电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计毕业论文设计.docx
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电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计毕业论文设计
电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计
摘要
由于电动助力转向（EPS）系统具有高性能、高效率、低成本、节能环保等优点，随着汽车电子技术的发展,电动助力转向技术逐渐取代传统的液压助力转向（HPS）,成为转向助力技术的主流。
目前，EPS的助力电机多采用传统的永磁直流电机，直流电机所用电刷产生的机械摩擦，带来了噪声、火花、电磁干扰以及寿命短等致命弱点，降低了EPS的可靠性和安全性能。
因此，开发一种新型的、适应于EPS的驱动电机—无刷直流电机，对提高EPS的性能具有重要意义。
本文在详细了解EPS系统性能要求和工作原理的基础上,对各种已有的EPS助力电机进行了总结和比较。
对比结果表明,无刷直流电机（BLDC）凭借其显著的优点,成为EPS助力电机的较优选择。
本文研究开发了EPS用无刷直流电机控制系统，论文的主要工作有：
1）分析了无刷直流电机的结构、工作原理。
并从电磁因素、电流换向、齿槽因素、电枢反应机械工艺等方面分析和研究了造成转矩脉动的原因，提出了改进措施。
2）构建了以Microchip公司的dsPIC33FJ12MC202微处理器作为控制核心的无刷直流机控制系统,设计了系统的硬件电路,编写调试了相应的控制程序,设计了无刷直流电机的控制系统。
实验表明：
无刷直流电机体积小、出力大、机械特性好，是EPS的理想驱动电机。
开发的无刷直流电机控制器成本低廉，性能可靠，符合EPS助力平顺、方便操纵、实时性高的要求，为后续的研究工作提供了良好的开发、测试平台。
关键词：
电动助力转向；无刷直流电机；dsPIC33FJ12MC202；控制系统
Abstract
Astheelectricpowersteering（EPS）systemwithhighperformance,highefficiency,lowcost,energysaving,etc.,withthedevelopmentofautomotiveelectronicstechnology,electricpowersteeringtechnologyisgraduallyreplacingthetraditionalhydraulicpowersteering（HPS）,becamesteeringtechnologymainstream.
Currently,EPSboostermotorsusemoreconventionalpermanentmagnetDCmotors,DCmotorsbrushmechanicalfriction,bringingnoise,sparks,electromagneticinterference,andshortlifefatalweakness,reducingthereliabilityandsecurityofEPSperformance.Therefore,thedevelopmentofanovel,adaptedEPSdrivemotor-brushlessDCmotor,toimprovetheEPSperformanceisimportant.
Inthispaper,adetailedunderstandingoftheEPSsystemperformancerequirementsandworksonthebasisofvariousexistingEPSboostermotorsweresummarizedandcompared.ComparativeresultsshowthatthebrushlessDCmotor（BLDC）WithitssignificantadvantagestobecometheoptimumchoiceEPSboostermotor.Inthispaper,theresearchanddevelopmentofEPSBrushlessDCmotorcontrolsystem,thepaper'smaintasksare:
1）analyzesthestructureofbrushlessDCmotorworks.Fromelectromagneticfactors,currentcommutation,alveolarfactors,technologyandotheraspectsofmechanicalarmaturereactionanalysisandstudyofthecausesoftorqueripple,theproposedimprovements.
2）constructedwithMicrochip'sdsPIC33FJ12MC202microprocessorasthecorecontrolbrushlessDCmotorcontrolsystem,thehardwarecircuitdesign,writeanddebugthecorrespondingcontrolproceduresdesignedbrushlessDCmotorcontrolsystem.
Experimentalresultsshowthat:
thebrushlessDCmotor,smallsize,largeoutput,goodmechanicalproperties,isidealforEPSdrivemotor.LowcostbrushlessDCmotorcontrollerdeveloped,reliableperformance,inlinewithEPSpowersmooth,easymanipulation,highreal-timerequirements,providingagooddevelopmentforsubsequentstudies,thetestplatform.
