不运行。因电流密度可以设计为正常值的3 倍左右，约为 18 a m m 2 。 p m s m 可分为面贴式永磁同步电机( s p m s m ) 和内嵌式永磁同步电机 ( i p m s m ) 。其中s p m s m 的电感较小，且d 轴和g 轴电感相同，不存在磁阻转矩， 对于精确定位有一定的优势；且转子结构简单，易于加工，但对于极对数较多的 永磁体进行h a l b a c h 充磁时的精度要求较高，否则容易引起电机脉动转矩的增加。 而对于i p m s m ，由于q 轴电感可以远大与d 轴电感，可提高电机输出转矩，且 其弱磁性能优于s p m s m ；结构稳定，适合中高速运行；各相磁钢为相同的平行 充磁的方形磁钢，便于加工，充磁精度可以保证，也有助于保证工艺的一致性 2 3 - 2 9 1 。在实际应用中，根据不同的应用场合和要求，可以灵活选用这两种不同的 结构。 1 3 2e p s 电机控制系统的研究成果 e p s 电机驱动系统的实质就是一个数百瓦功率等级的p m s m 伺服系统，对 于控制系统的各个部分均需要较高的精度；另外由于汽车电子对可靠性的要求较 高，实验室常用的一些元件由于可靠性不够而无法应用于e p s 系统中。 e p s 电机驱动系统，具体可分成以下几个部分。 1 ，控制和驱动单元 由于控制系统需要采用较为复杂的算法，普通的b l d c 控制芯片、c p l d 和 单片机等均无法达到要求，因此需要采用d s p 作为控制元件。目前在运动控制 中应用最为广泛的是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列d s p ，相关的参考书籍、应 用文档、参考例程和参考文献均非常丰富。虽然程序可移植性较好，但编程过程 较为复杂，对于从未接触过t i 的d s p 的人，上手比较困难。另外由于其成本偏 高，对于e p s 电机控制系统来说并不适用。i n f i n e o n 的x c 2 0 0 0 系列d s p 和 f r e e s c a l e 的5 6 8 0 0 e 系列d s p 都是专为电机控制设计的d s p ，采用交互式编程界 面，编程简单、容易上手，且价格便宜、外围电路简单，非常适合e p s 电机控 6 浙江大学硕士学位论文 制系统应用。【3 0 3 3 等技术文档为d s p 的应用提供了非常有价值的参考，官方 网站上也提供了丰富的参考例程，大大简化了开发难度。但相关的参考书籍和文 献较少。 电机驱动单元采用传统的三相全控桥式逆变电路，根据成本和额定电流的要 求，需要选用额定电流1 5 0 a 左右的m o s f e t 。i r 公司生产的i r l 4 0 5n m o s f e t ， 其额定电压5 5 v 、额定电流1 6 9 a ，且价格便宜，非常适合e p s 系统的应用。另 外由于驱动系统的电流大，驱动电路中功率线的布局和优化以及散热器的选择均 有较高的要求，需要采用一定散热能力的散热片或其他一体化散热系统，必要时 还需要使用强制风冷散热。 2 ，转子位置检测单元 对于b l d c m ，只需要采用3 个锁存型霍尔元件即可实现位置检测以实现功 率管换相，结构简单，价格便宜。而对于p m s m ，控制策略通常采用磁场定向 控制( f o c ) ，因此需要高精度的转子位置检测单元。e p s 系统的实际应用环境较 为恶劣，温差大、振动严重，因此常用的光电编码器不能在e p s 系统中使用。 为了得到高精度的位置信号，一般采用旋转变压器。如丰田公司开发的e p s 驱 动系统采用的就是与电机极对数相同的7 对极旋转变压器，配合独立的旋转变压 器数字转换( r d c ) 芯片，每个电周期数据精度可达1 2 1 6 位，性能优异。