【正文】 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然現(xiàn)在運(yùn)用得比較多，但是還是有它的缺點。 與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS 具有如下優(yōu)點： ① 降低了燃油消耗。EPS 系統(tǒng)可通過修改軟件很容易實現(xiàn)在不同駕駛轉(zhuǎn)向工作狀況下獲得更優(yōu)的路感，并能有效改善低速轉(zhuǎn)向盤沉重，高速時發(fā)飄的現(xiàn)象。 EPS 以其特有的優(yōu)越性而得到青睞，它代表著未來動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向。 Delphi 汽車系統(tǒng)己經(jīng)為大眾的 Polo、歐寶 3181 以及菲亞特的 Punto 開發(fā)出 EPS。 Badaway 對 EPS 系統(tǒng)進(jìn)行建模并對模型進(jìn)行了簡化，驗證了簡化模型的有效性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了控制器并討論了影響轉(zhuǎn)向性能的因素。 EPS系統(tǒng)原理EPS系統(tǒng)由電子控制單元ECU、助力電動機(jī)、扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器和減速系統(tǒng)等構(gòu)成。高轉(zhuǎn)速下,大的齒輪傳動比將會增加系統(tǒng)的機(jī)械慣量,影響系統(tǒng)動態(tài)性能。電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流存在雙=Ct中I舀的函數(shù)關(guān)系,通過調(diào)節(jié)電樞電流便可方便地調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。優(yōu)點:低轉(zhuǎn)速,大扭矩,過載能力強(qiáng),力矩波動小。缺點:控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。因此在使用無刷直流電機(jī)做EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)時,為獲得良好的性能,我們必須從以上兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。以此類推,每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60“電角度,定子繞組就改變一次導(dǎo)通狀態(tài),始終保持定子合成磁動勢領(lǐng)先于轉(zhuǎn)子永磁磁動勢6001200電角度,從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。目前,。 ③ 根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能和已設(shè)計的硬件電路，完成各個軟件模塊的設(shè)計和調(diào)試。 (a)是在永磁無刷直流電機(jī)中應(yīng)用十分廣泛的的整數(shù)槽結(jié)構(gòu),定子每極每相槽數(shù)為整數(shù),繞組采用雙層疊繞組或者單層同心式繞組。 (c)為定轉(zhuǎn)子槽數(shù)/極數(shù)比為3/2的分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)。 (a)中由兩片永磁體圓弧形成轉(zhuǎn)子N極,通過轉(zhuǎn)子鐵心的凸極結(jié)構(gòu)形成兩個S極。 (e)、(f)、(g)中轉(zhuǎn)子永磁體均采用表面式安裝結(jié)構(gòu)。但其不足之處是當(dāng)電機(jī)停止或轉(zhuǎn)速較低時,反電動勢沒有或很小而無法檢出,不利于電機(jī)的啟動。這樣,我們在設(shè)計時便可以將電磁負(fù)荷取為較大值,以減小電機(jī)體積,節(jié)省有限的汽車內(nèi)部空間。 四、效率。在無刷直流電機(jī)設(shè)計中,主要尺寸是指定子內(nèi)徑幾和電樞鐵心計算長度La,它們確定了電動機(jī)的外形輪廓、重量及材料費用,與電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)也有非常密切的關(guān)系。 作為車載電機(jī)的一種,為節(jié)約有限的車內(nèi)空間,我們應(yīng)該盡量減小電機(jī)的尺寸。而滿足這些要求,是設(shè)計EPS用無刷直流電動機(jī)的關(guān)鍵。當(dāng)EPS系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,單片機(jī)將控制EPS系統(tǒng)退出運(yùn)行,轉(zhuǎn)入手動助力模式。 由圖52可以看出,EPS系統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)矩由方向盤的輸入轉(zhuǎn)矩和車速共同確定。具體來說可分為三種,即助力控制、回正控制和阻尼控制。當(dāng)快速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤時,轉(zhuǎn)向盤的瞬時角速度很大,電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也很大,轉(zhuǎn)向盤不再旋轉(zhuǎn)后,由于慣性作用電機(jī)還沒有停止轉(zhuǎn)動,帶動轉(zhuǎn)向盤造成汽車轉(zhuǎn)向過度,這是極其危險的。 驅(qū)動電路接受控制電路的控制信號,驅(qū)動功率電路中相應(yīng)的功率管導(dǎo)通或截止,同時也是控制電路和功率電路之間的隔離環(huán)節(jié)。相繞組的供電電壓為方波。電機(jī)的換向控制、輸出轉(zhuǎn)矩控制及各種保護(hù)功能的實現(xiàn)都由主控電路來完成。 無刷直流電機(jī)的數(shù)字控制方式是指以微處理器為核心,由微處理器來實現(xiàn)電子換向及轉(zhuǎn)矩控制的一種控制方法,具有接口能力強(qiáng),使用靈活方便的優(yōu)點。 