Keywords:
electricpowersteering;brushlessDCmotor;dsPIC33FJ12MC202;ControlSystem
摘要…………………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………2
第一章绪论………………………………………………………………………4
1.1引言…………………………………………………………………………4
1.2课题研究的目的和意义……………………………………………………4
1.3电动助力转向系统的发展历程和研究现状………………………………6
1.4EPS系统原理………………………………………………………………7
1.5EPS用助力电机概述………………………………………………………8
1.6无刷直流电动机概述……………………………………………………10
1.7课题研究的主要内容……………………………………………………12
第二章EPS用永磁无刷直流电动机的设计……………………………………12
2.1电机结构型式的选择………………………………………………………12
2.2永磁无刷直流电动机的设计概述…………………………………………15
2.3电磁负荷和电机主要尺寸…………………………………………………16
2.4样机的主要参数……………………………………………………………17
2.5本章小结……………………………………………………………………18
第三章EPS用无刷直流电动机控制系统的设计…………………………………18
3.1EPS控制系统概述……………………………………………………………18
3.2无刷直流电机控制系统的设计……………………………………………21
3.3主控电路……………………………………………………………………23
3.4功率及驱动电路……………………………………………………………28
3.5控制系统软件设计…………………………………………………………31
3.6硬件电路及实验结果………………………………………………………33
3.7本章小结……………………………………………………………………34
结论…………………………………………………………………………………35
参考文献（References）……………………………………………………………36
致谢…………………………………………………………………………………37
第一章绪论
1.1引言
汽车转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，对于确保车辆的安全行
驶，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全，改善驾驶员的工作条件起着重要
的作用。
随着现代汽车技术的迅猛发展，新技术不断被采用，汽车转向系统已从
机械式转向系统，液压动力转向系统（HydrulicPowerSteering,简称HPS），电动液压助力转向系统（ElectricHydrulicPowerSteering,简称EHPS），发展到如今利用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统（ElectricPowerSteering,简称EPS）。
所谓电动助力转向（electricpowersteering，简称EPS），就是在机械转向系统中，用电池作为能源，电动机为动力，以转矩和车速为输入信号，通过电子控制装置，协助人力转向，并获得最佳转向力的伺服系统。
EPS用电动机直接提供助力，助力大小由电子控制单元（ECU）控制。
它能节约能源，提高主动安全性，而且还有利于环保，关键是利用汽车电动助力转向系统能够使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度，即在低速时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍数和稳定的转向的手感，从而提高了高速操纵的稳定性。
近几年来，随着电子技术的发展，电动助力转向系统（EPS）逐渐成为世界汽车技术发展的热点之一。
1.2课题研究的目的和意义
本课题以汽车电动助力转向（EPS）控制系统的工程研制项目为背景，以开发出高可靠性、高性能指标、低成本并且具有自主知识产权的电动助力转向无刷直流电机控制器为目的。
