（电力电子与电力传动专业论文）eps稀土永磁无刷直流电动机研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t e i e c 啊cv e h i c l e sa r ean e wk i n do fh i g h t e c hp r o d u c t i o n , p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n d s a v i n ge n e r g y , w h i c h w o u l d r e p l a c et h ea u t o m o b i l ef u e l e dw i t hg a s o l i n ec o n s e q u e n t i a l l y a tp r e s e n t ，m a n yc o u n t r i e sa r ec o m p e t i n gi nd e v e l o p i n ge l e c t r i cv e h i c l e s t h e yh a v e a l r e a d yc a r r i e do nm i n u t e l yl u c u b r a t eo nh y b r i dv e h i c l e sa n dp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m i so n e o f t h ep i v o t a l p a r t so fe l e c t r i cv e h i c l e s ，a n d i tc o n t r o l st h e , c a r sr o u t ea n dd i r e c t i o n , w h i c hh a sb e i n gt h es t a n d a r dc o l l o c a t ei n m i d d l ea n dh i g h ? g r a d ec a r s e p sc a na l s ob ee q u i p p e di nt h ea u t o m o b i l ef u e l e dw i t h g a s o l i n e t h er e s e a r c ha b r o a do ne p sh a sb e e nc a r r i e do nf o rm a n yy e a r s ，a n dt h e m a t u r e p r o d u c t h a sb e e n g o t t e na n dp r o d u c e d i nb a t c h i ne p s ，t h em o t o ri sc o n t r o l l e db ys e n s o rs i g n a ld e t e c t e db ye l e c t r i cc o n t r o lu n i t e l e c t r i cc o n t r o lu n i ta n dm o t o rm a k e u pt h ee p s i tc a nb ec o n c l u d e db yc o m p a r i s o n t h a tr a r e - e a r t hp e r m a n e n t - m a g n e tb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) i ss u i t a b l et o d r i v e e p s p u l s a t i n gt o r q u ei sak e yt a r g e tw h i c hd e p u t i z e st h eb l d c m sp e r f o r m a n c e a st h es e r v o m o t o ri ne p s ，i t s p u l s a t i n gt o r q u es h o u l d b es m a l la sp o s s i b l e t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n ds t a t u sq u oo fv e h i c l es t e e r i n g s y s t e m ，i n t r o d u c e s i nd e t a i ls e v e r a lk i n d so fa s s i s t a n tm o d e sa n d a s s i s t a n tf o r c e c h a r a c t e r i s t i c ，d i s c u s s e st h es e l e c t i o no fe p s m o t o r ；a n dr e s e a r c h e st h eh a r d w a r ec i r c u i t t o g e t h e rw i t hc o n t r o ls t r a t e g i e so fe p s ，i n t r o d u c e si nd e t a i lt h eb l d c m so p e r a t i n g t h e o r ya n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ；d i s c u s s e st h