【正文】 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡稱:電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))，才真正擺脫了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。同年，在歐洲市場銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車一菲亞特幫托也將美國德爾福公司生產(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。為此，國外幾家大公司(如德國的 ZF、英國盧卡斯一偉利達(dá)、Saginaw、TRW、日本的 NSK、Koy 等)都竟相推出自己的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。TRW 從 1998 年開始，便投入了大量人力、物力和財(cái)力用于 EPS 的開發(fā)，他們最初是針對客車開發(fā)出轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS，如今小齒輪助力式 EPS 開發(fā)已獲成功，1999 年 3 月，他們的 EPS 已經(jīng)裝備于轎車上，如:Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。 與國外相比，我國的電動(dòng)轉(zhuǎn)向研究在很長一段時(shí)間里是空白，自 2000 年昌河北斗星車裝備 EPS 后，掀開了國內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁。 ② 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)大部分文獻(xiàn)只介紹了國外轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，文獻(xiàn)介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，并對機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向、電子液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向和電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了部分闡述。文獻(xiàn)在對輪胎特性進(jìn)行線性化假設(shè)的前提下，忽略了影響操縱系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，并給出了轉(zhuǎn)向力矩與車速、轉(zhuǎn)彎曲率半徑、轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比等參數(shù)之間的關(guān)系。Gregg, EPS 完整的系統(tǒng)構(gòu)成，并利用手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確模型及 MatrixX 包對整車進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，使 EPS 性能得到了優(yōu)化。文獻(xiàn)[27]在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的振動(dòng)進(jìn)行分析后，提出了一個(gè)降低振動(dòng)和保持路感的校正器。Burton 對電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路的 Matlab 模型進(jìn)行了仿真。 采取 PD 控制，獲得理想的穩(wěn)態(tài)扭矩，并避免了扭矩在中頻段的高傳遞率，采用超前補(bǔ)償器消除 PD 控制器無法解決的噪音問題。 在正常工作模式下,當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí),扭矩傳感器開始工作,把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對位移轉(zhuǎn)化成電信號傳給ECU,ECU再根據(jù)傳來的扭矩信號和車速信號,決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和助力電流的大小,從而達(dá)到助力目標(biāo)。 EPS用助力電機(jī)概述 助力電機(jī)為EPS提供動(dòng)力,是EPS系統(tǒng)的動(dòng)力源,它根據(jù)ECU單元的指令,輸出適宜的助力轉(zhuǎn)矩。相對普通電動(dòng)機(jī),電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用電機(jī)應(yīng)該具有以下特點(diǎn):.由于絕大多數(shù)車載電源為12V直流,因此要求直流電機(jī)供電電壓低,并且具有大的額定電流和額定功率。.轉(zhuǎn)速低,約1000r/mln左右。.在堵轉(zhuǎn)時(shí)也能提供助力轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)、伺服電機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等已經(jīng)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。下面就對各種EPS用助力電機(jī)進(jìn)行簡單介紹?？梢灾苯佑善囯娫催M(jìn)行供電。缺點(diǎn):使用機(jī)械電刷和換向器,造成換向火花和機(jī)械噪聲,縮短電機(jī)壽命,增加維護(hù)工作量,并且影響控制精度。優(yōu)點(diǎn):具有良好的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比。缺點(diǎn):控制較為復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要通過現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)來設(shè)定。這種電機(jī)可以長期工作在堵轉(zhuǎn)或者低速狀態(tài)。缺點(diǎn):機(jī)械特性較軟。機(jī)械特性類似于普通直流電機(jī),易于進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。缺點(diǎn):采用1加“導(dǎo)通方式工作,有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等)后,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較BLDC小。 綜合分析各種助力電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種理想的EPS系統(tǒng)伺服電機(jī)。它具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單的優(yōu)點(diǎn),但是又沒有交流電機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。 但是無刷直流電機(jī)作為EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)也并非完美無缺。