【文章內(nèi)容簡介】 其工作原理,。 (a)所示位置時,位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子位置信號,經(jīng)過邏輯譯碼后產(chǎn)生導(dǎo)通信號,T6導(dǎo)通,即A相繞組正向?qū)?B相繞組反相導(dǎo)通,(a)所示。根據(jù)電磁力定律,永磁體將沿順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過600,(b)中位置時,位置傳感器再根據(jù)所檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號,控制開關(guān)管T6關(guān)斷,T:導(dǎo)通,實現(xiàn)電流由B相到C相的換向。此時,定子磁動勢順時針跳轉(zhuǎn)600,在電磁力的作用下,轉(zhuǎn)子將繼續(xù)做順時針旋轉(zhuǎn)。以此類推,每當(dāng)電機轉(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,從而使電機轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。 從運行過程來看,定子繞組每隔60“改變一次運行狀態(tài),定子合成磁場相應(yīng)改變一次位置。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。在每個狀態(tài)過程中,定子合成磁場都恒定不動,而轉(zhuǎn)子磁場則連續(xù)轉(zhuǎn)動,因此總的合成磁場將連續(xù)變化而非恒定,由此將造成電機電磁轉(zhuǎn)矩的波動。為了抑制由電流換向造成的無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動,已有不少學(xué)者做了大量的研究工作[5,6,7],這里不做詳細討論。 近年來,隨著電力電子技術(shù)、永磁材料和微機控制技術(shù)的發(fā)展,永磁無刷直流電機得到了迅速發(fā)展。以其高效、高功率密度、高可靠性的特點,在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,如醫(yī)療器械、儀器儀表、航空航天、電動車等方面都得到了廣泛應(yīng)用。 在國內(nèi),昌河公司于2000年最早在北斗星的部分車型上安裝了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前,。然而,應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的助力電機仍然以有刷直流電機為主。 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。而無刷直流電機以其優(yōu)異的控制性能也必將取代傳統(tǒng)的直流電機在EPS系統(tǒng)中的地位。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題主要負責(zé)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的心臟部分：無刷直流電機控制器的研究和開發(fā)。在設(shè)計的過程中，吸取了國內(nèi)外的電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗。本課題研究的主要內(nèi)容為： ① 在分析EPS系統(tǒng)對助力電機要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一臺EPS用永磁無刷直流電動機。② 觀測無刷直流電機運行的相關(guān)波形，并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中無刷直流電機控制關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并提出相應(yīng)的解決方法。 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。 ④ 在綜合試驗臺和電機試驗臺上完成相關(guān)試驗，觀測波形，討論控制實際控制效果。 第二章EPS用永磁無刷直流電動機的設(shè)計 在第一章中,我們已經(jīng)對EPS用助力電機的特點進行了總結(jié)。為了保證整個EPS系統(tǒng)的良好性能,我們在助力電機的設(shè)計中也應(yīng)該從這些方面入手,盡量滿足這些方面的要求。 文獻分別對永磁無刷直流電機定轉(zhuǎn)子的各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點進行了總結(jié)和比較。本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合EPS系統(tǒng)的性能要求,進行無刷直流電動機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計。永磁無刷直流電動機的定子鐵心中放置繞組,轉(zhuǎn)子上加永磁磁極。由于永磁無刷直流電動機應(yīng)用場合多樣,其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式比永磁同步電機更加多樣化。 (a)是在永磁無刷直流電機中應(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。這種結(jié)構(gòu)的顯著缺點是齒槽定位轉(zhuǎn)矩較大,不適宜于EPS助力電機的設(shè)計。 (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。由于取消了定子齒,定轉(zhuǎn)子之間不產(chǎn)生齒槽定位轉(zhuǎn)矩,這對于永磁電機來講是有益的,非常適用于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和振動、噪聲要求較高的場合。但是這種結(jié)構(gòu)也會帶來不利因素,如:繞組散熱能力差,溫升高。有效氣隙長,與繞組鉸鏈的氣隙磁場減弱等。為了獲得較高的氣隙磁場需要增大轉(zhuǎn)子永磁體的厚度,使電機的成本較高?？紤]到車載電機散熱條件方面的限制,此結(jié)構(gòu)的電機也不宜采用。 (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)。相繞組線圈繞在一個定子齒上,每對極下有三個定子齒,分別對應(yīng)定子三相繞組。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。一個線圈可以形成一個獨立的磁極,相繞組之間藕合弱,互感小?？梢杂行魅跤来烹姍C內(nèi)部的齒槽定位轉(zhuǎn)矩。但是此結(jié)構(gòu)的缺點為:相繞組不能與全部的轉(zhuǎn)子磁場禍合,導(dǎo)致永磁體的利用率降低。 綜合分析上述三種定子結(jié)構(gòu)型式,再考慮到車載電機工作環(huán)境、性能要求等方面的約束,我們最終選擇了8極12槽的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)作為定子設(shè)計方案。 (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。該結(jié)構(gòu)可以使永磁轉(zhuǎn)子所需的永磁體片數(shù)降低一半,降低了制造成本。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,從而在電機運行時會產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩。 (b)中永磁體切向勵磁,可以獲得了較高的氣隙磁密。但此結(jié)構(gòu)下電樞反應(yīng)磁場較大,會引起氣隙磁場畸變,進而增大轉(zhuǎn)子鐵心損耗。 (c)中轉(zhuǎn)子永磁磁極之間為磁性鐵心,使轉(zhuǎn)子運行時產(chǎn)生一個附加的磁阻轉(zhuǎn)矩,通過合理的電機設(shè)計可以使該磁阻轉(zhuǎn)矩變?yōu)橛杏玫耐蟿愚D(zhuǎn)矩,增大電機的功率密度。但是磁阻轉(zhuǎn)矩的存在也增大了電機的轉(zhuǎn)矩波動。(d)的的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、成本低,但是磁性能差也是其顯著缺點。 (e)、(f)、(g)中轉(zhuǎn)子永磁體均采用表面式安裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中永磁體直接面對氣隙,使氣隙磁場較強。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,對于永磁無刷電機運行有利。 根據(jù)助力電機應(yīng)用場合的要求,獲得較平穩(wěn)的助力轉(zhuǎn)矩是其最主要的要求。通過對七種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較,我們最終選擇了表面式安裝結(jié)構(gòu)作為電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式。 目前,無刷直流電動機中的轉(zhuǎn)子位置檢測方式主要有兩種,即有位置傳感器的檢測方式和無位置傳感器方式。其中無位置傳感器的檢測方式中,應(yīng)用最為廣泛的是繞組非導(dǎo)通相反電動勢檢測法。反電動勢檢測法的優(yōu)點是線路簡單,技術(shù)成熟,成本低,實現(xiàn)起來相對容易。但其不足之處是當(dāng)電機停止或轉(zhuǎn)速較低時,反電動勢沒有或很小而無法檢出,不利于電機的啟動。由于應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的無刷直流電機需要頻繁的啟動,并且主要是工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài),因此這種方式并不適合。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。 無刷直流電動機設(shè)計的主要內(nèi)容包括電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,其任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能指標(biāo),選用合適的材料,確定電動機各部分的尺寸,并計算其性能,以滿足節(jié)省材料,制造方便,性能良好等基本要求。