常用的 r d c 芯片有a d l 2 0 0 和a u 6 8 0 2 n i ，应用非常方便。但该类芯片为模拟数字共 存芯片，容易引起干扰。其外围模拟电路对元件的精度较为敏感，调试难度较大。 由于d s p 引脚有限，并行通讯并不合适，因此r d c 芯片与d s p 之间的通信常 采用s p i 通信模式。s p i 通讯为串行同步通讯，其时钟频率通常为1 m h z 的频率 等级。这样高的通信频率很容易受到外部电磁波的干扰。因此屏蔽电磁波，保证 信号完整性也是调试的重点。文献 3 4 3 9 对旋转变压器的原理和应用做了详细的 阐述。 3 ，电流检测单元 e p s 电机控制系统要求输出的转矩脉动小从而为驾驶者提供较好的控制手 感，而电流检测的精度对系统性能有着至关重要的影响。由于e p s 系统的成本 要求，霍尔效应电流传感器价格过于昂贵，并不适用于该系统，因此需要采用采 样电阻检测电流。现常用的电流检测方法包括电机线电流同步采样和直流母线电 流采样。电流同步采样将采样电阻置于逆变器三相驱动桥臂的下端，电阻一端与 7 浙江大学硕士学位论文 控制电路共地。由于只有下管导通时刻电流才会通过电阻，因此需要在下管导通 的中间时刻对电流采样，此种技术为传统应用技术，在各类d s p 应用文档里叙 述较多3 0 - 3 3 1 ，但科技文献研究较少4 0 - 4 2 1 。直流母线电流采样，即采样电阻置于直 流母线滤波电容和逆变器之间，根据功率管不同的开关状态，判断直流母线电流 所对应的相电流，目前国内外有大量的文献 4 3 - 4 9 】对此种采样控制方法进行了阐述 和优化。由于这两种电阻采样方法的采样电流均为大功率脉冲电流信号，且采样 电阻阻值较小，因此电阻两端电压信号中的干扰较大。虽然经过滤波，仍会对采 样精度造成影响，需要合理设置滤波时间常数，即保证滤波效果，又要保证有效 信号不丢失。文献【5 0 】研究了采用m o s f e t 内置电流检测单元及其相应的相电流 的重建原理和优化过程，但该种m o s f e t 很难采购，且价格高，不适合批量生 产。 p m s m 电机的控制策略通常采用磁场定向控制或直接转矩控制。前者是e p s 电机控制系统最常用的控制策略，需要进行坐标变换，将静止的三相坐标系变换 为两相静止的t ；t 叫矬标系，也可以变换成随着转子旋转的小g 坐标系。在这两种常 见的电机两相坐标系下，电机内相互耦合的电压和电流等参数都可以进行解耦； 且在正9 坐标系下，复杂的随着转子位置变化的参数均可以转变为恒定的直流量， 减少方程的数量并简化了控制策略。磁场定向控制即通过对电机三相电流采样计 算得到电机的主磁通的方向，以此确定所需要的g 轴电流和d 轴电流，从而分别控 制电机的输出转矩和磁通。磁场定向控制有着控制精度高，运算量低的优点，但 对于电流采样和转子位置检测的精度要求较高【5 t - s s 。 对于e p s 系统，由于存在多个反馈量，包括电流、转速、位置和转矩，因 此电机控制系统属于多重闭环控制系统，其中最基本的闭环系统为电流闭环和转 速闭环，也是e p s 驱动系统调试过程中最核心的闭环系统。e p s 用s p m s m 的 转速、电流双闭环系统的典型控制框图如图1 3 所示。图1 3 中的转速控制器和 电流控制器常采用传统p i 控制器。静态稳定性和动态响应对p i 参数的要求往往 互相矛盾。文献 5 9 6 5 对自适应p i 控制器；神经网络模糊控制器及神经网络p i 控制进行了研究，从而解决了静态稳定性和动态响应之间的矛盾。 8 浙江大学硕士学位论文 图1 3s p m s m 电机转速电流双闭环控制系统 p m s m 电机的驱动需要采用p w m 技术，不同的p w m 技术会对电机的运行 效率和电压利用率产生不同的影响。