另一方面,由于采用1200換向方式工作,定子磁場每隔600電角度產(chǎn)生一次跳變,使電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)也存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)概述永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Brushless DC motor)是一種典型的電一體化產(chǎn)品,由電動(dòng)機(jī)本體、控制和驅(qū)動(dòng)電路、位置傳感器三部分組成。下面以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)2極永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為例,說明其工作原理,。根據(jù)電磁力定律,永磁體將沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),定子磁動(dòng)勢順時(shí)針跳轉(zhuǎn)600,在電磁力的作用下,轉(zhuǎn)子將繼續(xù)做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 從運(yùn)行過程來看,定子繞組每隔60“改變一次運(yùn)行狀態(tài),定子合成磁場相應(yīng)改變一次位置。在每個(gè)狀態(tài)過程中,定子合成磁場都恒定不動(dòng),而轉(zhuǎn)子磁場則連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。 近年來,隨著電力電子技術(shù)、永磁材料和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,永磁無刷直流電機(jī)得到了迅速發(fā)展。 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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。然而,應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的助力電機(jī)仍然以有刷直流電機(jī)為主。而無刷直流電機(jī)以其優(yōu)異的控制性能也必將取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)在EPS系統(tǒng)中的地位。在設(shè)計(jì)的過程中，吸取了國內(nèi)外的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。② 觀測無刷直流電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)波形，并對電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決方法。 ④ 在綜合試驗(yàn)臺和電機(jī)試驗(yàn)臺上完成相關(guān)試驗(yàn)，觀測波形，討論控制實(shí)際控制效果。為了保證整個(gè)EPS系統(tǒng)的良好性能,我們在助力電機(jī)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)該從這些方面入手,盡量滿足這些方面的要求。本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合EPS系統(tǒng)的性能要求,進(jìn)行無刷直流電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(jī)更加多樣化。這種結(jié)構(gòu)的顯著缺點(diǎn)是齒槽定位轉(zhuǎn)矩較大,不適宜于EPS助力電機(jī)的設(shè)計(jì)。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(jī)來講是有益的,非常適用于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和振動(dòng)、噪聲要求較高的場合。有效氣隙長,與繞組鉸鏈的氣隙磁場減弱等?？紤]到車載電機(jī)散熱條件方面的限制,此結(jié)構(gòu)的電機(jī)也不宜采用。相繞組線圈繞在一個(gè)定子齒上,每對極下有三個(gè)定子齒,分別對應(yīng)定子三相繞組。一個(gè)線圈可以形成一個(gè)獨(dú)立的磁極,相繞組之間藕合弱,互感小。但是此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)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。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。 (b)中永磁體切向勵(lì)磁,可以獲得了較高的氣隙磁密。 (c)中轉(zhuǎn)子永磁磁極之間為磁性鐵心,使轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生一個(gè)附加的磁阻轉(zhuǎn)矩,通過合理的電機(jī)設(shè)計(jì)可以使該磁阻轉(zhuǎn)矩變?yōu)橛杏玫耐蟿?dòng)轉(zhuǎn)矩,增大電機(jī)的功率密度。(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(diǎn)。該結(jié)構(gòu)中永磁體直接面對氣隙,使氣隙磁場較強(qiáng)。 根據(jù)助力電機(jī)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。 目前,無刷直流電動(dòng)機(jī)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。反電動(dòng)勢檢測法的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單,技術(shù)成熟,成本低,實(shí)現(xiàn)起來相對容易。由于應(yīng)用于EPS系統(tǒng)中的無刷直流電機(jī)需要頻繁的啟動(dòng),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。 無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(dòng)機(jī)各部分的尺寸,并計(jì)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。直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式主要有連續(xù)、短時(shí)和斷續(xù)三種。由EPS系統(tǒng)的功能特性我們知道,助力電機(jī)只是在接收到轉(zhuǎn)向盤傳來的的扭矩信號后,才會(huì)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),因此可以看做一種短時(shí)運(yùn)行方式。 二、防護(hù)型式。一般直流電機(jī)的防護(hù)型式主要有防護(hù)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。 三、溫升和絕緣。綜合考慮絕緣材料的耐熱等級和電機(jī)的溫升情況,選用F級或H級絕緣比較合適。