永磁直流电动机的伺服系统.doc

摘要本文以汽车电动助力转向系统为例，研究了一种稀土永磁直流电动机的伺服系统。首先介绍了系统的研究背景和国内外发展状况，然后进行了系统硬件电路设计和分析，最后通过测试分析找出了系统中存在的问题并提出了改进的措施。关键词：电动助力转向系统稀土永磁伺服系统ABSTRACTThis paper take Electric Power Steering System(EPS) for example, it researched a servo system of Rare Earth Permanent Magnet(REPM) DC electric machine. First of all, it introduced the background and development of this research in the word, then the hardware circuit was designed, at last ,it analysised the problem of the result and proposed some ideas to improve the system.第一章 引言汽车在行驶的过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮（一般是前轮）对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。常用的汽车转向系统分为非动力转向系统和动力转向系统两大类。非动力转向系统又称机械式转向系统，是以人的体力为动力源，其中所有的传力器件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，其中转向器是汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统（Power Steering System），亦可称作转向加力系统，是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系统。它是在驾驶员的操纵或控制下，借助于汽车发动机所产生的动力，将其转换为液体压力或气体压力并驱动转向轮偏转；或者借助于电力，将电能转换成机械能进行助力，从而实现汽车转向运动。在正常情况下，汽车转向所需要的力大部分由发动机或蓄电池通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供；但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。汽车转向系统一直存在轻便与灵活的矛盾，即“轻”与“灵”。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，即在方向盘小转角时以“灵”为主，在方向盘大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在方向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决这一矛盾。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车燃油消耗量。因此随着电子技术的发展，电子控制式液压动力转向系统应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾。此外，液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能也就确定了，不能再对其进行调节与控制，因此在协调转向力与操纵“路感”的关系上比较困难。电动助力转向系统（Electric Power Steering System，简称EPS）是继液压动力转向系统后产生的又一种动力转向系统。该系统由电动机提供助力，助力大小由其电控单元实时调节与控制，可以较好解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。电动助力转向系统一般由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机、离合器和减速机构组成。当转动方向盘时，扭矩传感器测出施加在转向轴的扭矩，并产生一个电压信号，与此同时，速度传感器测出汽车的速度，也产生一个电压信号，这两个信号经过A/D转换后被送往控制器，经过控制器运算处理后，传动给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上得到一个与工况相适应的转向作用力。