电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计毕业论文设计.doc

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 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 power steering (HPS), became steering technology mainstream . Currently , EPS booster motors use more conventional permanent magnet DC motors, DC motors brush mechanical friction , bringing noise , sparks , electromagnetic interference , and short life fatal weakness , reducing the reliability and security of EPS performance . Therefore , the development of a novel , adapted EPS drive motor - brushless DC motor, to improve the EPS performance is important. In this paper, a detailed understanding of the EPS system performance requirements and works on the basis of various existing EPS booster motors were summarized and compared. Comparative results show that the brushless DC motor (BLDC) With its significant advantages to become the optimum choice EPS booster motor. In this paper, the research and development of EPS Brushless DC motor control system , the paper's main tasks are: 1 ) analyzes the structure of brushless DC motor works. From electromagnetic factors , current commutation , alveolar factors , technology and other aspects of mechanical armature reaction analysis and study of the causes of torque ripple , the proposed improvements. 2 ) constructed with Microchip 's dsPIC33FJ12MC202 microprocessor as the core control brushless DC motor control system , the hardware circuit design , write and debug the corresponding control procedures designed brushless DC motor control system . Experimental results show that : the brushless DC motor , small size , large output , good mechanical properties, is ideal for EPS drive motor . Low cost brushless DC motor controller developed , reliable performance , in line with EPS power smooth , easy manipulation, high real-time requirements, providing a good development for subsequent studies , the test platform.Keywords : electric power steering ; brushless DC motor ; dsPIC33FJ12MC202; Control System 目 录摘要1Abstract 2第一章 绪论 41. 1 引言4 1. 2 课题研究的目的和意义41. 3 电动助力转向系统的发展历程和研究现状61. 4 EPS系统原理 71. 5 EPS用助力电机概述 81. 6 无刷直流电动机概述 101. 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（Hydrulic Power Steering,简称 HPS），电动液压助力转向系统（Electric Hydrulic Power Steering,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（Electric Power Steering,简称EPS）。 