eo r i g i n so fb l d c m sp u l s a t i n g t o r q u e ，e s p e c i a l l yc o g g i n gt o r q u er e l a t i o n s h i p ，t h e ni n t r o d u c e st h em e t h o d st or e s t r a i n p u l s a t i n gt o r q u ef r o mt w oa s p e c t s ；b a s e do nt h eb l d c m sm a t h e m a t i cm o d e l ，t h e s i m u l a t e dm o d e lh a sb e e ns e t u p ，t h e n d i s c u s s e st h ei n n 咿晚o fp a r a m e t e r so nt h e p u l s a t i n gt o r q u e ；a n a l y s i st h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so fe p sb l d c m s ，t h e nd e s i g n e d t h em o t o r u s i n g “f i e l d - c i r c u i t ”u n i t e t r d e s i g nm e t h o d ，t r i a l - p r o d u c e ss e v e r a lm o t o r sw i t h t w ok i n d so fs t r u c t u r e sa n d p o w e rs p e c i f i c a t i o n s ，a l s od i s c u s s e si t sm a n u f a c t u r ep r o c e s s ， l l 湖北工业大学硕士学位论文 a n d c o m p a r e s t h et w os t r u c t u r e sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s 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 gs y s t e m ，r a r e e a r t hp e r m a n e n t m a g n e tb m s h l e s s d i r e c tc u l t e n tm o t o r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，p u l s a t i n gt o r q u e ，d e s i g no fe l e c t r i c a lm a c h i n e ， m a n u f a c t u r ep r o c e s s h l 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的工具，它给人们的生活带来方便， 提高了工业生产效率，改善人们的生活质量，同时也改变了人们的生活方式。但 是汽车也要消耗大量的资源、排放汽车尾气、制造噪音、污染环境：地球气候变 暖、厄尔尼诺等灾害现象都与温室气体的排放有关，地表沉降、地震海啸灾难频 发也都与资源过度开采有着千丝万缕的联系。 中国是一个人均资源贫乏的人口大国，1 3 亿人口相当于2 个欧洲4 个美国， 1 0 个日本柏个加拿大，超过世界上所有发达国家人v i 的总和。资料显示我国 人均石化燃料资源仅为世界平均水平的5 6 ，石油、天然气人均可采量仅为世界 人均值的8 。自1 9 9 3 年中国成为纯石油进口国以后，1 0 年中石油需求量翻了一 番，目前已超过日本，成为继美国之后世界第二大能源消费国。2 0 0 3 年中国消费 原油2 5 2 3 1 万吨，其中三分之一被汽车所消耗。 为了解决汽车用油需求剧增与资源曰益紧张之间的矛盾，人们把目光投向了 电动汽车。电动车早于燃油汽车闯世l o 余年，在1 9 世纪末和2 0 世纪_ 扔也曾有过 一段辉煌的历史，但因当时电池、电动机及其驱动技术远未成熟，难以与燃油汽 车竞争而退出人们的视线。随着汽车的普及。燃溜汽车的弊端日渐暴露；在当前 石油资源日渐枯竭，能源危机日趋加剧的情况下，人们对电动汽车又有了新的认 识，电动汽车又成为了科技竞争韵新热点。 转向系统是汽车中的关键部件。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展， 传统液压转向系统逐步被电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，简称 e p s ) 取代：后者性能更加优异，既可以用于燃油汽车，又可以用于电动汽车中 是现代汽车中一种高性能的新型助力转向器。目前，国外电动助力转向系统已经 成为中高档轿车的标准配置。 1 1 汽车转向系统的发展及现状 1 , 1 。i 汽车的三种动力转向系统 汽车转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，它直接影响汽车的操 湖北工业大学硕士学位论文 纵稳定性。对于汽车转向系统，除了要求其工作安全可靠、操纵轻便、机动性好、 高效节能外还要求它能够在各种工况下( 包括直线行驶、正常转向、快速转向、 原地转向等) ，根据不同的行驶速度和路面状况提供最佳路感。 