常见的p w m 技术包括正弦波脉宽调制 ( s p w m ) ，空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 和三次谐波注入脉宽调制( t h i p w m ) 。 s p w m 为最基础的技术，适合模拟生成；s v p w m 则是随着数字控制技术的成熟 而逐步得到广泛的研究与应用，目前技术成熟，文献 6 6 7 4 对s v p w m 的原理、 仿真和实现做了详细的阐述和分析；而t h i p w m 最早于1 9 8 4 年在文献 7 5 】中提 出，其效果与s v p w m 相似，均可以提高电压利用率从而提高电机的运行效率。 1 4 本文研究内容 根据e p s 电机的实际应用要求，设计并开发整套e p s 驱动系统，包括对选 用的样机进行电磁仿真校验和控制驱动器的设计开发。本文对系统开发过程进行 详细的介绍，并对驱动系统的控制策略的优化过程进行阐述。同时针对电流采样 中存在的问题提出了一种新型基于低成本电流采样的磁场定向控制方法。 全文内容安排如下： 第一章介绍了助力转向系统的概况，综述了电动转向助力( e p s ) 系统的发展 状况及技术优势；综述了e p s 电机驱动系统的研究和发展；综述了e p s 电机设 计和驱动控制的研究成果。 第二章首先介绍了e p s 电机的数学原模型；接着介绍了根据应用要求所选 用的e p s 样机的基本结构和性能参数；最后对电机进行了电磁仿真，并对比了 h a l b a c h 充磁的磁环和平行充磁的磁瓦对气隙磁密的影响 9 浙江大学硕士学位论文 第三章介绍了电机控制器与驱动电路的原理与设计方案，并着重介绍了对 e p s 电机驱动系统性能影响至关重要的电流采样单元和转子位置检测单元的特 点，以及两者的工作原理和设计方案。 第四章首先介绍了磁场定向控制( f o e ) 的原理和基本控制策略。接着在 m a t l a b s i m u l i n k 平台下建立转速电流双闭环控制系统模型，根据仿真系统设计的 电机控制程序在第二、三章中搭建的硬件平台上实现f o c 控制策略。接着对控 制系统进行优化，先对三种常见的p w m 技术在系统中的应用进行对比研究，接 着对固定p i 调节和自适应p l 调节在电流闭环和速度闭环中的应用进行对比研究 以优化系统。 第五章在对比分析传统交流电机电流闭环控制系统中的电流采样技术的基 础上，提出了新型基于低成本电流采样的磁场定向控制方法。此方法利用母线电 容的滤波效应，对电容前端电流进行采样后，根据电机的运行状态进行判断计算， 并以此作为q 轴电流，实现电机的电流闭环控制。并根据g 轴电流和d 轴电流的 关系进行弱磁控制。 第六章对全文所研究的内容进行了总结，并对今后的研究前景进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章e p s 电机的测试与仿真 2 1 e p s 电机的数学模型 本系统中所需要的e p s 电机为面贴式永磁同步电机( s p m s m ) ，其截面原理 图如图2 1 所示。p m s m 又称为正弦波电流驱动永磁无刷电动机，相对于方波电 流驱动永磁无刷直流电动机( b l d c ) ，s p m s m 避免了电流换向时产生的较大转矩 脉动，具有更理想的伺服驱动性能。 图2 - 1s p m s m 电机截面图 p m s m 的定子与普通异步电机相似，可采用集中绕组或分布及短距的三相 对称定子绕组，以得到接近正弦的相电动势。采用转子斜极或者定子斜槽等措施 以降低齿槽转矩、振动和噪声。根据电机对空间、电磁功率、槽满率等的要求， 可灵活采用不同的定子结构。转子结构可分为表面磁钢式转子结构( s p m s m ) 和内 嵌式磁场转子结构( i p m s m ) 。