传统的液压助力转向系统一般由发动机驱动转向油泵提供液压油，由转向控
制阀来控制液压油的流向以实现助力。
液压动力转向系统以其转向助力大、工作
滞后时间短、可以很少地吸收来自不平路面的冲击等特点获得广泛的应用。
液压
助力转向系统虽然现在运用得比较多，但是还是有它的缺点。
汽车在不同车速下
的行驶工况对助力的大小需求是不一样的，低速要求助力大，高速要求助力小或
者不助力或者增加转向阻力，传统的液压助力转向系统无法做到这点。
此外，液
压转向系统具有噪声大的缺点，并且液压管路的泄漏以及进气造成会转向沉重。
电子控制式液压动力转向系统由于增加了电子控制装置而且其阀的结构比较复杂，因而成本较高。
在技术上，电子控制液压动力转向器的设计也比普通液压动力转向器要复杂，必须考虑电气部分如传感器的选型和布置、电磁阀的特性、电液系统的耦合、转向电子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求。
虽然电子控制的液压动力转向系统在驾驶舒适性较传统的液压动力转向系统有很大的提高，但是没能从根本上解决系统在工作时大量的液流在泵内循环而造成的能源浪费问题。
电动助力转向系统（EPS）是在机械转向系统的基础上，根据扭矩和车速信
号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的转向助力，电动机的助力通
过减速器后施加到汽车的转向系统，从而达到助力效果。
电动助力转向系统是车
速感应型转向系统，系统能够根据车速变化自动调节助力特性，实现对汽车的主
动控制，提高了汽车的主动安全性。
与液压动力转向系统相比，EPS具有如下优点：
①降低了燃油消耗。
试验表明：
在不转向的情况下，装有EPS的车辆燃油
消耗降低了2.5%；在使用转向情况下，降低了5.5%。
又由于即使在-40度的低
温下，EPS也能够很好的工作，而传统得液压系统要等到液压油预热后才能正常
工作，因此该系统没有启动时的预热，节省了能量。
②增强了转向跟随性。
在EPS中，电动机产生助力转矩，通过适当的控制
方法，可以消除液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的随动
性能。
③改善了转向回正特性。
该系统采用微电子技术，利用软件控制电动机的动作，在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正性。
④有较好的“路感”。
EPS系统可通过修改软件很容易实现在不同驾驶转向
工作状况下获得更优的路感，并能有效改善低速转向盘沉重，高速时发飘的现象。
⑤有利于环保。
EPS应用电能作为能源，完全取缔了液压装置，不会有液
压助力转向系统中的泄油问题，避免了污染。
EPS还降低了噪声，因为它没有转向油泵，而转向油泵是一个噪声源。
⑥轻量化显著。
EPS系统结构紧凑，零件数目少，质量减轻，无油漏问题，系统易于布置。
⑦系统安全保护。
当EPS出现故障时，即切断电动机与减速传动机构的动力传送，迅速转入人工—机械转向状态。
EPS以其特有的优越性而得到青睐，它代表着未来动力转向技术的发展方
向。
EPS将作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位而且有可能完全取代现有的转向系统，这同时也对EPS系统的设计提出了更加严格的要求，其性能的优劣和成本的高低都直接影响其在汽车上的应用前景。
1.3电动助力转向系统的发展历程和研究现状
①电动助力转向系统的发展历程
电动助力转向系统最早是由日本研制成功的。
1988年3月，日本铃木公司
开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统（以下简称:
电动助力转向系统），才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。
1993年丰田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的爱克NSX跑车上。
同年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车一菲亚特帮托也将美国德尔福公司生产的电控助力转向系统作为标准装备。