与传统的液压动力转向系统HPS相比，它具有更突出的优点：1）EPS能在各种工况下提供最佳助力，减少由路面不平引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同对象的需要。2）提高了汽车的燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停的流动，浪费了能量。相反电动助力转向系统需要转向时才需要电机提供能量，是真正的“按需供能型”（on demand）系统。装有电动转向系统与装有液压动力转向系统的车辆对比实现实验表明，在不转向情况下，装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低2.5%；在转向情况下，装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低5.5%。3）增强了转向跟随性。在EPS中，电动机与助力机构直接相连，以使其能量直接用于车轮转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小，因而转向系统的抗扰能力大大增强。和HPS相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞性，增强了转向车轮对方向盘的跟随性能。4）该系统由电机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统所必须的动力油泵、软管、液压轴、密封件、传动带和装于发动机上的皮带轮等，使零件比HPS大大减小，因而其质量更轻，结构更紧凑，在安装位置的选择上也更加容易，装备自动化也更高，维修更方便。5）EPS没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须加温的过程，而EPS可以在零下400C很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。6）电动转向系统还可有各种安全保护措施和故障诊断功能，使用可靠，维修方便。7）在未来1015年推出的纯电动汽车或燃料电池汽车等汽车上没有传统意义上的内燃机，因而必须考虑安装EPS。8）电动助力技术的日趋完善，其应用范围已从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向自身的特点，使其特别使用于低排放汽车（LEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）、电动汽车（EV），而这四大“EV”汽车将构成未来汽车发展的主体，因此电动助力转向具有非常广阔的应用前景。由此可见，和HPS相比，EPS是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，必将逐步取代现有的机械转向系统、液压动力转向系统和电控液压转向系统。电动助力转向可以应用在轿车、微型面包车、轻型客车和轻型货车等车型上，这几种车型在我国的年产量超过300万辆，因此应用前景广泛。有关专家预测，到2010年，4060的小轿车将装备电动助力转向系统4-5。而且，随着电动汽车和四轮转向技术的逐步推广，电动助力转向系统将得到越来越广泛的应用。因此，开展本课题的研究以及研究结果对电动助力转向的国产化开发具有重要现实意义。第二章 国内外研究现状继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向。电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点，EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元（ECU）控制，它能提高主动安全性、节约燃料，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。国外汽车公司对EPS的研制已经有20多年的历史，但是以前一直没有取得大的进展，其主要原因是EPS的成本太高。近几年来，随着电子技术的发展，大幅度降低EPS的成本已成为可能，加上EPS具有一系列优点，使得它越来越受到人们的青睐。电动助力转向最先应用于日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备电动助力转向，随后还用在其Alto车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、德国的ZF公司，都相继研制出各自的电动助力转向。如大发公司的Mira车、三菱汽车公司的Minica车都装备了电动助力转向；本田汽车公司的Accord目前已选装电动助力转向；Delphi汽车系统公司已经为大众的Polo、欧宝的318i以及菲亚特的Punto开发出电动助力转向；TRW的电动助力转向已经装备在Ford Fiesta 和Mazda 323F等轿车上。