由于EPS系統(tǒng)對控制的實時性要求較高,其對控制芯片的數(shù)據(jù)處理能力便提出了較高的要求,在這方面DSP無疑是一個好的選擇。X和Y數(shù)據(jù)空間的邊界視具體器件而定。該桶形移位寄存器能在單個周期內(nèi)將一個40位的值右移或左移最多16位。REO一RES為PWM信號輸出端口。驅(qū)動電路為12V,電機(jī)端電壓為12V,光禍器件工作電壓SV,而直流電源只有12V一個等級。 功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)是一種單極性電壓控制器件,具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿和安全工作區(qū)寬等顯著特點,在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。驅(qū)動電路的作用一方面是對主控電路輸出的六路PWM脈沖信號進(jìn)行功率放大,產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動信號控制MOSFET功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷,從而實現(xiàn)對電機(jī)的控制。 (4)帶有死區(qū)保護(hù),使同橋臂的兩個功率MOSFET的驅(qū)動信號之間有一互鎖間隔,防止同橋臂兩個功率器件直通短路。IR2110的引腳11(SD)為保護(hù)信號輸入端。使用兩路電壓信號分別模擬轉(zhuǎn)向盤上施加的扭矩信號和車速信號,然后由DSC確定需要輸出的轉(zhuǎn)矩大小。因此今后,我們將繼續(xù)在上述三個方面進(jìn)行深入的研究和改進(jìn)。 (2)根據(jù)EPS系統(tǒng)的要求,設(shè)計了無刷直流電機(jī)樣機(jī)。然而由于時間所限,本文只將側(cè)重點放在了EPS用電機(jī)的性能優(yōu)化設(shè)計方面,對于控制策略并沒有進(jìn)行深入的研究。這將使我在今后的學(xué)習(xí)、工作和生活中受益良多,我與楊教授的關(guān)懷和幫助是密不可分的。 衷心地感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們。 汽車轉(zhuǎn)向助力技術(shù)未來的發(fā)展趨勢是線控轉(zhuǎn)向方式(SBW),然而其內(nèi)核依然是依靠MCU控制助力電機(jī)提供助力轉(zhuǎn)矩。然后針對分析結(jié)果所反映出來的問題,主要從削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)兩方面對樣機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。對它的研究涉及到機(jī)械、計算機(jī)、電子、控制等多個技術(shù)領(lǐng)域。本章分別介紹了控制系統(tǒng)主控電路、驅(qū)動及功率電路的工作原理和器件選型,并給出了控制系統(tǒng)的軟件程序框圖。而當(dāng)該端接低電平時,則IRZ110的輸出跟隨輸入引腳的變化。H頂和LIN為同一橋臂的兩個驅(qū)動信號的輸入端,V cc接+12V驅(qū)動電源,COM接逆變橋共地。為了簡化設(shè)計和提高可靠性,目前功率變流器驅(qū)動電路大多采用專用集成芯片來實現(xiàn)。IRF2807的耐壓為75V,可承受28OA的瞬時沖擊電流,25℃時持續(xù)導(dǎo)通電流可達(dá)82A。為了獲得十SV直流電壓,同時提高驅(qū)動電路供電電壓的質(zhì)量,我們使用了兩個三端穩(wěn)壓控制芯片7805和7815。DSC掃描霍爾位置傳感器輸入端口,根據(jù)霍爾信號輸出相應(yīng)的邏輯控制信號,送往PWM端口輸出,控制電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。MAC指令和其他相關(guān)指令可以在同一個周期內(nèi)，同時完成從存儲器中取兩個數(shù)據(jù)操作數(shù)，將兩個W寄存器相乘并累加，且可選擇使結(jié)果飽和。模尋址省去了DSP算法的軟件邊界檢查開銷。因此,選擇一種兼有單片機(jī)和DSP兩者優(yōu)點,又不會放大兩者缺點的產(chǎn)品便十分具有現(xiàn)實意義?？捎糜跓o刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器主要有單片機(jī)和數(shù)字信號處理器(DSP)。 無刷直流電機(jī)的控制方式主要有模擬方式和數(shù)字方式。電角度為周期跳躍式旋轉(zhuǎn),與轉(zhuǎn)子永磁磁場之間的夾角在6039。 無刷直流電機(jī)定子槽內(nèi)安裝霍爾位置傳感器,三個霍爾元件互差60。阻尼控制的作用便是提高轉(zhuǎn)向的收斂性,即當(dāng)轉(zhuǎn)向盤停止動作時,電機(jī)也要求相應(yīng)的停止轉(zhuǎn)動。此時,助力電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩方向與駕駛員施加在方向盤上的扭矩方向一致,起到助力作用。為增強(qiáng)EPS系統(tǒng)的路感,電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)該隨著車速的增高而降低。由于無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以等效為Te=Kt重點闡述了電機(jī)結(jié)構(gòu)型式、永磁體的選擇,以及電磁負(fù)荷和電機(jī)主要參數(shù)的確定。但是,由于助力電機(jī)主要工作于斷續(xù)工作模式,而且功率較小,對于能耗的要求并不是太高,因此我們可以考慮采用這種設(shè)計方式。為電機(jī)的電磁功率(kW),n電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。但是,由于EPS用無刷直流電動機(jī)的功率較小,其能耗指標(biāo)并不十分突出。