在一般转速下转子铁心内的涡流损耗很小，因此可 采用实心铁心，通常与轴一同加工以提高可靠性。对于s p m s m ，其转子铁心外 部贴有永磁磁钢，用以产生气隙磁场。气隙磁场应为正弦型磁场，对于1 对极 p m s m ，只需对永磁磁环平行充磁即可实现 7 6 - 7 7 1 ；而对于多对极p m s m ，可采用 多块非同心磁瓦平行充磁以实现正弦磁场，也可以采用永磁磁环进行多对极正弦 浙江大学硕士学位论文 波充磁即h a l b a c h 充磁。因此如何实现精确地产生正弦形气隙磁场，在设计和加 工工艺上均有较高的要求1 6 - i s 。而对于i p m s m ，磁钢多为矩形磁场，通过优化 埋入深度和隔磁槽的形状，以产生正弦型气隙磁场，有利于工艺的一致性【2 3 也9 1 。 对于s p m s m ，其电压可以表示为 , 尉= y c o s ( 啡，) 豁舾玑。s ( 叫一争 ( 2 1 ) 扰鲥砒o s ( 州一争 其中u s a 。u s b 。墩分别为电机定子相电压，v 是电机定子电压合成矢量的幅值。为 了能够产生旋转的定子磁通，相电压互相之间的相位差为1 2 0 。，这点与电励磁 同步电机和异步电机相同。则单相电压方程为 ；，= 足，+ 些d t = 震f + ( 呈a c t ( f + 匕( 口) ) ( 2 2 ) 其中甲册为永磁体在每相绕组中匝链的磁链的幅值，要匕( p ) 的值对应于电机的 旋转电压即反电势，也可以表达为堡竽皱，其中娩为电机的电角速度。 可以看出，输入给电机的电磁功率一部分会在传输过程中以热量的形式损耗 掉，对应于公式( 2 2 ) 中r f ；还有一部分以能量的形式存储在磁场中作为电机能量 交换的媒介，对应于公式( 2 2 ) 中的_ d l i ；其他部分则转变为机械能产生输出转矩。 对于s p m s m ，为了可以有效地减小电机的转矩脉动并可以应用高级的控制 策略，通常将电机的反电势设计为正弦波，则该反电势可以表示为 e 嘲一匕 = i 毛( 9 ) i = 一q 匕 lt ( 目) i s i n ( o , ) s i n ( g 一等 s i n ( 包一等 = q 匕k ( 包) 】 ( 2 3 ) 晓是转子d 轴与定子a 轴之间的电角度，此时电机的电磁转矩为 = p k ，匕k ( 包) 】= p l ( l k ( 9 ) + 厶蚝( 口) + l k a o ) ) ( 2 4 ) 其中p 是电机极对数，当p m s m 的定子相电流为正弦驱动电流时，该电流 矩阵可以表示为 1 2 浙江大学硕士学位论文 限，惜 i ss i n ( o 。f ) ，ss i n ( 魄f 一_ 2 n ) j 小i n ( 叫一等) 则此时的p m s m 输出的电磁转矩则为 气 t = 詈夕匕 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由此可见，在理想状态下，对于正弦电流驱动的正弦波电机，可以产生一个 无脉动的恒定电磁转矩输出。 在能量转换过程中产生的转矩被用来驱动机械负载。其输出转矩可以表示为 乙= 吨一，等 ( 2 - 7 ) 其中杨为阻尼系数，为转动惯量，锄是机械角速度，o r a = p o e 1 6 - 1 8 。 2 2 e p s 样机测试与电磁仿真 e p s 系统中电机的应用要求如表2 1 所示 表2 - 1e p s 电机应用要求 总长度( m m ) 1 5 0 机壳外径( m m ) 8 5 额定电压m 1 2 额定功率( w ) 5 4 0 额定转速( r r a i n ) l l 额定转矩( n m ) 4 7 齿槽转矩( n m ) o o l反电势谐波t h d1 本文根据要求所选用的安装有旋转变压器的样机如图2 2 所示，其基本参数 如表2 2 所示。 