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EPS永磁同步电动机控制与仿真研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4654

摘要:简要介绍了电动助力转向系统(EPS)的结构与工作原理,阐述了系统对助力电动机的性能要求。在此基础上建立了EPS永磁同步电动机控制系统的仿真模型,并进行了仿真分析。仿真结果验证了系统的可行性、高可靠性以及控制方法的有效性,为EPS系统的设计提供了新的思路。

l  EPS原理及其对助力电机的要求

   自1988年日本首次开发出电动助力转向系统(EPS)以来,EPS技术日趋完善,且随着电子电气技术的发展,大幅降低成本已成为可能,很快成为汽车首选配置。

1.1  EPS系统组成及其工作原理

   图1是电动助力转向系统框图。通常,EPS系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、电磁离合器、减速传动机构以及电子控制单元(ECU)等组成。EPS是利用电动机作为助力源,根据转向参数和车速等,由电子控制单元完成助力控制,其原理可概述为:当操纵方向盘时装在转向盘上的扭矩传感器不断地测出转向轴上的扭矩信号。该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电子控制单元根据这些输入信号,确定助力扭矩的大小和方向,即选定助力电机的通入电流和转向,调整转向辅助助力的大小。电机扭矩由电磁离合器通过减速机构增大后,加在汽车的转向机构上,使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

   图1  电动助力转向系统框图

1.2 EPS系统对助力电动机的要求

电动机的助力特性对动力转向系统的性能,包括轻便性、回正性、路感等有重要影响。在传统液压动力转向中,助力特性主要由阀的结构决定,调整非常困难,设计完成后,不能随车速变化。而EPS不同,助力特性曲线是电动助力转向的控制目标,由软件来设置,可以设计成车速感应型特性曲线,并可方便地进行调节。图2是典型EPS直线助力特性曲线。  

 图2直线型助力特性曲线

该助力特性曲线可用下列函数表示 式中,I为电动机目标电流;Imax为电动机最大工作电流;Td为转向盘输入转矩;K(v)为助力特性曲线的梯度,随车速增加而减小;Tdo为系统开始助力时的转向盘输入转矩;Tdmax为系统提供最大助力时的转向盘输人转矩。

   除了直线型助力特性外还有折线型助力特性和曲线型助力特性。直线型助力特性最简单,数据量小,存储方便,有利于控制系统的设计,并且在实际中容易调整。曲线型助力特性复杂,数据存储量大,调整不方便。折线型助力特性则介于两者之间。

   相比普通电动机,电动助力转向系统采用的电动机具有以下特点:

   (1)由于大多车载电源为12V直流电,因此要求助力电动机的工作电压低,并具有足够大的额定功率和额定电流。

   (2)转动惯量小、调速范围宽广、控制特性好、低速运行乎稳、力矩波动小。

   (3)大的齿轮传动比将增加机械惯量降低EPS系统的动态性能,所以电动机转速不能太大(大约1 000 r/min)。

   (4)为减小转子的惯性力矩,电动机的体积应尽可能小。

   (5)在堵转时也要能够提供助力作用,对于大型的车辆,甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。

   在低端的EPS产品中,大多采用永磁有刷直流电机。这种电机一般用H桥功率变换器控制,成本较低,但也存在一些问题。例如:电刷寿命短,有电磁干扰,有较大的转矩脉动,因此运行欠平稳;比功率(功率与体积的比值)低,不适用于中、大型车辆。所以在后续的EPS系统中多采用永磁无刷直流电机(BLDCM),其驱动方式为60°换向的三相六状态工作方式,由于是60°换向,控制精度为±30°电角度,转矩脉动明显,运行不够平稳,使得驾驶者对转向盘的手感很差,因此要采用大减速(60:1)的减速机来提高机械转向机构的分辨率。对EPS系统,大减速比的减速机具有逆向自锁制动的缺点。为防止电机故障而锁死方向盘须增加电磁离合器,增加了系统的复杂性和成本。所以,同外虽然曾有采用BLDC电机的EPS面世,但无法推广开来。目前国际上已面世或正在开发的EPS无刷电机,基本上都是永磁同步电动机(PMSM)。