随着高级轿车对转向系统提出的性能指标上的更高要求，近几年国外开发出更成熟的电动助力转向系统，用于凌志、皇冠等高档轿车。该装置优于普通的动力助力转向器，在不同的车速下可通过转向ECU最大调节方向盘的操纵力，在低速行驶和车辆就位时，驾驶员只需较小的操纵力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，则自动控制使操纵力逐渐增大，实现操纵的稳定性。Delphi汽车系统公司，1998年开发了全新的电动助力转向系统，它可分别在齿条、齿轮和转向轴上施加助力；其最新推出的电子伺服前轮转向控制系统，取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接，取消了传统的转向柱、转向轴和齿轮齿条等，而由速度传感器、转矩传感器、控制器、电动机和减速机构等组成。但它仍采用方向盘（必要时可改用操纵手柄），通过电动机向驾驶员提供路面反馈。该转向系统可以说代表了EPS目前发展的最高水平。英国汽车制造商Lucas公司，1998年研制的电动助力转向系统投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的0.5%，相比之下，电子液压助力转向的损耗为2，全液压助力转向的损耗为8。Mercedes-Beniz和Siemens Automotive两大公司正共同投资了6500万英镑用于开发EPS，他们的目标是2005年装车，年产300套，成为全球EPS制造商，他们计划开发出适用于汽车前轴负载超过1200Kg的EPS，因此货车也可能成为EPS的装备目标。相比之下，在我国，电动助力转向的开发还处于初级阶段，国产电动助力转向尚属空白，大部分文献只是介绍国外电动助力转向系统状况以及电动转向系统基本组成和特点。1992年清华大学的学生在导师的指导下进行了探索性的研究；其后几年，同济大学、吉林大学、华中科技大学、武汉理工大学相继开展这方面的研究，取得了一些进展。如文献1-3通过对电动助力转向系统模型的建立，得到了电动助力转向系统的相关传递函数，在分析影响系统响应速度的因素的基础，提出了对电动助力转向系统改进设计的办法；文献4-5分别介绍了基于P87LPC768单片机和80C52单片机的EPS硬件电路设计，并对所设计硬件系统的台架实验情况进行了分析与总结；文献6-10从电动助力转向系统的助力特性、控制策略等方面进行了探讨和研究，提出过采用神经网络、鲁棒控制等理论来提高助力转向系统性能等思路。文献11-13分析和推导出了具有不同控制方式的EPS系统的传递函数，进行了仿真计算并对结果进行了分析，定性地说明了EPS系统的控制方式和结构参数对汽车稳态、瞬态和频率响应特性的影响。总体来说，现在国内对EPS还处于研究与探索阶段，而且基本都是国内一些重点高校自己在作一些理论上的研究，力量比较分散，故都还没有形成定型的产品。现在安徽省已明确的将EPS系统的开发列入其“十五”科技攻关项目，估计在今后的几年内，会有更多的公司和科研院所投入到EPS的研制行列当中。第三章 EPS系统构成设计3.1 EPS系统组成及工作原理EPS系统按照其转向助力机构结构与位置的不同，可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种形式，但不同类型的EPS基本工作原理是相同的。典型的转向轴助力式电动助力转向系统组成如图3-1所示。其工作原理为：EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构离合器与助力电机相连。驾驶者在操纵方向盘时，给输入轴输入了角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭,扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时,车速传感器检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合方向盘的扭矩、转动方向以及车速等输入信号，判断是否需要助力以及助力的方向。若需要助力，则依照既定的助力控制策略计算电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或车速超出设定值则停止对电机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电机惯性力矩的影响，系统转为人工手动助力。图3-1 转向轴式电动助力转向系统组成结构图正是由于EPS系统有了电控单元，较传统HPS，EPS的助力大小可以根据控制策略调整，这给了设计性能优良的助力转向系统提供了可能。