浙缸太学硕士学位论立 图2 - 2 安装有旋转变压器的e p s 样机 表2 - 2 e p s 样机基本参数 额定功率f w )定予内径( r a m ) 额定直流电压p c ) 韩于井径t a r a ) 额定转速( r m i n )铁心叠长t r a m ) 额定直流侧电流( a 】气隙( m m 】 额定转矩( n m )磁铜厚度( r a m ) 定子外径( m a l l 匝盘 该样机采用常见的9 槽6 极o 6 ) 结构，定子采用集中绕组的闭口槽结构以达 到齿槽转矩的设计要求。样机定子壹片采用5 0 w w 4 7 0 牌号的硅钢片，其结构如 图2 - 3 所示，为7 加工方便，定子铁心分成9 段，每段绕上线圈后再拼接成一个 整体。 浙江大学硕+ 学位论文 图2 - 3 电机定子叠片结构 转子磁环选用剩磁密度研为0 6 4 t 的各向异性粘结型钕铁硼永磁体，采用 h a l b a c h 充磁方式实现3 对极的正弦磁场。转子磁环的结构和充磁方向如图2 4 所示 图2 - 4h a l b a c h 充磁的转子磁环 为了了解该样机的性能及特点，需要对样机进行电磁仿真和测试。e p s 样机 的仿真中令定子采用图2 3 所示的定子叠片结构，转子采用图2 4 所示的h a l b a c h 充磁磁环。h a l b a c h 永磁体的磁化强度m 可以表示为 m = m ，e ，+ m 护e 乎 ( 2 8 ) 其中e ，和为极坐标系下的单位坐标矢量，m ，= c o s p o ，m 护= + s i n p 0 ，p 为电机极对数。+ 表示内磁场h a l b a c h 结构，表示外磁场h a l b a c h 结构1 1 3 - 1 5 】。 浙江大学砸十学位论立 根据h a m a c h 充磁方式进行设定充磁角度，其仿真气隙磁场分布如图2 - 5 所示 电机内部静态磁链分布围如图2 - 6 所示可以看出，主磁通全部从磁环内通过 在磁环外部产生气隙磁场，而转子轴内的磁密很低。 国2 6 电机内部静春磁链分布 e p s 样机的仿真和实测的单相反电势对比波形圈如图2 7 所示。可以看出， 仿真反电势为非常完美的正弦波，但实测反电势电压波形存在一定的畸变电机 齿槽转矩的仿真和实测波形对比如图2 - 8 所示，虽然仿真结果达到了电机对于齿 槽转矩的设计要求，但实验结果却达到了仿真值的4 倍左右，超出了设计要求 浙江大学硕士学位论文 这些主要是转子永磁磁环进行h a l b a c h 充磁时并不精确引起的，因此提高永磁体 加工及充磁工艺对于电机性能的提高有着至关重要的影响 耀 t n o 、 寐 御 赵 蕊：誉缓暑_ 0 ：o 过i0 一j j j 澎! 时间( 1 0 m s 格) 图2 7 仿真相反电势( 5 8 8 r m i n ) 转子机械角度( 1 0 度格) 图2 - 8 电机齿槽转矩实测波形 除了h a l b a c h 充磁方式，还可以通过采用非同心磁瓦平行充磁的方法得到正 弦形气隙磁场，如图2 - 9 所示。在采用相同体积的磁钢的情况下，额定转速下两 种充磁方式所产生的气隙磁密对比波形如图2 1 0 所示。通过对比发现，当两种 结构的转子均采用b 为0 6 4 t 的永磁体且永磁体用量相同时，磁瓦式转子的气 隙磁密仅能达到0 5 4 t ，而h a l b a c h 则可以达到0 6 4 t ，几乎与研相同。这是因 为h a l b a c h 具有增强特定位置磁密的“聚磁”作用，可以提高气隙磁密的峰值，因 浙扛太学硕士学位论文 此有着很高的永磁体利用率 誊 邕 相 檀 篷 f 圈2 - 9 采用平行充磁磁瓦的转子结构 一f繁矗除j 穗 、 。卜k 厂 、 聊 一_ 掣。_ 一j 、 时间( 1 0 m 一格) 图2 一1 0 气骧磁密的变化曲线 另外磁瓦式转子结构还有其他的缺点：1 ，转子由多块