汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计

汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计摘要：电动助力转向系统是对传统机械转向系统的创新，操控性能好，操作轻便，转配迅速，消耗动能少，燃油经济。分析比较了几种常见的电动助力系统结构的优缺点，给出了相应的电机选择原则，并进一步做出了相应的电机控制方案。关键词：电机；助力；转向系统；功率Abstract:electricpowersteeringsystemisonthetraditionalmechanicalsteeringsysteminnovation,controlgoodperformance,convenientoperation,ZhuanPeirapidly,lesskineticenergyconsumption,fueleconomy.Analysisandcomparisonofseveralcommonelectricpowersystemandtheadvantagesanddisadvantagesofthestructure,thecorrespondingmotorselectionprinciple,andfurthermakethecorrespondingmotorcontrolscheme.Keywords:motor;Power;Steeringsystem;power1.引言电动助力转向系统EPS(ElectricPowerSteering)是在传统的机械式转向系统的基础上，利用直流电机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号控制电机转矩的大小和转动方向。与传统的液压转向系统相比，电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性；同时具有轻型小巧，转配迅速，易于调整，噪声及废油、废气污染小等优点。本文参考已有的研究成果，在分析比较几种常见电动助力系统结构的优缺点基础上，给出了助力系统的电机选择原则，并设计了一种基于单片机的电机控制方案，这对于开展电动助力转向系统的研究具有一定的参考价值。2电机选择2.1电动机布置位置选择根据电动机布置位置不同，EPS可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种。这3种方案各有特点，具体车型采用何种型式依据前轴的空间大小、前轴的轴荷、电动机的特性等来确定。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。该方案的助力输入将经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩相对小；电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低；但是安装位置离驾驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动易直接传到转向盘上。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。该方案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩也相对小;电动机安装位置在地板下方，工作环境差，对密封要求较高;其力矩波动也易传到转向盘上。由于离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小。齿条助力式EPS的电动机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。该方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大；电动机工作环境差，对密封要求高;安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小，且其力矩波动不易传到转向盘上。2.2电动机的力矩匹配汽车在原地转向时转向阻力矩最大，该值主要取决于前轴荷的大小。对于转向轴助力式EPS，为了满足动力转向的力随动要求，Tmmax需满足下述条件：(1)式中，Tmmax为满足转向轻便性要求的电动机最大输出力矩;Tmax为最大转向阻力矩;gp为转向系角传动比;gm为电动机减速机构传动比。gp越大转向越轻便，但灵敏度越差。以往没有动力转向时，gp的选择常常在转向轻便性与灵敏度之间进行折中，安装动力转向后，可以更多地兼顾灵敏度要求。gm的选择应充分考虑与电动机的匹配，gm越大要求Tmmax越小，这样可减小电动机尺寸，降低电动机的制造成本，并且易于在车上布置。但是gm越大，要求电动机转速越高，电动机的力矩波动也易传到转向盘上，同时减速机构尺寸也越大。2.3电动机的转速匹配要获得最大的工作效率，电动机应尽量工作在最大转速一半的状态，即式中，为电动机的额定转速；为电动机的最大转速。对于转向轴助力式电动助力转向系统，为满足一定转速范围内的转向轻便性要求，电动机的转速应满足(3)式中，为设定的转向盘最大转速。电动机减速机构的减速比对电动机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能;减速比还影响减速机构的尺寸、布置空间和传动效率等。2.4电动机的功率匹配及验算选择电动机额定功率一般分为计算电动机的负载功率、预选电动机、电动机的过热验算和过载验算三步。由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。匹配选择时，应综合考虑各种不同的负载情况，选择略大的电动机功率。2.4.1电动机负载功率的计算电动机的负载功率要根据具体的电动助力转向机构的负载功率及效率来进行计算，是选择电动机额定功率的依据。电动机的负载功率可采用下式来估算:(4)式中，入为考虑电动机、减速器等的功率系数，一般X的取值范围为1.2〜2.5。由式(4)可得(5)考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率应满足(6)式(6)条件下，可同时满足电动机短时工作制运行工况的条件为⑺式中，tg为电动机的短时工作时间；T为电动机的发热时间常数a为电动机额定运行时不变损耗与可变损耗的比值。2.4.2过热