一个好的控制策略可以使驾驶员的作用力大小适当、路感良好，并使转向系统响应快速、阻尼特性好。3.2 EPS系统硬件电路设计系统硬件控制框图如图3-2所示，系统供电为车上12V蓄电池直流电源，控制核心为P87C591单片机。当汽车点火开关闭合时，单片机上电后对EPS系统进行自检,自检通过后，闭合继电器和离合器，EPS系统便开始工作。驾驶员操纵方向盘转向，扭矩传感器检测到方向盘的扭矩和转动方向，车速传感器检测到车速信号，这些信号经过输入接口电路处理后送至P87C591相应端口，单片机根据方向盘扭矩、转动方向和车速等数据，并依据系统助力特性，确定助力电流的大小和方向，产生相应的PWM信号并通过驱动电路驱动直流电动机进行转向。如EPS系统工作出现异常，单片机将驱动EPS灯发亮进行报警提示，同时断开继电器、离合器退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式。图3-2 系统硬件控制原理框图整个硬件电路设计主要包括以下几个部分：电源变换电路、功率驱动电路、输入信号接口电路、反馈电流检测电路、PWM产生及逻辑合成电路和故障检测电路。3.2.1 电源变换电路控制器外部电源输入是车上蓄电池12V。由于本系统ECU内部电路含有单片机、比较器LM339，运算放大器LM324等器件，另外蓄电池电压也必须经过一定滤波处理后才能加在直流电机两端。对蓄电池输入电压12V进行相应变换，得到5V电压给单片机供电，+8.2V电压给比较器LM339、运算放大器LM324供电，稳定的+12V电压给直流电动机供电，其变换电路如图3-3所示。图3-3 电源变换电路汽车发动，启动控制信号使Q2饱和导通，蓄电池+12V电压经过二极管D2加在了晶体管Q2的集电极和7805的输入端Vin。通过9V稳压管和晶体管Q3得到约+8.2V电压给LM339和LM324等集成芯片供电；通过7805得到+5V电压给单片机供电，单片机上电复位，程序运行自检。如EPS系统一切正常，单片机发出继电器控制信号吸合继电器，蓄电池电压经过C2和E4、E5滤波后加在直流电动机两端，这个电压记为+12VA，+12VA电压通过二极管D3后的电压记+12VB，此电压加在了晶体管Q3集电极和7805输入端，故此时即使启动控制信号消失，Q2不导通，通过这个自锁定电路，+8.2V和+5V电压依然存在，从而保证了单片机和比较器、运算放大器等器件不会掉电。3.2.2 功率驱动电路图3-4 功率驱动电路主功率电路采取受限单极式PWM逆变电路,功率管型号为IRFP064V，其漏源击穿电压为60V，导通电阻为5.5m，最大漏源极导通电流为130A，饱和导通时最低栅极源极驱动电压为4V。由于主功率电路最高电压22V，这里的驱动电路没有采取集成芯片（如IR2110）且不用采取隔离措施，而是采取分立元件搭建的驱动电路如图3-4所示，其优点是电路简单实用而且成本很低。图中，“1#驱动、2#驱动、3#驱动、4#驱动”为单片机发出的数字控制信号，分别接至数字晶体管Q15、Q17、Q19、Q21的输入端，脉宽调制信号PWM同时送至数字晶体管Q16、Q18、Q20、Q22的输入端。“1#、3#”分别连至H桥式逆变电路上半桥两功率管VT1、VT3栅极，“2#、4#”连至下半桥两功率管VT2、VT4栅极。如图3-5所示：图3-5 H桥式逆变电路由此，当单片机发出的数字控制信号为高电平时，对应的功率管栅极接地，功率管被关断；当发出的数字控制信号为低电平时，对应的功率管处于“允许导通”状态，到底能否导通受PWM斩波信号的控制。如PWM信号为低电平，则功率管导通，如为高电平则功率管关断。图中电容C*起加速功率管导通和截止作用。比如当电机正转时，假设电流流通路径为+12VVT1MVT4地，则此时单片机发出的数字信号及功率管状态如表4-1所示：表4-1 电机正转单片机控制信号及功率管状态表“1#驱动”信号0VT1状态PWM控制“2#驱动”信号1VT2状态截 止“3#驱动”信号1VT3状态截 止“4#驱动”信号0VT4状态PWM控制3.2.3 输入信号接口电路输入信号接口电路主要是指对扭矩传感器信号的处理电路，从扭矩传感器出来的信号含有高频“噪声”，必须经过滤波处理后才能送至单片机进行判断运算。对扭矩传感器出来的扭矩主、付信号处理电路一致，如图3-6所示。图3-6 扭矩传感器输出信号处理电路其中“主扭矩信号”送至模拟采样通道A0，“付扭矩信号”送至模拟采样通道A1。系统程序设计中通过对主、付扭矩信号进行校验来检测扭矩传感器工作是否失真，如校验通过则可取主扭矩信号来计算系统助力大小。扭矩传感器供电电压由系统ECU供给，其电压为+5V，电路如下图3-7所示，7805出来的+5V电压通过P沟道结型管Q*1和感性电容滤波后加在扭矩传感器两端作为扭矩传感器电压。