所谓电动助力转向（electric power steering，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： 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 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:Ford Fiesta 和 Mazda 323F 等。Mercedes-Benz 和 Siemens Automotive 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。 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。 1.4 EPS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。1.5 EPS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(Permanent Magnet Brushless DC motor)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600-1200电角度,从而使电机转子连续转动。 从运行过程来看,定子绕组每隔60“改变一次运行状态,定子合成磁场相应改变一次位置。每相绕组每次导通1200,且每个状态都是两相导通,此种方式称为两相导通的三相六状态工作模式。在每个状态过程中,定子合成磁场都恒定不动,而转子磁场则连续转动,因此总的合成磁场将连续变化而非恒定,由此将造成电机电磁转矩的波动。为了抑制由电流换向造成的无刷直流电机转矩脉动,已有不少学者做了大量的研究工作5,6,7,这里不做详细讨论。 近年来,随着电力电子技术、永磁材料和微机控制技术的发展,永磁无刷直流电机得到了迅速发展。以其高效、高功率密度、高可靠性的特点,在国民经济的各个领域,如医疗器械、仪器仪表、航空航天、电动车等方面都得到了广泛应用。 在国内,昌河公司于2000年最早在北斗星的部分车型上安装了电动助力转向系统。目前,电动助力转向系统己经广泛运用与1.3L一1.6L的轻型轿车上。然而,应用于EPS系统中的助力电机仍然以有刷直流电机为主。 随着汽车技术的发展,尤其是汽车电子系统的广泛应用,EPS系统必将取代传统的液压助力系统成为转向助力系统的主流。而无刷直流电机以其优异的控制性能也必将取代传统的直流电机在EPS系统中的地位。1.7 课题研究的主要内容 本课题主要负责电动助力转向系统的心脏部分：无刷直流电机控制器的研究和开发。在设计的过程中，吸取了国内外的电动助力转向控制系统的宝贵经验。本课题研究的主要内容为： 在分析EPS系统对助力电机要求的基础上,设计了一台EPS用永磁无刷直流电动机。 观测无刷直流电机运行的相关波形，并对电动助力转向系统中无刷直流电机控制关键技术进行研究，并提出相应的解决方法。 根据电动助力转向系统要实现的功能和已设计的硬件电路，完成各个软件模块的设计和调试。 在综合试验台和电机试验台上完成相关试验，观测波形，讨论控制实际控制效果。 第二章EPS用永磁无刷直流电动机的设计 在第一章中,我们已经对EPS用助力电机的特点进行了总结。为了保证整个EPS系统的良好性能,我们在助力电机的设计中也应该从这些方面入手,尽量满足这些方面的要求。2.1电机结构型式的选择 文献分别对永磁无刷直流电机定转子的各种结构的优缺点进行了总结和比较。本文在此基础上结合EPS系统的性能要求,进行无刷直流电动机定转子结构设计。2.1.1定子结构型式的选择永磁无刷直流电动机的定子铁心中放置绕组,转子上加永磁磁极。由于永磁无刷直流电动机应用场合多样,其定、转子结构形式比永磁同步电机更加多样化。其常用的定子结构型式如图2.1所示。 图2.1永磁无刷直流电机的定子结构形式 图2.1(a)是在永磁无刷直流电机中应用十分广泛的的整数槽结构,定子每极每相槽数为整数,绕组采用双层叠绕组或者单层同心式绕组。这种结构的显著缺点是齿槽定位转矩较大,不适宜于EPS助力电机的设计。 图2.1(b)中定子铁心为无齿槽结构,定子绕组均匀分布于定转子之间的大有效气隙中。由于取消了定子齿,定转子之间不产生齿槽定位转矩,这对于永磁电机来讲是有益的,非常适用于转速稳定性和振动、噪声要求较高的场合。但是这种结构也会带来不利因素,如:绕组散热能力差,温升高;有效气隙长,与绕组铰链的气隙磁场减弱等。为了获得较高的气隙磁场需要增大转子永磁体的厚度,使电机的成本较高。考虑到车载电机散热条件方面的限制,此结构的电机也不宜采用。 图2.1(c)为定转子槽数/极数比为3/2的分数槽定子结构。相绕组线圈绕在一个定子齿上,每对极下有三个定子齿,分别对应定子三相绕组。分数槽结构相对于整数槽的明显优点是绕组端部尺寸小,绕组利用率高;一个线圈可以形成一个独立的磁极,相绕组之间藕合弱,互感小;可以有效削弱永磁电机内部的齿槽定位转矩。但是此结构的缺点为:相绕组不能与全部的转子磁场祸合,导致永磁体的利用率降低。 综合分析上述三种定子结构型式,再考虑到车载电机工作环境、性能要求等方面的约束,我们最终选择了8极12槽的分数槽结构作为定子设计方案。2.1.2转子结构型式的选择永磁无刷直流电动机中常用的转子结构如图2.2所示。 图2.2永磁转子的结构型式 图2.2(a)中由两片永磁体圆弧形成转子N极,通过转子铁心的凸极结构形成两个S极。该结构可以使永磁转子所需的永磁体片数降低一半,降低了制造成本;但是转子铁心的凸极结构会使定子绕组电感发生变化,其数值随转子位置而变化,从而在电机运行时会产生附加的磁阻转矩。 图2.2(b)中永磁体切向励磁,可以获得了较高的气隙磁密。