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EPS無刷直流電動機控制系統研究與仿真分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4524

   摘要:簡要介紹了電動助力轉向(EPS)系統的結構與工作原理,闡述了EPS系統對助力電動機的性能要求。在分析無刷直流電動機(BLDCM)數學模型的基礎上.建立了EPS無刷直流電動機控制系統的仿真模型,并進行了仿真分析。仿真結果驗證了系統的可行性、高可靠性以及控制方法的有效性,為EPS系統的設計提供了新的思路。

1前言

   汽車轉向系統是汽車運行系統中主要子系統之一,助力轉向系統要求有較好的操縱穩定性、轉向輕便性和行駛安全性。電動助力轉向EPS(Electricpowei steering)采用電動機作為動力源,電動機由汽車電源供電,當駕駛員轉動方向盤時,電動轉向系統中的傳感器檢測出其運動狀況,由電控單元發出指令,使電動機產生足夠的動力帶動轉向輪作適當的偏轉。

   電動轉向系統能根據不同的情況產生適合各種車速的動力轉向,不受發動機停車或運轉的影響。停車時,亦能獲得最大的轉向動力;在行駛過程中,電子控制部分可以調節電機動力以改善路感。電動轉向系統零部件少,重量輕,其重量比傳統液壓動力轉向系統輕25%,結構緊湊,所占空間較小。由于電動機只是在運轉的時候才接通,故可節約原油2 5%。電動轉向還可有各種安全保障措施和故障自保護功能,并且與汽車上其它電氣設備相連接,還有助于四輪轉向的實現,并促進懸掛系統的發展。

2   EPS系統組成原理及其對助力電機的要求

2.1 EPS系統組成及其工作原理

   圖1為典型電動助力轉向系統示意圖。在該系統中,EPS系統主要由三大部分構成:信號傳感器(包括轉矩傳感器和轉速傳感器),轉向助力機構(電機、離合器、減速傳動機構)以及電子控制單元(包括控制單元和驅動單元)。

    圖1全電子控制EPS示意圖

   電動機輸出扭矩由減速齒輪放大,并通過萬向節等把輸出扭矩送到齒條??刂茊卧鶕鱾鞲衅鞯妮斎胄盘柎_定助力扭矩的幅值和方向,直接控制動力控制器去驅動電機。系統中的扭力傳感器和車速信號傳感器都作為助力扭矩的信號源。扭矩傳感器和轉向角傳感器一般安裝在轉向器內,車速信號可取自儀表盤。工作過程如圖2所示:

   圖2系統工作原理框圖

2.2 EPS系統對助力電機的要求

   在EPS系統中,助力電機的功能是根據電子控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩,它是EPS的動力源,也是整個轉向系統的關鍵部件之一。EPS對電機有如下要求:

   起動迅速,伺服性能好,低速下具有較大扭矩,轉動慣量小,噪聲低,具有良好的機械特性;易控制,可靠性和安全性高,維護方便,對其它控制電路的電磁干擾盡量??;尺寸小,質量輕,盡可能節省空間大小并降低重量,使用12 V的直流車載電源。

   由于直流伺服電機具有良好的機械特性、起動轉矩大、調速范圍寬、控制結構簡單等優點,傳統的EPS系統多采用永磁直流電動機。為提高電機穩定性和路感、降低噪聲和轉矩波動,電機設計時,傳統方法是對電動機的結構作一些特殊的處理,如沿轉子的表面開出斜槽或螺旋槽,定子磁鐵設計成不等厚等。然而,直流電動機也有其本身固有的缺陷:電刷和換向器的存在使其可靠性以及可維護性較差。對于EPS系統,直流電動機換向時產生的噪聲和火花對汽車的行駛安全性有很大影響,這給EPS系統設計帶來了不便。為此,我們采用永磁無刷直流電動機。與普通直流電動機相比,無刷直流電動機克服了普通直流電動機由于電刷和換向器帶來的固有缺陷,提高了安全性與可靠性,維護方便,節省了安裝空間,降低了噪聲與電磁干擾,同時還具有直流電動機良好的機械特性。

   軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機是指磁場方向與電機轉軸方向平行、電樞無鐵心的永磁無刷直流電動機,一般為盤式結構。它軸向尺寸短、重量輕、體積小、結構緊湊;不存在磁滯和渦流損耗,可達到較高的效率;定子繞組具有良好的散熱條件,可獲得很高的功率密度;電樞無鐵心,振動噪聲降低;轉子轉動慣量小,機電時間常數小,具有優越的動態性能;這種電機制成多氣隙組合式結構后,還可進一步提高轉矩以適合大力矩直接驅動裝置。軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機不僅具有無刷直流電動機的所有優點,而且還具有一系列普通無刷直流電動機無法比擬的優點。特別是對安裝空間大小、散熱條件、振動狀況等方面有較高要求的EPS系統而言,軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機無疑具有更廣闊的發展空間。