2   PMSM控制系统的建模与仿真

2.1永磁同步电机数学模型及其矢量控制

   为建立正弦波永磁同步电动机的数学模型,首先假定:(1)不计剩磁、涡流、磁滞、饱和等效应,认为磁路是线性的。(2)忽略空间谐波,认为绕组磁势及气隙磁密按正弦规律分布。

   在上述假定下,可引入空间矢量的概念。三相定子绕组轴线A、B、C在平面上互差120°,并将A轴作为复平而上的实轴,逆时钟方向转过90°为虚轴。于是,复平面上的一个复数可以和一根矢量相对应,反之亦然。接着可定义定子电流空间矢量i(t)如下: 式中,iA(t)、iB(t)、ic(t)为三相瞬时电流值。

   在永磁同步电动机中,同步旋转坐标系取转子磁场中基波磁势的轴线,即转子磁极轴线为d轴(直轴),顺旋转方向超前d轴90°电角度为q轴(交轴),轴系随同转子以同步角速度旋转。根据矢量控制理论中的坐标变换方法,在d—q-o坐标系中,可以证明电磁转矩为: 式中,Tem为电磁转矩,和转角日取同样的正方向;p为电动机的极对数。

   如果通过计算机控制,设法使定子电流空间矢量i(t)或是指向q轴正方向,或是指向q轴的反方向,于是id=0,iq=io此处,符号i是表示电流空间矢量i(t)的大小,它是一个代数量。此时,电磁转矩: (1)式中,KT为比例系数。可见,电磁转矩的大小和电流空间矢量的大小成正比。将id=0,iq=i,io=0代人式(1)可得: (2)这样,只要在定子三相绕组中通人符合上式的三相电流,就可以保证定子电流空间矢量总是保持在q轴的轴线上,实现转矩的单变量控制,获得与直流电动机一样好的转矩特性。

 图3控制系统框图  

图4基于Matlab/Simulink的永磁同步电机控制系统仿真模型直流电动机一样好的转矩特性。

   矢量控制的具体方法是,由ECU计算出电动机应有的转矩值及相应的i值,再根据当时的转子位置θ,按式(2)得出三相瞬时电流指令值,通过电流闭环控制,利用PWM型逆变器的快速跟踪特性,使同步电动机的实际定子电流接近指令值。

2.2仿真模型与仿真分析

   控制系统原理示意图如图3所示。

   根据控制系统原理,在分析永磁同步电机矢量控制的基础上,得到如图4所示的基于Matlab/Simulink的仿真模型。该控制系统采用转速环、电流环双环控制,转速环为外环,采用PI调节器,电流环为内环。选取PMSM的参数为:定子电阻R=3 Ω;Ld=0.0085H;Lq=0.0085 H;磁链幅值0.175 Wb;转动惯量0.0008 kg••㎡;阻尼系数为0;电机极对数2。给定转速为l 000 r/rain,转矩为1.5 N•m。设置起始时间为O,停止时间为0. 5 s,选取0del5 s变步长解法。为了验证该系统模型的静、动态性能,在系统平衡后0.25 s时突增到2 N·m的负载,可得到系统转速、转矩仿真波形如图5~图6所示。

   图5转速与转矩波形

   仿真波形表明,系统起动快,转速平稳,波动较小。系统在0.1 s时开始稳定运行,在0.25s突加负载后迅速恢复稳定,波形符合理论分析,系统能稳定运行,具有与直流电动机同样好的静、动态特性。

Ø结  语

电动助力转向(EPS)系统与传统助力转向系统相比具有众多的优点,国外已研发十多年,并有成品,而国内这方面的研究才刚起步。本文通过分析EPS系统的结构与工作原理,以及对助力电机的性能要求,提出采用永磁同步电动机作为助力电机的观点。分析了永磁同步电动机的矢量控制方法,并在Simulink环境下进行了模型的设计和

仿真。结果表明,EPS永磁同步电动机控制系统起动迅速、跟踪性能良好、运行平稳、可靠,能很好地满足汽车转向系统对助力电机的要求。采用永磁同步电机助力转向系统,完全能达到采用直流电机的性能,并且可以克服直流电机的一些固有缺点。

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