其中P沟道结型管Q*1这个场效应管起保护系统电源作用，以免扭矩传感器短路烧坏7805等器件导致ECU不可工作。图3-7 扭矩传感器电源电路驾驶员施加给方向盘力矩大小由扭矩信号偏离扭矩电压中点的电压值来体现。由于在系统工作的过程中，系统扭矩传感器电压会有微小的波动，因此，把图3-7的“扭矩电压采样”输入至单片机的模拟采样通道A3，采样此点的电压值，通过串联分压公式就可以算出扭矩电源电压的实时大小，结合采样到扭矩信号电压值大小，就可以得到衡量驾驶员施加在方向盘上力矩大小的电压值。另外，这一点也输入至单片机的P0.1端口，起检测扭矩传感器是否短路故障，如短路，则P0.1=0，如正常则P0.11。3.2.4 PWM斩波电路PWM斩波信号产生电路是EPS系统最关键的电路之一，此部分电路能使PWM占空比跟随驾驶员给定力矩实时变化，从而对电机端电压进行调节，使电动机输出合适电流（转矩）进行助力。PWM斩波信号产生电路如图3-8所示。图3-8 PWM斩波电路PWM斩波电路中的20KHz三角波产生由下图3-9实现，其中SW是CD4066集成电路的一个双向模拟开关单元。图3-9 三角波发生电路把单片机PWM0输出的20KHz方波信号送至双向模拟开关的控制端C，当控制端为低电平时，开关断开，+5V电压通过R39和R40给电容C17充电；当控制端为高电平时，开关闭合，电容通过电阻R40经过开关开始放电。由于R39远小于R40，故充放电时间常数一致，在电容C17正端输出频率为20KHz的三角波。图3-10 脉宽调制波形图图3-8中，指令电流通过单片机给定，反馈电流来自电动机的电流检测电路，LM324.B输出电压与20KHz三角波经过LM339.B比较后就形成了PWM斩波信号，其形成过程如图3-10所示。3.2.5 电流检测电路电流检测电路主要作用是把电机电流检测出来，其一送至单片机进行电流过流检测；其二是送至图3-8与指令电流形成硬件闭环控制。电流检测电路见图3-11所示。测量电动机实际工作电流在阻值为5毫欧的取样电阻R41上形成的电压，然后通过运算放大器LM324.C的放大得到电压，其放大倍数为：(3-1)本系统指令发出5V信号控制电动机最大电流为40A，其在取样电阻上形成电压0.2V，则要使5V，故由公式(3-1)确定放大倍数25，由此可以确定电阻R42、R43的大小。图3-11 电流检测电路3.2.6 故障检测电路图3-12 电机检测电路在EPS系统吸合继电器和闭合离合器之前，系统要对电动机进行故障检测，检查电动机是否出现断路现象，其检测电路如下图3-12所示。在系统吸合继电器之前，由电源变换电路可知，此时H桥+12VA电压不存在，另外，H桥四个功率管都处于关断状态。如电动机没有断路，则+12VB电压通过电阻R69、R71及5V的稳压管使“电机检测”为高电平；反之，“电机检测”为低电平。当继电器吸合后，不用再检测电机。第四章 系统测试分析4.1 助力系统测试结果EPS系统助力输出电流的大小由电机两端电压脉宽调制（PWM）进行调节，改变占空比就改变了电机输出电流大小，PWM波形的规则与否是决定EPS系统性能的重要因素。把示波器探针放置在电机的任何一端（参考图3-12 电机检测电路），现测得系统在一定车速和一定的方向盘扭矩下电机两端电压PWM斩波波形如图4-1所示。从该波形可以观察出，每周期PWM波由三部分组成：电机开通时加在电机两端的12V左右的电压，电机关断时由于H桥两对角续流二极管续流造成的1V左右的电压以及续流结束后6V左右的电机检测电压。从该波形可以看出电机开通与关断时PWM波的上升沿和下降沿都很陡峭，保证了H桥MOS管的快速导通和快速关断，减小功率管的开关损耗，提高了系统的可靠性。图4-1 电机PWM斩波波形EPS系统助力特性是根据方向盘扭矩信号和车速信号决定电机的转向和助力电流的大小，实验室中对所设计的控制器电机助力特性进行验证。用电位器模拟方向盘左右各转一圈，电位器输出的电压信在以2.5V电压为中线上下波动，改变车速信号，可以看出电机电流在不同车速下的变化情况。图4-2(a)、6.3(b)、6.3(c)分别是车速频率在9Hz（代表低速）、28Hz（代表中速）、46 Hz（代表高速）时扭矩传感器输出信号与电机反馈电流信号的对比图。 (a) 低速时扭矩信号与电机电流信号对比图(b) 中速时扭矩信号与电机电流信号对比图(c) 高速时扭矩信号与电机电流信号对比图图4-2 电机助力特性试验曲线图中电机反馈电流信号是从LM324的引脚“8”取的电压信号（参考图3-11 电流检测电路），此引脚的电压信号大小体现了电机电流大小，电机电流越大，在取样电阻R41上的压降越大，通过运算放大器LM324的放大，LM324引脚“8“的电压亦越大；反之，LM324引脚“8”的电压越小。由于该点电压信号