电动助力转向系统无疑是未来动力转向设计的新方向，目前在中型以上货车和中级以上轿车上广泛采用的机械一液压动力转向器将逐渐被效率更高、适应性更强的电动助力转向系统所代替。
为此，国外几家大公司（如德国的ZF、英国卢卡斯一伟利达、Saginaw、TRW、日本的NSK、Koy等）都竟相推出自己的电动助力转向系统。
Delphi汽车系统己经为大众的Polo、欧宝3181以及菲亚特的Punto开发出EPS。
TRW从1998年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于EPS的开发，他们最初是针对客车开发出转向柱助力式EPS，如今小齿轮助力式EPS开发已获成功，1999年3月，他们的EPS已经装备于轿车上，如:
FordFiesta和Mazda323F等。
Mercedes-Benz和SiemensAutomotive两大公司共同投资了6500万英镑用于开发EPS，他们计划开发出用于汽车前桥负载超过1200kg的EPS系统，因此货车也可能成为EPS的装备目标。
与国外相比，我国的电动转向研究在很长一段时间里是空白，自2000年昌
河北斗星车装备EPS后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页。
目前国内已
经有数十家大专院校和企业开发EPS，并取得了一定的进展，虽然各方面对电动转向的研究大量投入，并且已有部分产品开始装车调试，但是由于对EPS的核心控制技术并完全摸透，至今仍然在不断的探索之中，要形成产业化还尚需时日。
②电动助力转向系统的研究现状
目前国内大部分文献只介绍了国外转向系统的应用现状，文献介绍了转向系统的发展趋势，并对机械转向、液压动力转向、电子液压动力转向和电子控制电动助力转向系统的发展动态和关键技术进行了部分阐述。
文献分析了汽车运动的力学特性，阐明了作用在轮胎上的力产生的机理与性质，讨论了转向装置对汽车运行稳定性的影响。
文献在对轮胎特性进行线性化假设的前提下，忽略了影响操纵系统稳定性的因素，并给出了转向力矩与车速、转弯曲率半径、转向系传动比等参数之间的关系。
Badaway对EPS系统进行建模并对模型进行了简化，验证了简化模型的有
效性，在此基础上设计了控制器并讨论了影响转向性能的因素。
Gregg,R.D.给出了EPS完整的系统构成，并利用手动转向系统的精确模型及Matrix-X包对整车进行计算机模拟，使EPS性能得到了优化。
Zaremba,A.T.分析了电助力转向系统开发中的控制和路感问题，按照转向系统的性能要求，提出了对校正器增益、相位滞后和零极点位置的约束，针对变结构控制器，提出了一种非线性约束的最优化方法，其控制规律使目标函数（H_sub2范数）取极小值，从而使操纵手感得到改善。
文献[27]在对转向系统中存在的振动进行分析后，提出了一个降低振动和保持路感的校正器。
McCann分析了电动助力转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响，通过采用横摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定性。
Burton对电动助力转向系统中驱动电路的Matlab模型进行了仿真。
Sugitani提出转向系统操纵的手感取决于控制系统获取路面环境的信息的多少，并给出了H_infinity控制器。
J.S.Chen采取PD控制，获得理想的稳态扭矩，并避免了扭矩在中频段的高传递率，采用超前补偿器消除PD控制器无法解决的噪音问题。
1.4EPS系统原理
EPS系统由电子控制单元ECU、助力电动机、扭矩传感器、车速传感器、电流传感器和减速系统等构成。
其结构原理如图1.1所示下图所示。
图1.1EPS系统原理图
在正常工作模式下,当驾驶员转动转向盘时,扭矩传感器开始工作,把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对位移转化成电信号传给ECU,ECU再根据传来的扭矩信号和车速信号,决定电动机转动的方向和助力电流的大小,从而达到助力目标。
这种随车速和扭矩变化的助力方式,相比采用固定传动比的液压助力方式,既能保证汽车低速运行时的灵敏性,又能保证高速行驶时的稳定性。
1.5EPS用助力电机概述
助力电机为EPS提供动力,是EPS系统的动力源,它根据ECU单元的指令,输出适宜的助力转矩。
助力电机的性能在很大程度上便决定了整个EPS系统的性能,因此EPS系统对电动机的性能要求很高。