但此结构下电枢反应磁场较大,会引起气隙磁场畸变,进而增大转子铁心损耗。 图2.2(c)中转子永磁磁极之间为磁性铁心,使转子运行时产生一个附加的磁阻转矩,通过合理的电机设计可以使该磁阻转矩变为有用的拖动转矩,增大电机的功率密度。但是磁阻转矩的存在也增大了电机的转矩波动。多极永磁无刷直流电机多采用图2.2(d)的的转子结构,结构简单、工艺性好、成本低,但是磁性能差也是其显著缺点。 图2.2(e)、(f)、(g)中转子永磁体均采用表面式安装结构。该结构中永磁体直接面对气隙,使气隙磁场较强。由于稀土永磁材料磁导率很低,所以定子绕组电感很小,电枢反应磁场较弱,对于永磁无刷电机运行有利。 根据助力电机应用场合的要求,获得较平稳的助力转矩是其最主要的要求。通过对七种转子结构的比较,我们最终选择了表面式安装结构作为电机转子的结构型式。2.1.3转子位置检测 目前,无刷直流电动机中的转子位置检测方式主要有两种,即有位置传感器的检测方式和无位置传感器方式。其中无位置传感器的检测方式中,应用最为广泛的是绕组非导通相反电动势检测法。反电动势检测法的优点是线路简单,技术成熟,成本低,实现起来相对容易。但其不足之处是当电机停止或转速较低时,反电动势没有或很小而无法检出,不利于电机的启动。由于应用于EPS系统中的无刷直流电机需要频繁的启动,并且主要是工作在低转速状态,因此这种方式并不适合。而采用霍尔元件作为位置传感器的有位置传感器检测方式,安装方便、工作可靠、价格低廉,是比较理想的选择。2.2永磁无刷直流电动机的设计概述 无刷直流电动机设计的主要内容包括电磁设计和结构设计,其任务是根据给定的额定值和基本技术性能指标,选用合适的材料,确定电动机各部分的尺寸,并计算其性能,以满足节省材料,制造方便,性能良好等基本要求。无刷直流电机设计中的技术要求主要有以下几点: 一、运行方式。直流无刷电动机的运行方式主要有连续、短时和断续三种。在同样的功率和同样温升的限制下,断续或短时运行方式的电动机尺寸要比连续运行方式的电动机小。由EPS系统的功能特性我们知道,助力电机只是在接收到转向盘传来的的扭矩信号后,才会进入运行状态,因此可以看做一种短时运行方式。这样,我们在设计时便可以将电磁负荷取为较大值,以减小电机体积,节省有限的汽车内部空间。 二、防护型式。电动机的防护型式直接影响电动机的结构及通风散热,在设计时必须充分注意。一般直流电机的防护型式主要有防护式和封闭式两种,其中封闭式结构主要用于粉尘较多的场合。由车载电机的工作条件我们知道,系统对电机通风散热的要求比防尘更为严格,因此选用防护式更为合理。 三、温升和绝缘。在电动机运行过程中,由于本身内部的损耗而产生热量,从而导致电动机部件的老化,寿命缩短。综合考虑绝缘材料的耐热等级和电机的温升情况,选用F级或H级绝缘比较合适。 四、效率。电动机的运行效率直接影响电能的有效利用,也影响电动机本身的温升。但是,由于EPS用无刷直流电动机的功率较小,其能耗指标并不十分突出。在保证其他性能指标的前提下,可以允许牺牲一点效率。2.3电磁负荷和电机主要尺寸 所谓电机的电磁负荷是指电机的电负荷A和磁负荷B。它们与电动机主要尺寸的确定直接相关,对电动机的运行特性、效率、温升等也有很大影响。其中,无刷直流电动机中的电负荷(线负荷)A是指沿定子内径圆周方向每单位长度中的安培导体总数,其表达式为 (2-1)其中,m为电机相数,戈每相导体数,Ia相电流(A),Da定子内径(cm)。磁负荷B是指无刷直流电机气隙磁感应强度的最大值。在无刷直流电机设计中,主要尺寸是指定子内径几和电枢铁心计算长度La,它们确定了电动机的外形轮廓、重量及材料费用,与电机技术性能指标也有非常密切的关系。以电磁功率为桥梁,可以推导出无刷直流电动机在给定功率和转速下,主要尺寸与电磁负荷之间的关系,如下 (2-2) 其中La电枢铁心计算长度(cm)p'为电机的电磁功率(kW),n电机转速(r/min)。由上式可以看出: (l)在电磁负荷一定时,电动机的体积与电磁功率成正比,与转速成反比。 (2)转速一定时,若直径不变而采用不同长度,则可得到不同功率的电机。 (3)在技术指标给定的情况下即电动机电磁功率和转速不变时,电动机的主要尺寸很大程度上取决于所选的电磁负荷。电磁负荷选的越大,电动机的尺寸就越小,材料越节省。但是随着电磁负荷的增加,电机的铜耗、铁耗会相应增加,效率下降,影响电动机的使用寿命。 作为车载电机的一种,为节约有限的车内空间,我们应该尽量减小电机的尺寸。根据上面的分析知道,在保证功率和转速不变的条件下,这时我们就要选取较大的电负荷A和磁负荷B,然而这样做的显著缺点便是增大了电机的铜耗和铁耗,增加了发热,降低了效率。但是,由于助力电机主要工作于断续工作模式,而且功率较小,对于能耗的要求并不是太高,因此我们可以考虑采用这种设计方式。 另外,根据助力电机转动惯量小的要求,我们应该尽量减小转子的直径(约等于定子内径几)。然而,由式(2一l)可以看出,在电机功率和转速一定的条件下,减小电枢直径的同时应该增大电枢铁心的长度,而且电枢直径的少量减小,便会造成铁心长度的大量增加。因此,我们应该综合考虑两方面的影响,确定合理的Do和La。2.4样机的主要参数 样机参数一、性能要求额定功率:250W额定电压:12V额定转速:1320r/min额定电流:30A相数:3相二、电机主要结构参数槽数:12极数:8定子铁心外径:85mm定子铁心内径:37.9mm定子铁心长度:32.5mm永磁体外径:36.5mm转子铁心外径:30.4mm转子铁心内径:10mm电机结构如图2.3所示。 图2.3样机定转子结构图2.5本章小结 EPS用永磁无刷直流电动机与一般无刷直流电动机相比,在设计方面存在一些特殊之处,低电压、大电流、低转速、高功率密度、低转动惯量等是其基本特点。而满足这