3 BLDCM控制系統的建模與仿真分析

3.1無刷直流電動機的數學模型

   首先,我們作如下假設:

   (1)電機的磁路為線性,即不計飽和、剩磁;

   (2)定子三相繞組對稱,且為集中繞組,轉子結構分別對直軸和交軸對稱;

   (3)轉子空間磁勢沿圓周設計為梯形分布;

   (4)暫不考慮電樞反應對氣隙磁場的影響。

   基于以上假設,可以將無刷直流電動機等效模型如圖3

    圖3無刷直流電動機等效模型

   根據以上等效電路圖,可以得到電機的相電壓方程:  (1)其中: i=a、b、c (2)ua、ub、uc為三相繞組定子端電壓,ia、ib、ic為三相定子相電流,ea、eb、ec為三相定子的反電動勢;L一M

為一相等效電感;R是一相電阻,νn為三相中性點電位,且 。

 電磁轉矩為:  (3)式中:ω為轉子角速度。

 運動方程為: (4)式中:B為阻尼系數,J為電機的轉動慣量,TL為負載轉矩。

3.2仿真系統模型

   EPS無刷直流電動機控制系統是將傳感器經過計算得到的給定電流,作為電機控制系統的參考電流,我們采用電流控制方式對系統進行閉環控制??刂葡到y原理示意圖如圖4所示。

    圖4控制系統原理圖

根據此控制系統原理框圖,在分析無刷直流電動機數學模型的基礎上,得到如圖5所示的基于MATLAB/Simulink的整體控制框圖。該系統是采用電流環對電流進行PI調節,結構簡單,便于控制。

在圖5所示的仿真框圖中,BLDCM模塊是最重要的部分,其內部結構如圖6所示。反電動勢由轉子位置信號與電機轉速有關,由此構造S—Function函數,得到三相反電動勢模型。子系統是相電流幅值模塊,對三相相電流進行取正值求和得到相電流幅值反饋信號;電流給定值與電流反饋值的差值進行P1調節,輸出參考電流幅值。PI調節器模塊如圖7所示。其中,Ki為PI控制器中P(比例)的參數,K/T為PI控制器中I(積分)的參數,飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內。根據轉子位置與三相參考電流之間的對應關系如表1所示,編寫S—Function函數,得到三相參考電流。三相參考電流經過PWM發生器調制后輸出六路PWM脈寬調制信號。再將PWM輸出信號送到逆變器即可得到電機端電壓信號。PWM信號發生器與電壓逆變模塊中的三相IGBT逆變橋均取自MATLAB 6 5中SimPowerSystern/Toolbox 2.3通用模塊庫。

   圖5系統仿真框圖

 圖6 BLDCM 本體模塊結構框圖

  圖7電流比例積分調節模塊

表1 轉子位置和三相參考電流之間的對應關系表

3.3試驗和仿真分析

仿真所用電機數據:額定轉速n=1 000 r/min.額定電壓U=12 V,相電阻R=0.457 n,相等效電感L一M=0.001045 H,額定電流I=30 A,轉動慣量J=0.01kg·㎡,反電勢系數Ke=0.811V/rad·sˉ 1。

 圖8轉速波形

 圖9 反電勢與相電流波形

 圖10 轉矩波形

仿真條件:采用obe23tb(stiff/TR—BDF2)算法,變步長,仿真時間為0.5 s。為了驗證該系統模型的靜、動態性能,在系統平衡后0.4 s時突增1 N·m的負載,可得到系統轉速、反電勢與電流、轉矩仿真波形如圖8—10所示。

仿真波形表明,系統起動快,轉速變化平穩,波動較??;起動階段系統保持轉矩恒定,因而沒有造成較大的轉矩與相電流沖擊,參考電流的限幅作用十分有效;系統在0.2 s時開始穩定運行,在0.4 s突加負載后迅速恢復穩定,波形符合理論分析,系統能穩定運行,具有良好的靜、動態特性。

4結語

本文通過分析EPS系統的結構與工作原理,以及對助力電機的性能要求,提出了采用無刷直流電動機作為助力電機的觀點。通過分析無刷直流電動機的數學模型,提出了基于MATLAB的控制系統仿真建模的方法,并在Simulink環境下進行了模型的設計,采用電流閉環控制對該建模方法進行了測試。仿真結果表明:EPS無刷直流電動機控制系統,起動迅速,跟蹤性能良好,運行平穩、可靠,能很好地滿足汽車轉向系統對助力電機的要求;采用無刷直流電動機的電動助力轉向系統,能為各種行駛工況提供最佳轉向力,提高操作穩定性和安全性。

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