汽车转向系按照其所配能源不同，可以分为机械转向系( m a n u a ls t e e r i n g s y s m m ) 与动力转向系( p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) 两大类。机械转向系完全靠驾驶 员的手力操纵，转向系所有的构件都是机械的。动力转向系实际上是一种助力转 向系，即转向系兼用驾驶员手力和转向器机构助力作为操纵动力来源。 机械转向系主要存在以下不足：转向时所用的力矩随车速的提高而降低，这 样在低速时的长途运营中极易引起驾驶员疲劳：转向系统与车轮刚性连接路况 不鼹易引起汽车方向盘抖动。直接影响汽车驾驶员的舒适性：汽车正面相撞时， 车架或车身变形使转向盘、转向管和转向器整体移位，导致驾驶员受伤。 目前，机械转向系已基本被动力转向系所取代。就动力转向系而言，已经经 历了三个发展阶段即液压助力转向系统、电控液压助力转向系统和电动助力转 向系统。 ( 1 ) 液压助力转向系统 早在2 0 世纪5 0 年代，美国d e l p h i 公司即率先开发出液压助力转向系统 ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s 耙m ，简称日p s ) ，并应用在越野战车上。传统的液 压助力转向系统是在机械转向系统的基础上，通过发动机驱动油泵，使得液压油 经过转向分配阀进入液压助力缸的相应腔室，从而产生助力协助驾驶员进行转向 操纵。迄今为止，h p s 系统已在轿车和货车上获得了广泛的应用。液压助力转向 系统装备上车，使得转向盘大大减小，驾驶室更为宽敞，并旦降低了转向操纵力， 使得转向灵敏。 与此同时，这些改进仍然不能克服液压助力转向系统的一些固有缺点，如效 率低、能耗大、高低速转向性能不能兼顾、路感差等。 h p s 需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，消耗燃油一般占整车 耗油的3 。据统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中的7 9 砺( 约3 7 0 0 万辆) 采用了 h p s 一年需消耗几亿升的燃油。这些油料燃烧，散发到空气中的尾气对生态环境 造成污染。此外，h p s 还可能受到意外损坏造成油液泄露直接污染环境。 2 湖北工业大学硕士学位论文 随着轿车速度的不断提高，h p s 暴露出一个致命缺点，即若要保证汽车在停 车或低速时转向的轻便性的话，那么当汽车高速行驶时驾驶员就会有“发飘”的 感觉；反之，若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度感觉的话，那么当停车或低 速调头时驾驶员就会感到转向太重，l i p s 不能二者兼顾。 所谓路感( r o a d n “) ，主要是指车辆在高速行驶时，与路面的接触状态以反 力和位移的形式，通过转向系统及时而准确地传递给方向盘，使驾驶员明显地感 觉到此种力和位移的反馈及其差别，以采取合适的运行方式。确保车辆的行驶安 全。l i p s 从车轮到方向盘除了机械连接外，还有动力缸中的油液通过活塞也参与 传力工作。由干油液的阻尼和惯性以及扭杆的变形，信息传递滞后，使路感变差。 此外，转向和回正过程的路感也不好。 ( 2 ) 电控液压助力转向系统 随着技术的进步，在液压助力转向系统基础上，又出现了电控液压助力转向 系统( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g , 跏s t e m ，简称e h p s ) 。电控液压助力转向 系统是在液压助力转向系统的基础上发展起来，将电机与液压动力电动泵、齿轮 齿条式转向器、转向控制阀、电控单元等集成在一起的一种转向技术。到上世纪 8 0 年代后期，电控液压助力转向系统已经成为轿车的标准装备。 该系统的特点是由直流电机带动电动泵工作，而不是由发动机驱动，可根据 转向需求提供不同的助力，满足汽车对转向系统的要求。在发动机怠速时，电动 泵提供较大的流量；而在高速时，按转向要求，使其流量有所下降。亦即在低速 行驶时，驾驶员需较小的转向操纵力就能灵活地进行转向，而在高速转向时，使 操纵力逐渐增大，优化了转向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服 了转向“发飘”感觉，使驾驶员操纵时有显著的路感，保证在高速行驶时的稳定 性和安全感。 与月p s 相比，e h p s 能够获得可变操纵力。但是，e h p s 仍然没有解决托阿 在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的固有 缺点a 此外，e h p s 由液压和电子两套系统组成，使得系统复杂，成本大约增加 3 0 5 0 。 ( 3 ) 电动助力转向系统 湖北工业大学硕士学位论文 1 9 8 8 年3 月，日本铃木公司开发出一种全新的电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，真正脱离了液压助力转向系统的限制，抛弃了 h p s 及e h 尸：，的诸多缺陷。e p s 系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向 盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅 助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的伺服系统。 