電動機(jī)的防護(hù)型式直接影響電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及通風(fēng)散熱,在設(shè)計時必須充分注意。而采用霍爾元件作為位置傳感器的有位置傳感器檢測方式,安裝方便、工作可靠、價格低廉,是比較理想的選擇。由于稀土永磁材料磁導(dǎo)率很低,所以定子繞組電感很小,電樞反應(yīng)磁場較弱,對于永磁無刷電機(jī)運(yùn)行有利。但是轉(zhuǎn)子鐵心的凸極結(jié)構(gòu)會使定子繞組電感發(fā)生變化,其數(shù)值隨轉(zhuǎn)子位置而變化,從而在電機(jī)運(yùn)行時會產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩。分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)相對于整數(shù)槽的明顯優(yōu)點是繞組端部尺寸小,繞組利用率高。 (b)中定子鐵心為無齒槽結(jié)構(gòu),定子繞組均勻分布于定轉(zhuǎn)子之間的大有效氣隙中。 第二章EPS用永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計 在第一章中,我們已經(jīng)對EPS用助力電機(jī)的特點進(jìn)行了總結(jié)。 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,尤其是汽車電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,EPS系統(tǒng)必將取代傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)成為轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的主流。每相繞組每次導(dǎo)通1200,且每個狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通,此種方式稱為兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)工作模式。永磁無刷直流電動機(jī)的構(gòu)成圖如下: 在永磁無刷直流電動機(jī)中,電樞繞組安裝在定子鐵心中,永磁體固定在轉(zhuǎn)子上,利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測永磁磁極的位置,并由此確定定子繞組的下一個導(dǎo)通狀態(tài),使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。它具有與有刷直流電動機(jī)相同的調(diào)速和控制性能,但是卻克服了有刷直流電機(jī)中存在的換向火花和電磁干擾。 4)無刷直流電動機(jī)優(yōu)點:用電子換向取代了機(jī)械電刷和換向器,不產(chǎn)生換向火花和機(jī)械噪聲。 2)伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)也稱為執(zhí)行電動機(jī),它把電壓信號直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸的角速度或者角位移輸出。對于大型車輛,甚至應(yīng)該能夠提供與轉(zhuǎn)動方向相反的助力轉(zhuǎn)矩。這種隨車速和扭矩變化的助力方式,相比采用固定傳動比的液壓助力方式,既能保證汽車低速運(yùn)行時的靈敏性,又能保證高速行駛時的穩(wěn)定性。Zaremba,，按照轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求，提出了對校正器增益、相位滯后和零極點位置的約束，針對變結(jié)構(gòu)控制器，提出了一種非線性約束的最優(yōu)化方法，其控制規(guī)律使目標(biāo)函數(shù) (H_sub2 范數(shù))取極小值，從而使操縱手感得到改善。MercedesBenz 和 Siemens Automotive 兩大公司共同投資了 6500 萬英鎊用于開發(fā) EPS，他們計劃開發(fā)出用于汽車前橋負(fù)載超過 1200kg的 EPS 系統(tǒng)，因此貨車也可能成為 EPS 的裝備目標(biāo)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 ① 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最早是由日本研制成功的。EPS 應(yīng)用電能作為能源，完全取締了液壓裝置，不會有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的泄油問題，避免了污染。又由于即使在40 度的低溫下，EPS 也能夠很好的工作，而傳統(tǒng)得液壓系統(tǒng)要等到液壓油預(yù)熱后才能正常工作，因此該系統(tǒng)沒有啟動時的預(yù)熱，節(jié)省了能量。此外，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有噪聲大的缺點，并且液壓管路的泄漏以及進(jìn)氣造成會轉(zhuǎn)向沉重。EPS 用電動機(jī)直接提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）控制。 關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向；無刷直流電機(jī)；dsPIC33FJ12MC202；控制系統(tǒng) Abstract As the electric power steering (EPS) system with high performance, high efficiency, low cost , energy saving , etc., with the development of automotive electronics technology, electric power steering technology is gradually replacing the traditional hydraulic p