相对普通电动机,电动助力转向系统用电机应该具有以下特点:
.由于绝大多数车载电源为12V直流,因此要求直流电机供电电压低,并且具有大的额定电流和额定功率;
.体积尽量小,转动惯量小,宽广的调速范围,控制特性好,低速运行平稳,力矩波动小;
.转速低,约1000r/mln左右。
高转速下,大的齿轮传动比将会增加系统的机械惯量,影响系统动态性能;
.在堵转时也能提供助力转矩。
对于大型车辆,甚至应该能够提供与转动方向相反的助力转矩。
直流电机、伺服电机、力矩电动机、开关磁阻电动机等已经在电动助力转向系统中获得应用。
随着电力电子技术的发展,矢量控制、直接转矩控制等控制策略的应用,也为交流电机应用于EPS系统创造了条件。
下面就对各种EPS用助力电机进行简单介绍。
l）直流电机
优点:
具有良好的起动性能和调速性能;可以直接由汽车电源进行供电;电磁转矩与电枢电流存在双=Ct中I舀的函数关系,通过调节电枢电流便可方便地调节输出转矩。
缺点:
使用机械电刷和换向器,造成换向火花和机械噪声,缩短电机寿命,增加维护工作量,并且影响控制精度。
2）伺服电动机
伺服电动机也称为执行电动机,它把电压信号直接转化为转轴的角速度或者角位移输出。
优点:
具有良好的转矩质量比;良好的速度控制特性和高精度的位置控制。
缺点:
控制较为复杂,驱动器参数需要通过现场调整PID参数来设定。
3）力矩电动机
力矩电动机是一种具有低转速,宽调速范围的特种电机。
这种电机可以长期工作在堵转或者低速状态。
优点:
低转速,大扭矩,过载能力强,力矩波动小。
缺点:
机械特性较软。
4）无刷直流电动机
优点:
用电子换向取代了机械电刷和换向器,不产生换向火花和机械噪声;机械特性类似于普通直流电机,易于进行转矩和转速的控制;控制系统简单。
缺点:
采用1加“导通方式工作,有较大的转矩脉动。
5）永磁同步电动机
优点:
良好的机械特性;采用适当的控制方式（如矢量控制、直接转矩控制等）后,转矩脉动较BLDC小。
缺点:
控制系统较为复杂。
综合分析各种助力电机的优缺点,可以发现无刷直流电动机是一种理想的EPS系统伺服电机。
它具有与有刷直流电动机相同的调速和控制性能,但是却克服了有刷直流电机中存在的换向火花和电磁干扰;它具有交流电机结构和制造工艺简单的优点,但是又没有交流电机的控制系统复杂的缺点。
即永磁无刷直流电动机集中了直流电机和交流电机的优点,又克服了二者的缺点,是一种高性价比的EPS用电机。
但是无刷直流电机作为EPS系统的助力电机也并非完美无缺。
首先,永磁电机中固有的齿槽定位转矩的存在,严重影响了电机性能。
另一方面,由于采用1200换向方式工作,定子磁场每隔600电角度产生一次跳变,使电机稳态运行时也存在较大的转矩脉动。
因此在使用无刷直流电机做EPS系统的助力电机时,为获得良好的性能,我们必须从以上两个方面对系统进行改进。
1.6无刷直流电动机概述
永磁无刷直流电动机（PermanentMagnetBrushlessDCmotor）是一种典型的电一体化产品,由电动机本体、控制和驱动电路、位置传感器三部分组成。
永磁无刷直流电动机的构成图如下:
图1.2永磁无刷直流电动机构成
在永磁无刷直流电动机中,电枢绕组安装在定子铁心中,永磁体固定在转子上,利用转子位置传感器检测永磁磁极的位置,并由此确定定子绕组的下一个导通状态,使电机产生持续稳定的转矩。
下面以两相导通三相六状态2极永磁无刷直流电动机为例,说明其工作原理,图1.3为其工作原理图。
图1.3永磁无刷直流电动机工作原理图
图1.4定转子位置示意图
当转子位于图1.4（a）所示位置时,位置传感器检测到转子位置信号,经过逻辑译码后产生导通信号,控制图1.3中的开关管Tl,T6导通,即A相绕组正向导
通,B相绕组反相导通,所产生的定子合成磁动势如图1.4（a）所示。
根据电磁力定律,永磁体将沿顺时针方向转动。
当转子转过600,到达图1.4（b）中位置时,位置传感器再根据所检测到的转子位置信号,控制开关管T6关断,T:
导通,实现电流由B相到C相的换向。
此时,定子磁动势顺时针跳转600,在电磁力的作用下,转子将继续做顺时针旋转。
以此类推,每当电机转子转过60“电角度,定子绕组就改变一次导通状态,始终保持定子合成磁动势领先于转子永磁磁动势600--12
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