e p s 系统由机械式转向装置、驱动电机、减速机构、离合器、车速传感器、扭 矩传感器、齿轮齿条及电控单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，包括控制单元和驱 动单元两部分) 等组成。其中减速机构主要有涡轮蜗杆和双行星齿轮两种。前者 多用于转向柱( 轴) 助力式e 雕系统，后者多用于齿轮助力式和齿条助力式e 邢系 统。e c u 是控制系统的核心，它接收来自各种传感器的信号，进行处理计算以确 定输出量，并控制离合器开合和电动机的扭矩输出；此外，e c 【，还有安全保护和 自我诊断功能。e c u 由输入电路、a d 转换电路、单片机( 或d s p ) 等组成。e c u 的抗干扰能力强，控制算法快速准确，能满足实时控制的要求。 e p s 直接依靠电机提供助力，其系统框图如图1 1 所示。不同类型的e 只s 基本原 理是相同的：扭矩传感器与转向轴( 小齿轮轴) 连接一起，当转向轴转动时，扭 矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电 信号传给e c u ：嬲u 根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向 和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现在车 速不同时提供电动机不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活高速行 驶时稳定可靠。因此, e e s 转向特性的设置具有较高的自由度。 图1 1电动助力转向系统框图 与h p s 和e h p s 相比，e p s 系统有很多优点，如效率高、能耗少、路感好且可 以通过软件调节、回正性好、对环境污染少、可以独立于发动机工作、应用范围 广、装配性好等。e p s 控制嚣中还有安全保护装置，当电机电流过大或温度过高时， 4 湖北工业大学硕士学位论文 安全保护装置将切断或限制电流大小，避免发生故障：当系统发生故障时，仍然 可以依靠机械转向系统进行转向。 表1 1 中列出了液压助力转向系统、电控液压助力转向系统和电动助力转向系 统三种转向系统的住能比较。 袁1 1e p s 、e h p s 、t i p s 三种转向系统的性能比较 1 1 2e p s 的几种助力方式 按照转向助力机构位置不同，可以将电动助力转向系统分为3 类：转向柱( 轴) 助力式，齿轮助力式和齿条助力式。 转向柱( 轴) 助力式转向系统( c o l u m n t y p ee p s ) 的转向助力机构安装在转 向轴上。当驾驶员转动方向盘时，控制单元接受转矩、转向、车速等信号。控制 图1 2 转向柱助力式转向系统示意图 号 湖北工业大学硕士学位论文 直流电机的电流。电机的动力经离合器、电机齿轮传给转向轴的齿轮然后经万 向节及中间轴传给转向器。转向柱助力式转向系统示意图如图1 2 所示。 小齿轮助力式转向系统( p i n i o n 卯ee p s ) 的转矩传感器、电动机、离合器和 转向助力机构仍然是一个整体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助 力，可获得较大的助力。该形式可使各部件布置更方便。但是当方向盘与转向器 之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其 助力控制特性难以保证准确。小齿轮助力式转向系统示意图如图1 3 所示。 图1 3 小齿轮助力式转向系统示意图 齿条助力式转向系统( r a c 地p ee p s ) 的转矩传感器单独地安装在小齿轮处。 电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该 类型又根据减速传动机构的不同可分为两种。一种是电动机做成中空的，齿条从 中穿过，电动机助力经一对斜齿轮、嫘杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接 块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内， 结构复杂，价格高，维修也很困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立，电 动机动力经另- - , j , 齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一 代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，故而主要用于 重型汽车。齿条助力式转向系统示意图如图1 4 所示。 2 0 0 2 年2 月，韩国m e c c a t e c h 公司开始正式生产7 种结构新颖的电动助力转 向系统e p s - t t ( e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g w i t ht w ot r a n s m i s s i o n ) ，并已经在美国、欧 洲和韩国等地取得专利。肼悭丁7 1 眈上述三种e p s 系统结构更加简洁整个系统由 电动机、离合器( 包括左、右两个) 、转矩传感器和控制单元三部分构成。e p s - t t 6 湖北工业大学硕士学位论文 图1 4 齿条助力式转向系统示意图 系统示意图如图1 5 所示。转矩约束装置保护驱动部件免受路面冲击；动力传输装 置由左、右两个离合器组成，根据转向每次只有一个工作：转矩传感器和控制单 元将方向盘的转向和力矩转换为电信号，经放大后驱动电动机。