EPS无刷直流电动机控制系统研究与仿真分析
摘要：简要介绍了电动助力转向(EPS)系统的结构与工作原理，阐述了EPS系统对助力电动机的性能要求。在分析无刷直流电动机(BLDCM)数学模型的基础上．建立了EPS无刷直流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。 1前言 汽车转向系统是汽车运行系统中主要子系统之一，助力转向系统要求有较好的操纵稳定性、转向轻便性和行驶安全性。电动助力转向EPS(Electricpowei steering)采用电动机作为动力源，电动机由汽车电源供电，当驾驶员转动方向盘时，电动转向系统中的传感器检测出其运动状况，由电控单元发出指令，使电动机产生足够的动力带动转向轮作适当的偏转。 电动转向系统能根据不同的情况产生适合各种车速的动力转向，不受发动机停车或运转的影响。停车时，亦能获得最大的转向动力；在行驶过程中，电子控制部分可以调节电机动力以改善路感。电动转向系统零部件少，重量轻，其重量比传统液压动力转向系统轻25％，结构紧凑，所占空间较小。由于电动机只是在运转的时候才接通，故可节约原油2 5％。电动转向还可有各种安全保障措施和故障自保护功能，并且与汽车上其它电气设备相连接，还有助于四轮转向的实现，并促进悬挂系统的发展。 2 EPS系统组成原理及其对助力电机的要求 2．1 EPS系统组成及其工作原理 图1为典型电动助力转向系统示意图。在该系统中，EPS系统主要由三大部分构成：信号传感器(包括转矩传感器和转速传感器)，转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构)以及电子控制单元(包括控制单元和驱动单元)。 电动机输出扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节等把输出扭矩送到齿条。控制单元根据各传感器的输入信号确定助力扭矩的幅值和方向，直接控制动力控制器去驱动电机。系统中的扭力传感器和车速信号传感器都作为助力扭矩的信号源。扭矩传感器和转向角传感器一般安装在转向器内，车速信号可取自仪表盘。工作过程如图2所示： 2．2 EPS系统对助力电机的要求 在EPS系统中，助力电机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，它是EPS的动力源，也是整个转向系统的关键部件之一。EPS对电机有如下要求： 起动迅速，伺服性能好，低速下具有较大扭矩，转动惯量小，噪声低，具有良好的机械特性；易控制，可靠性和安全性高，维护方便，对其它控制电路的电磁干扰尽量小；尺寸小，质量轻，尽可能节省空间大小并降低重量，使用12 V的直流车载电源。 由于直流伺服电机具有良好的机械特性、起动转矩大、调速范围宽、控制结构简单等优点，传统的EPS系统多采用永磁直流电动机。为提高电机稳定性和路感、降低噪声和转矩波动，电机设计时，传统方法是对电动机的结构作一些特殊的处理，如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。然而，直流电动机也有其本身固有的缺陷：电刷和换向器的存在使其可靠性以及可维护性较差。对于EPS系统，直流电动机换向时产生的噪声和火花对汽车的行驶安全性有很大影响，这给EPS系统设计带来了不便。为此，我们采用永磁无刷直流电动机。与普通直流电动机相比，无刷直流电动机克服了普通直流电动机由于电刷和换向器带来的固有缺陷，提高了安全性与可靠性，维护方便，节省了安装空间，降低了噪声与电磁干扰，同时还具有直流电动机良好的机械特性。 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机是指磁场方向与电机转轴方向平行、电枢无铁心的永磁无刷直流电动机，一般为盘式结构。它轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑；不存在磁滞和涡流损耗，可达到较高的效率；定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度；电枢无铁心，振动噪声降低；转子转动惯量小，机电时间常数小，具有优越的动态性能；这种电机制成多气隙组合式结构后，还可进一步提高转矩以适合大力矩直接驱动装置。轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机不仅具有无刷直流电动机的所有优点，而且还具有一系列普通无刷直流电动机无法比拟的优点。特别是对安装空间大小、散热条件、振动状况等方面有较高要求的EPS系统而言，轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机无疑具有更广阔的发展空间。 3 BLDCM控制系统的建模与仿真分析 3．1无刷直流电动机的数学模型 首先，我们作如下假设： (1)电机的磁路为线性，即不计饱和、剩磁； (2)定子三相绕组对称，且为集中绕组，转子结构分别对直轴和交轴对称； (3)转子空间磁势沿圆周设计为梯形分布； (4)暂不考虑电枢反应对气隙磁场的影响。 基于以上假设，可以将无刷直流电动机等效模型如图3 根据以上等效电路图，可以得到电机的相电压方程： 为一相等效电感；R是一相电阻，νn为三相中性点电位，且 电磁转矩为： 运动方程为： 3．2仿真系统模型 EPS无刷直流电动机控制系统是将传感器经过计算得到的给定电流，作为电机控制系统的参考电流，我们采用电流控制方式对系统进行闭环控制。控制系统原理示意图如图4所示。 根据此控制系统原理框图，在分析无刷直流电动机数学模型的基础上，得到如图5所示的基于MATLAB／Simulink的整体控制框图。该系统是采用电流环对电流进行PI调节，结构简单，便于控制。 在图5所示的仿真框图中，BLDCM模块是最重要的部分，其内部结构如图6所示。反电动势由转子位置信号与电机转速有关，由此构造S—Function函数，得到三相反电动势模型。子系统是相电流幅值模块，对三相相电流进行取正值求和得到相电流幅值反馈信号；电流给定值与电流反馈值的差值进行P1调节，输出参考电流幅值。PI调节器模块如图7所示。其中，Ki为PI控制器中P(比例)的参数，K／T为PI控制器中I(积分)的参数，饱和限幅模块将输出的三相参考相电流的幅值限定在要求范围内。根据转子位置与三相参考电流之间的对应关系如表1所示，编写S—Function函数，得到三相参考电流。三相参考电流经过PWM发生器调制后输出六路PWM脉宽调制信号。再将PWM输出信号送到逆变器即可得到电机端电压信号。PWM信号发生器与电压逆变模块中的三相IGBT逆变桥均取自MATLAB 6 5中SimPowerSystern／Toolbox 2．3通用模块库。
表1 转子位置和三相参考电流之间的对应关系表 3．3试验和仿真分析 仿真所用电机数据：额定转速n=1 000 r／min．额定电压U=12 V，相电阻R=0．457 n，相等效电感L一M=0．001045 H，额定电流I=30 A，转动惯量J=0.01kg·㎡，反电势系数Ke=0.811V/rad·s¯ ¹。
仿真条件：采用obe23tb(stiff／TR—BDF2)算法，变步长，仿真时间为0．5 s。为了验证该系统模型的静、动态性能，在系统平衡后0．4 s时突增1 N·m的负载，可得到系统转速、反电势与电流、转矩仿真波形如图8—10所示。 仿真波形表明，系统起动快，转速变化平稳，波动较小；起动阶段系统保持转矩恒定，因而没有造成较大的转矩与相电流冲击，参考电流的限幅作用十分有效；系统在0．2 s时开始稳定运行，在0．4 s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，具有良好的静、动态特性。 4结语 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，提出了采用无刷直流电动机作为助力电机的观点。通过分析无刷直流电动机的数学模型，提出了基于MATLAB的控制系统仿真建模的方法，并在Simulink环境下进行了模型的设计，采用电流闭环控制对该建模方法进行了测试。仿真结果表明：EPS无刷直流电动机控制系统，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；采用无刷直流电动机的电动助力转向系统，能为各种行驶工况提供最佳转向力，提高操作稳定性和安全性。
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