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率直接影響電能的有效利用,也影響電動(dòng)機(jī)本身的溫升。在保證其他性能指標(biāo)的前提下,可以允許犧牲一點(diǎn)效率。它們與電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定直接相關(guān),對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、效率、溫升等也有很大影響。磁負(fù)荷B是指無刷直流電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。以電磁功率為橋梁,可以推導(dǎo)出無刷直流電動(dòng)機(jī)在給定功率和轉(zhuǎn)速下,主要尺寸與電磁負(fù)荷之間的關(guān)系,如下 (22) 其中La電樞鐵心計(jì)算長度(cm)p39。由上式可以看出: (l)在電磁負(fù)荷一定時(shí),電動(dòng)機(jī)的體積與電磁功率成正比,與轉(zhuǎn)速成反比。 (3)在技術(shù)指標(biāo)給定的情況下即電動(dòng)機(jī)電磁功率和轉(zhuǎn)速不變時(shí),電動(dòng)機(jī)的主要尺寸很大程度上取決于所選的電磁負(fù)荷。但是隨著電磁負(fù)荷的增加,電機(jī)的銅耗、鐵耗會(huì)相應(yīng)增加,效率下降,影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。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(shí)我們就要選取較大的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B,然而這樣做的顯著缺點(diǎn)便是增大了電機(jī)的銅耗和鐵耗,增加了發(fā)熱,降低了效率。 另外,根據(jù)助力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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)。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。 EPS用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)與一般無刷直流電動(dòng)機(jī)相比,在設(shè)計(jì)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(dòng)慣量等是其基本特點(diǎn)。本章根據(jù)EPS系統(tǒng)對助力電機(jī)的性能要求,設(shè)計(jì)了一臺無刷直流電動(dòng)機(jī)。最后使用有限元仿真軟件JMAG進(jìn)行了電機(jī)性能的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí),單片機(jī)上電后對EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢。駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向,扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,車速傳感器檢測到車速信號,這些信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至控制單元微處理器的相應(yīng)端口,單片機(jī)根據(jù)方向盤扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速等數(shù)據(jù),并依據(jù)助力特性,確定助力電流的大小和方向,通過單片機(jī)的PWM口控制相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷或進(jìn)行PWM,調(diào)節(jié)輸出電流的大小,從而調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。 EPS控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是根據(jù)扭矩信號和車速信號,輸出所需要的助力轉(zhuǎn)矩。Ie,其中Kt為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù),Ie為電機(jī)有效電流。 對電機(jī)輸出助力轉(zhuǎn)矩幾的控制由電機(jī)目標(biāo)助力電流控制算法和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制兩部分組成。后者根據(jù)電機(jī)目標(biāo)電流和電機(jī)反饋電流Im對電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制。EPS系統(tǒng)對輸出助力轉(zhuǎn)矩的基本要求是:在某一速度情況下,當(dāng)方向盤沒有轉(zhuǎn)矩或只有很小的扭矩的時(shí)候,電動(dòng)機(jī)不提供助力,直到方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)需要很大力矩的時(shí)候,為了減輕駕駛員的出力,電機(jī)開始提供助力轉(zhuǎn)矩,并且力矩的大小隨著方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大而增大,而當(dāng)方向盤扭矩大于某一個(gè)值后,電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩不再增大,以防止電機(jī)因電流過大而損壞。而且能夠在正反兩個(gè)方向提供助力轉(zhuǎn)矩。助力特性大體分為三大類:直線型、折線型和曲線型。 根據(jù)汽車行駛狀態(tài)的不同,為提高EPS系統(tǒng)的操控性能,EPS系統(tǒng)也應(yīng)該分別對應(yīng)不同的控制模式。 助力控制又稱為常規(guī)控制,是在汽車轉(zhuǎn)向角增大的過程中為減輕施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力,通過減速機(jī)構(gòu)把助力電機(jī)提供的力矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的一種基本控制模式。 回正控制是改善轉(zhuǎn)向回正性能的一種控制模式,汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向便可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。 阻尼控制是汽車運(yùn)行時(shí),提高高速直線行駛穩(wěn)定性的一種控制模式。尤其在車速較高時(shí),需要阻尼控制使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)以改善轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。阻尼控制的原理是當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)生短路時(shí),電動(dòng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與其轉(zhuǎn)速成正比的反向轉(zhuǎn)矩,