方向盘的旋转方 向分别对应着左、右离合器；在离合器的作用下，不论方向盘转向如何，电动机 始终只有一个旋转方向；也就是说，离合器选择转向系的转向，电动机提供助力。 由于整个系统非常简单，所以效率非常高。图1 6 为e 路刀的安装示意图。 图1 5e 路刀系统示意图 1 一方向盘：2 一转向轴；毋一转矩传感器及控制部分；4 一离合嚣 5 一转矩缓冲保护；6 电动机：7 一转向传动机构。 湖北工业大学硕士学位论文 图1 6e p s - t t 系统安装示意圈 1 一方向盘：2 一e p 口玎模块；3 一转向轴：4 一齿轮箱：5 一电池。 i 1 3e p s 系统的助力特性 助力特性是指助力随着汽车运动状况( 车速和转向手力) 变化而变化的规律。 对于液压动力转向系而言，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与方 向盘力矩( 及车速) 的变化曲线来表示助力特性；对于电动助力转向系而言。助 力与直流电动机电流成正比，故可以采用电动机电流与方向盘力矩、车速变化关 系曲线来表示助力特性。 e p s 系统是根据微处理器采集驾驶员施加在方向盘上的手力( 矩) 和汽车车 速等信号来确定控制器的输出电流进而控制电机扭矩的大小和方向，实现对汽 车转向助力的目的。e p s 系统的软件控制为助力特性的设计提供了充足的自由空 间，它能精确实现人们预先设置在不同车速、不同转向条件下所需要的转向助力， 特别是能解决纯液压助力转向在汽车高速行驶时方向盘的“发飘”问题，并具有 高效、节能、高性能、低成本等一系列优点。 在e p s 系统中，电机提供多大助力( 扭矩) 是一个关键问题。为此，人们根 据驾驶经验提出了驾驶员施加在轻型车方向盘上手力矩( 1 c z ) 与汽车车速( y ) 以 及电机助力扭矩( r ) 三者之间的关系曲线( 面) ，见目1 7 所示，称为e p s 系统 理想三维助力特性模型。根据图1 2 可以画出二维助力特性曲线，见图1 8 和图1 9 。 湖北工业大学硕士学位论文 圈1 7 理想三维助力特性模型 助力特性表明，随着驾驶员施加在方向盘上手力( 矩) 加大，电动机助力扭 矩按一定规律增大；方向盘转向不同，电动机转向也不同，没有滞后现象；随着 汽车车速增大，电动机助力扭矩按一定规律减小，即汽车高速时，驾驶员施加在 方向盘上的手力加大。 j = u 心骖1 0m u “，h 1 2 0k m h 图1 8 手力一扭矩曲线图1 9 车速一扭矩曲线 1 2 e p $ 电机选择 伺服电动机是e p s 系统中的执行机构，对转向轮提供转向助力，其工作电源 来自车载蓄电池，其工作电流的大小和方向受电控单元嬲y 的控制。e p s 电机主 要有永磁直流电动机、开关磁阻电动机、永磁无刷直流龟动机和超声波电动机等 几种。作为e p s 的关键部件之一。系统对e p s 电机有很高的要求，这些要求主要 有：电机的调速与控制性能好，能在较低转速下输出较大的扭矩，转矩波动小 湖北工业大学硕士学位论文 振动噪声小，转动惯量小，可靠性和功率密度高，体积小、重量轻等。 目前国内开发的e p s 系统大都采用有刷永磁直流电动机作为驱动电机。扶e p s 系统上车试用情况来看，出现了两方面的问题：一是转向时汽车电器工作受到干 扰，如车载音响出现噪声；二是彤峪电机发热比较严重。前者是由于e p s 电机产 生的火花( 火花频谱很宽) 所致，后者则与电机结构有关。有刷永磁直流电动机 磁钢在定子方。绕组在转子上，由于e p s 电视绕组电流很大，转子发热不易扩散， 导致电机温升增高。由此可见，有刷直流电动机采用机械换相，会产生火花，且 电劂易磨损，存在事故隐患，对于e p g 系统这种集功能与安全于一身的汽车部件 来说，这是个致命的缺陷。所以有刷永磁直流电动机不宜作为e _ p s 驱动电机。 开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o o r ，简称s r m ) 的定子和转子均为 凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上既无绕组亦无永磁体。它借助电力电子 开关电路使各相定予绕组扳一定顺序与直流电源接通或关断，从而形成气隙步进 磁场，利用双凸极结构气隙不均匀所致的磁路磁阻变化，在载流相绕组中产生感 应电动势，以吸收电源电功率，产生拖动性质的磁阻转矩，实现机电能量转换。 正是因为s r m 结构和工作原理的特点使其具有结构坚固、简单、调速范围宽、效 率高、易于冷却、适用于高速、环境恶劣场合等优点，显示出强大的市场竞争力。 但s r m 为“单边励磁”磁阻式电动机，有很多局限性：因没有独立的励磁绕组， 相电流中既有转矩电流分量，也有建立气隙磁场所需的励磁电流分量，这使电动 机和功率变换器之间存在无功功率往返交换因而功率变换器所需的容量较高； 若在相绕组电感下降区通电，将会产生制动转矩，故在个极距中每相至多工作 一半时间，绕组和铁芯利用率低，其单位体积能量转换密度低于电磁式电动机； 为了保证足够大的输出转矩，相电流常在接近最大相电感处关断，换相控制较困 难，且对开关器件安全工作不利；为提高功率密度，减小功率变换器的容量要求， s r m 电机的第一气隙较小，将导致较大的振动噪声以及瞬时转矩脉动。s r m 电机 的这些缺点决定了它不适合作为e p s 驱动电机。 超声波电动机( u l t r 娜o n wm o t o r ) 是一种应用压电陶瓷的逆压电效应，通过 摩擦驱动把电能转换为机械能输龃的新型直接驱动电机。