無刷直流電機設(shè)計中的技術(shù)要求主要有以下幾點: 一、運行方式。直流無刷電動機的運行方式主要有連續(xù)、短時和斷續(xù)三種。在同樣的功率和同樣溫升的限制下,斷續(xù)或短時運行方式的電動機尺寸要比連續(xù)運行方式的電動機小。由EPS系統(tǒng)的功能特性我們知道,助力電機只是在接收到轉(zhuǎn)向盤傳來的的扭矩信號后,才會進入運行狀態(tài),因此可以看做一種短時運行方式。這樣,我們在設(shè)計時便可以將電磁負荷取為較大值,以減小電機體積,節(jié)省有限的汽車內(nèi)部空間。 二、防護型式。電動機的防護型式直接影響電動機的結(jié)構(gòu)及通風(fēng)散熱,在設(shè)計時必須充分注意。一般直流電機的防護型式主要有防護式和封閉式兩種,其中封閉式結(jié)構(gòu)主要用于粉塵較多的場合。由車載電機的工作條件我們知道,系統(tǒng)對電機通風(fēng)散熱的要求比防塵更為嚴(yán)格,因此選用防護式更為合理。 三、溫升和絕緣。在電動機運行過程中,由于本身內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致電動機部件的老化,壽命縮短。綜合考慮絕緣材料的耐熱等級和電機的溫升情況,選用F級或H級絕緣比較合適。 四、效率。電動機的運行效率直接影響電能的有效利用,也影響電動機本身的溫升。但是,由于EPS用無刷直流電動機的功率較小,其能耗指標(biāo)并不十分突出。在保證其他性能指標(biāo)的前提下,可以允許犧牲一點效率。 所謂電機的電磁負荷是指電機的電負荷A和磁負荷B。它們與電動機主要尺寸的確定直接相關(guān),對電動機的運行特性、效率、溫升等也有很大影響。其中,無刷直流電動機中的電負荷(線負荷)A是指沿定子內(nèi)徑圓周方向每單位長度中的安培導(dǎo)體總數(shù),其表達式為 (21)其中,m為電機相數(shù),戈每相導(dǎo)體數(shù),Ia相電流(A),Da定子內(nèi)徑(cm)。磁負荷B是指無刷直流電機氣隙磁感應(yīng)強度的最大值。在無刷直流電機設(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,它們確定了電動機的外形輪廓、重量及材料費用,與電機技術(shù)性能指標(biāo)也有非常密切的關(guān)系。以電磁功率為橋梁,可以推導(dǎo)出無刷直流電動機在給定功率和轉(zhuǎn)速下,主要尺寸與電磁負荷之間的關(guān)系,如下 (22) 其中La電樞鐵心計算長度(cm)p39。為電機的電磁功率(kW),n電機轉(zhuǎn)速(r/min)。由上式可以看出: (l)在電磁負荷一定時,電動機的體積與電磁功率成正比,與轉(zhuǎn)速成反比。 (2)轉(zhuǎn)速一定時,若直徑不變而采用不同長度,則可得到不同功率的電機。 (3)在技術(shù)指標(biāo)給定的情況下即電動機電磁功率和轉(zhuǎn)速不變時,電動機的主要尺寸很大程度上取決于所選的電磁負荷。電磁負荷選的越大,電動機的尺寸就越小,材料越節(jié)省。但是隨著電磁負荷的增加,電機的銅耗、鐵耗會相應(yīng)增加,效率下降,影響電動機的使用壽命。 作為車載電機的一種,為節(jié)約有限的車內(nèi)空間,我們應(yīng)該盡量減小電機的尺寸。根據(jù)上面的分析知道,在保證功率和轉(zhuǎn)速不變的條件下,這時我們就要選取較大的電負荷A和磁負荷B,然而這樣做的顯著缺點便是增大了電機的銅耗和鐵耗,增加了發(fā)熱,降低了效率。但是,由于助力電機主要工作于斷續(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。 另外,根據(jù)助力電機轉(zhuǎn)動慣量小的要求,我們應(yīng)該盡量減小轉(zhuǎn)子的直徑(約等于定子內(nèi)徑幾)。然而,由式(2一l)可以看出,在電機功率和轉(zhuǎn)速一定的條件下,減小電樞直徑的同時應(yīng)該增大電樞鐵心的長度,而且電樞直徑的少量減小,便會造成鐵心長度的大量增加。因此,我們應(yīng)該綜合考慮兩方面的影響,確定合理的Do和La。 樣機參數(shù)一、性能要求額定功率:250W額定電壓:12V額定轉(zhuǎn)速:1320r/min額定電流:30A相數(shù):3相二、電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)槽數(shù):12極數(shù):8定子鐵心外徑:85mm定子鐵心內(nèi)徑:定子鐵心長度:永磁體外徑:轉(zhuǎn)子鐵心外徑:轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑:10mm。 EPS用永磁無刷直流電動機與一般無刷直流電動機相比,在設(shè)計方面存在一些特殊之處,低電壓、大電流、低轉(zhuǎn)速、高功率密度、低轉(zhuǎn)動慣量等是其基本特點。而滿足這些要求,是設(shè)計EPS用無刷直流電動機的關(guān)鍵。本章根據(jù)EPS系統(tǒng)對助力電機的性能要求,設(shè)計了一臺無刷直流電動機。重點闡述了電機結(jié)構(gòu)型式、永磁體的選擇,以及電磁負荷和電機主要參數(shù)的確定。最后使用有限元仿真軟件JMAG進行了電機性能的計算,計算結(jié)果表明基本達到了設(shè)計要求。第三章EPS用無刷直流