从驱动和控制装置产生 的3 0 4 0 k h z 两个同频的超声电压分别作用于一片压电陶瓷环的a 相和b 相上， 1 9 湖北工业大学，硕士学位论文 使陶瓷环和附在它上面的弹性圆环( 构成定子) 产生两个同频弯曲共振模态( 驻 波) 。对这两个同频超声电压在空间上和时闻上的相位进行调节，就可将这两个驻 波迭加成单一的旋转模态行波，通过定子与转子间的摩擦作用即可驱使转子 运动。由此可知，超声电机突破了传统的电磁电机的概念：它没有磁极绕组和磁 路，不依靠电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振 动，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子( 旋转型电机) 或动 子( 直线型电机) 的宏观运动。它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、 控南4 特性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。特别是它 具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。它不 需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与 噪声等问题。可以说，超声波电机技术是当今世界高新技术之一。 超声波电机的制造技术涉及到多个学科，与运动学、材料学、动力学、电路 控制等密切相关联。目前，超声波电机还有许多问题亟待解决：( d ) 超声波电机 理论研究的进一步深入，提升模型的精确性：( 6 ) 由于超声波电机靠定子和转子 间的摩擦传递功率接触面磨损严重。致使寿命较短：( c ) 输出功率不大，目前 实际应用的只能达到l o 瓦左右：( d ) 超声波电机的可靠性和对各种环境( 高温、 低温、真空等) 的适应性，还有待研究。 永磁无刷直流电动机( 以下简称无刷电动机，b l d c m ) 是一种理想的e p s 系 统伺服电机。众所周知，无刷电动机具有与有刷直流电动机相同的调速和控制性 能，但它用电子换相取代机械换相，完全克服了有刷直流电机的缺点；另一方面， 无刷电动机与转场式交流水磁同步电动机的结构基本相同，制造工艺相对简单， 制造成本也较低。因此，无刷电动机具有交流电机的简单结构，同时又具备有刷 直流电动机的优异性能，综合了两静电机的长处，克服了各自的短处，扬长避短， 是一种高性价比的e p s 电动机。无刷电动机存在低速下的转矩脉动问题，然而在 e p s 系统中。电机输出轴上接有较大速比的涡轮蜗杆减速枫构，该减速机构起减 速、增大扭矩的作用。这样，e p s 无刷电动机一般在较高转速下工作，毋须运行 在可能出现转矩脉动的低速区。毫安上，无科电动机低速下的转矩脉动还可以通 过合理的电机电磁设计以及控制策略加以抑制。 湖北工业大学硕士学位论文 表1 2四种e 雕电机性能比较 1 3 课题的意义及主要研究内容 e p s 是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、开发 和试用转入批量生产阶段。e p s 是现代汽车零部件生产的高新技术产品，它涵盖 了电子、电力驱动、控制、传感器、计算机、软件、机械和安全工程等八个领域， 有很高的技术含量；同时它也是运用现代电力电子技术和信息技术创造出来的节 能环保、高性能、高效率的新产品。近几年来，国内也有一些单位先后开展了电 动助力转向系统的研究工作，取得了一定的成就，但是与国际先进水平相比依然 存在很大差距。着鼹于未来汽车转向系的巨大市场，进行电动助力转向系统的研 究和开发将是一项非常有意义的工作。 e p s 电机是e p s 系统中的关键部件之一，它对e p s 性能具有重要的影响。从 目前的情况看来，稀土永磁无刷直流电动机已经成为e p s 电机的首选。然而永磁 无刷直流电动机并非完美无缺，存在转矩脉动等问题，因此必须结合e p s 对永磁 无刷直流电动机进行深入研究，寻找有效地抑制转矩脉动的方法，解决从理论到 制造工艺的一系列问题，才能真正使e p s 走进千家万户k 目前，我国正经历一个经济飞速增长的时期，对能源的需求日益扩大：与此 形成鲜明对比的是，石油资源日益萎缩。国际原油价格持续上涨。形势要求我们 湖北工业大学硕士学位论文 必须改变经济增长方式，开源节流，利用新型环保能源，发展高效节能产品。e 阳 正是这样一种符合潮流的高科技产物，我们必须特别关注。丽e p s 驱动电机作为 影响e 船性能的关键部件之一，我们理应加倍努力力求更好。同时，电动汽车 已经被列为我国2 l 世纪重点发展的支柱产业之一，要抢占这个世界科技高峰。我 们必须未雨绸缪。通过e p s 这类项目，可以为电动汽车的研究提供许多有价值的 经验。 本课题主要研究e p s 稀土永磁无刷直流电动机及其控制器。本文的主要研究 工作包括以下几个方面： ( 1 ) 设计e p s 稀土永磁无刷直流电动机控制器硬件电路，并讨论了软件控制 方法： ( 2 ) 讨论了稀土永磁无刷直流电动机转矩脉动的抑制方法： ( 3 ) 分析了永磁无刷直流电动机的结构及运行原理，根据其数学模型运用 m a t l a b 建立仿真模型，结合仿真结果初步分析电机参数对转矩脉动的影响： ( 4 ) 编制程序进行电磁设计，确定电机设计方案，探讨电机制造工艺，并制 造出电机样机： ( 5 ) 根据样机试验结果，对样机进行对比分析。 1 ，4 本章小结 电动汽车使用清洁能源，性能优异，必将取代燃油汽车。电动助力转向系统 是电动汽车的关键部件之一，必将取代传统液压助力转向系统。电动助力转向系 统主要有三种助理方式，每种助力方式均适用于不同的车型。 e p s 电机主要有永磁有刷直流电动机、开关磁阻电动机、永磁无刷直流电动 机和超声波电动机等几种。e p s 电机必须有良好的调速与控制性能，能在较低转 速下输出较大的扭矩，转矩波动小，振动噪声小，转动惯量小，可靠性和功率密 度高，体积小、重量轻等。在目前条件下，永磁无刷直流电动机是e p s 系统驱动 电机的理想选择。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章e p s 稀土永磁无刷直流电动机系统组成 2 1稀永磁无刷直流电动机概述 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd i r e c t - c u r r e n tm o t o r ，以下简称b l d c m ) 经 历了四十余年的发展。早期进展缓慢，直到近十多年来，随着电力电子技术、微 电子技术、微机和稀土永磁材料的快速发展，稀土永磁无刷直流电动机才得以迅 速推广应用。目前，稀土永磁无刷直流电动机的发展已经与大功率开关器件、专 用集成电路、稀土永磁材料、微机、现代控制理论及电机理论的发展紧密结合， 体现着当今应用科学的许多新成果，因而显示出广泛的应用前景和强大的生命力。 第三代稀土永磁材料钕铁硼的出现，对无刷直流电动枫的发展起着强有力的 推动作用。采用稀土永磁体的无刷直流电动机不仅保持了铁氧体永磁、铝镍钴永 磁等传统无刷直漉电动机的优点，如可靠性高、维护方便、结构简单、特性好、 散热容易、转速不受机械换相限制、噪声小等、而且还具有许多其他的优越性。 稀土永磁材料的高磁能积使得电机的重量降低，体积明显减小。稀土永磁材 料的矫顽力月高，剩磁耳大，因而可产生很大的气隙磁通。大大缩小了永磁转子 外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，改善电机的动态特性。同时， 在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以选取较大值，这样可以减小 由于齿槽效应引起的转矩脉动，也可以抑制电枢反应对于转矩脉动的影响。稀土 永磁材料的内禀矫顽力f 极高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似 于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与1 2 0 。导通型三相逆变器相匹配， 可实现方波驱动，从而可有效地减小转矩脉动，同时提高电机出力。而且，电枢 反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀士永磁无刷直流电动机更适合突然反转、 堵转驱动等特殊运行场合的性能需求。稀土永磁材料的去磁曲线是线性的、可逆 的，该特性给稀永磁无刷直流电动机的工作点计算带荣方便，简化了磁路设计 和磁场分析方法。 由于稀土永磁无刷直流电动机具有上述一系列优点，因而其用途更广泛，特 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 别适合于对性能、体积重量要求更高的场合，如航空航天、电动汽车、精密电子 仪器与设备、工业自动化和现代家用电器等领域。 2 1 1 稀土永磁无刷直流电动机工作原理 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转予位置传 感器三部分，如图2 1 所示。 图2 1 稀土永磁无刷直流电动机构成框图 稀土永磁无刷直流电动枫系统如图2 2 所示，其中转子位置传感器与电动机本 体同轴联结。控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后，产生脉宽 调制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关。从而控制电动机各相 绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 图2 2 稀土永磁元剧直流电动机系统图 图2 3 表示出了三相星形六磁歌态永磁无刷直流电动机的工作原理。当转子永 磁体位于图2 - 3 ( b ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制 湖北工业大学硕士学位论文 电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管蚝、虼导通，即绕组四、c 通电，c 进嚣出，如图2 ，3 ( a ) ；定子电枢绕组在空间的合成磁势凡如图2 3 ( b ) 所示。此 时定子合成磁势凡在前，转子永磁体磁势毋在后，r 拖动耶使得转子顺时针方 向旋转。电流流通路径为：电源正极一硌管一c 相绕组一b 相绕组一魄管一电源 负极。下一个磁状态如图2 3 ( d ) 所示。当转子转过6 0 。电角度后，位置传感器 输出信号，经逻辑交换后使开关管硌截止，n 导通，此时魄仍然导通。则绕组a 、 b 通电，a 进口出，如图2 3 ( c ) ；定子电枢绕组在空间的合成磁势兄如图2 3 ( d ) 所示。此时定子合成磁势冗仍然在前，转子永磁体磁势f ，依然在后，尼拖动n 使得转子沿顺耐针方向继续旋转。电流流通路径为：电源正极一n 管一爿相绕组 一嚣相绕组一k 管一电源负极。依此类推，当转子继续沿顺时针方向每转过6 0 。 电角度时，位置传感器检测到的转子位置信号改变次，功率开关管的导通逻辑 a c b a c b a ( d ) 图2 3 稀土永磁无刷直流电动机工作原理躅 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 相应改变一次，使得转子磁场始终受到定予合成磁场的作用，并沿顺时针方向连 续旋转。此时，功率开关管的导通逻辑为蚝“一玩一“圪一心一n n 一蚝k 一 蚝k ，依次往复。 在电机运行过程中，定子电枢绕组在空间的合成磁势冗始终超前转子永磁体 磁势乃。图2 4 ( a ) 为电机运行原理分析模型。图中将定子电枢绕组在空间的合 成磁场等效为一对旋转磁极，如图中虚斜线阴影部分所示。磁力线由等效磁极 极出发，经过气隙进入永磁体内，然后再次穿过气隙进入等效磁极s 极，图中的 情况是磁力线扭斜最大时的情况，此时电机出力最大。由于磁力线总是试图伸直， 使得所经过的路线最短，因此电动机转子将顺时针旋转。将图2 4 ( a ) 展开便 得到电机运行原理分析模型展开图，如图2 4 ( b ) 所示，图中底层为电枢绕组。 由于定子电枢绕组在空间的合成磁场始终超前转子磁场；显而易见，当定子绕组 所产生磁场的等效磁极以转速月沿顺时针方向旋转时，电机转子永磁体也将以转 速n 沿顺时针方向旋转。也就是说，电机转子在定子合成磁场的拖动下，与定子 合成磁场同向等速旋转。 在图2 4 中，电机定、转子磁场是正交的。值得注意的是，在电机实际运行过 程中，电机定、转子磁场并不是时时正交的。在一次换相刚刚结束的瞬间，转子 永磁体磁势毋滞后定子绕组合成磁势f 1 2 0 。电角度，如图2 5 ( a ) ：当电机转子 ，淤 潲8 ( a ) ( b ) 图2 4 电机远行原理分析模型及其展开图 湖北工业大学硕士学位论文 转过6 0 。电角度时，定子绕组合成磁势r 的位置还没来得及动，此时转子永磁体 磁势毋滞后定子绕组合成磁势f , 6 0 。电角度。雨在下一个瓣闻便开始另一次换相， 如图2 5 ( b ) 所示。虽然定、转子磁势的夹角在6 0 。1 2 0 。电角度之间往复变化， 但是可以认为其平均值为9 0 。电角度，即定、转子磁场正交。从图2 5 中可以看 出，只有当转子磁场转够6 0 。电角度到达图2 5 ( b ) 的位置时，定子合成磁场才 从圈2 5 ( a ) 中兄位置跃变至图2 5t o ) 中f 4 的位置；所以定子合成磁场在空间 不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。 aa ( a )( b )( c ) 图2 5 稀土永磁无刷直流电动机远行原理示意图 当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状 态就改变一次。可见电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流 过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角度的时间。每个开关管的导通角为1 2 0 。， 故该逆变器为1 2 0 。导通型。 2 1 2 稀土永磁无刷直流电动机反转的实现 改变逆变器开关管的逻辑关系，即改变电枢绕组各相导通顺序，就可以实现 稀土永磁无刷直流电动机的反转。设电机定、转子相互位置仍然如巨2 , 5 ( a ) 所 示，但绕组口、c 通电，对应的定、转子磁势关系如图2 6 ( a ) 所示，可见电机反 向逆时针旋转。在丑、c 相绕组通电。定、转子磁势轴线平均以正交位置关系逆时 针方向旋转，同样可以产生最大电磁转矩。当转子转过6 0 。电角度后，到达图2 6 ( b ) 所示状态，此时导通a 、c 祖绕组，该两相绕组的合成定子磁势仍驱动转子 逆时针方向旋转。正转与反转时，各开关管对应于霍尔传感器输出信号的逻辑关 1 8 湖北工业大学硕士学位论文 系正好相反。 ( b ) 图2 6 稀土永磁无刷直流电动机反转的相互位置关系 2 1 3 稀土永磁无刷直流电动机的运行特性 不考虑开关管开关动作的过渡过程和屯枢绕组的电感，两相导通三相星形六 磁状态稀土永磁无刷直流电动机的电枢感应( 线) 电动势可以表示为 肚苦m s c a h ( 2 式中各变量表示的含义分别为 p 一电机极对数； 口一计算极弧系数； 一电枢绕组每相串联匝数； 中；一每极磁通； n 一电机转速： c , - - 电动势常数，c 。= 素 a 稀土永磁无刷直流电动机的电磁转矩为 瓦。= 兰当矸0 0 5 ，。= c r 币# i 。 ( 2 2 ) 张， 式中， ，。一每相绕组电流； 湖北工业大学硕士学位论文 c r 一转矩常数，c r ：! 生。 再 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 一2 u = e 4 - 2 1 。r 。 ( 2 - 3 ) 式中， u 一电源电压： u 一开关管的饱和管压降； r 。一每相绕组电阻。 由以上两式可得 n = u - 2 瓦a u - 一2 1 d r = 等一高t 。 -4c c c ， n=一一t一 l zj c 。中j。中d。r o ；“1 可见，稀土永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性表 达式相同，机械特性较硬，如图2 7 曲线1 所示。但由于式( 2 - 4 ) 是在忽略电枢 绕组电感时得到的，故与实际电机的机械特性有一定区别。 t 。 图2 7 稀土永磁无刷直流电动机的机械特性 对于有刷直流电动机，由于参与换相的绕组元件相对较少，因而通常只考虑 电阻对机械特性的影响，忽略或较少考虑电感的作用。但对