機電專業(yè)初級論文汽車電動助力轉向系統(tǒng)的匹配設計
機電專業(yè)初級論文發(fā)表期刊推薦《機電技術》，本刊是以企業(yè)決策層和機電一體化技術與產品的研究、開發(fā)與應用人員為主要讀者對象的技術與經貿結合的技術類雜志。國內外公開發(fā)行，本刊訂戶遍及全國各省市，為廠長、經理必讀刊物。
摘 要 介紹汽車電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)的結構與工作原理，對適用于EPS系統(tǒng)的直流無刷電機進行了研究，在助力電機的定轉子結構、繞組相數及連接方式、減速結構與減速比、電機的基本參數和驅動方式等幾個方面與EPS系統(tǒng)的需求進行了匹配設計。通過該匹配設計，使直流無刷電機提供助力的EPS系統(tǒng)能獲得最佳的轉向助力特性和路感，滿足人們對駕駛的舒適性、經濟性和安全性的要求。
關鍵詞 機電專業(yè)初級論文,直流無刷電機,電動助力轉向,匹配設計
隨著汽車產業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對行車安全、能源消耗、環(huán)境污染等問題越來越重視。EPS系統(tǒng)因具有節(jié)能、環(huán)保、良好的助力特性和路感等諸多優(yōu)點[1]，應用前景廣闊。在助力電機選擇上，由于直流有刷電機技術成熟，控制器簡單，成本低，EPS系統(tǒng)在早期普遍采用直流有刷電機。隨著電子技術的發(fā)展，采用電子換向的直流無刷電機優(yōu)越性逐漸突出，國外也開發(fā)了以直流無刷電機作為助力電機的EPS系統(tǒng)，并已有成品裝車銷售。國內也對直流無刷電機助力的EPS系統(tǒng)展開了研究，但技術并不成熟，目前還處于研發(fā)階段[2]。因此，本文對直流無刷電機與EPS系統(tǒng)的匹配展開研究，為進一步開發(fā)直流無刷電機助力的EPS系統(tǒng)提供技術支持。
1 EPS系統(tǒng)結構組成與工作原理
EPS系統(tǒng)是在機械轉向系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來，增加了一套電控系統(tǒng)與執(zhí)行機構來輔助駕駛員進行轉向，主要由轉矩傳感器、電流傳感器、助力電機、離合器、減速機構、傳動軸及機械轉向器等組成，如圖1所示。
圖1 EPS系統(tǒng)結構圖
基本工作原理：當駕駛員操縱轉向盤轉向時，傳感器將檢測到的信號(主要有轉向盤轉矩信號、車速信號和電流信號)送給電控單元，電控單元根據這些信號判斷汽車當前行駛工況，確定助力轉矩大小和方向，并發(fā)出控制指令驅動助力電機產生目標轉矩，由電流傳感器信號進行轉矩的閉環(huán)控制，助力轉矩經減速機構傳遞給輸出軸，進行轉向助力。
2 EPS系統(tǒng)對助力電機的要求
助力電機是EPS系統(tǒng)實現助力作用的關鍵執(zhí)行部件，根據不同工況，電機有不同的工作狀態(tài)，包括起動、停止、正反轉助力、制動等。因此，EPS系統(tǒng)對其有一定的特性要求，一般要滿足電機轉動慣量小、助力轉矩大、轉矩波動小、噪聲低、可靠性高及功率密度大等。直流無刷電機采用電子換向，噪聲低，維護少，功率密度大，滿足EPS系統(tǒng)需求。
直流無刷電機在驅動模式上有正弦波驅動和方波驅動兩
種[3]，正弦波驅動的無刷電機具有交流同步電機的特性，轉矩波動小，但是電機結構復雜，對主轉子位置傳感器的分辨率要求較高，控制方式復雜。方波驅動的無刷電機具有直流電機的運行特性，輸出轉矩大，電機的換向只需要離散的轉子位置信息，對位置傳感器的要求低，電流環(huán)結構簡單，控制起來方便，因此，在開發(fā)EPS系統(tǒng)時，可以選用方波驅動的直流無刷電機。
3 直流無刷助力電機的匹配設計
3.1 助力電機結構匹配設計
直流無刷電機在定轉子結構上與有刷電機不同，無刷電機定子為多相繞組，轉子為永磁體。一般定子繞組越多，轉矩脈動會越小，但是電機結構也會復雜，且不易控制，成本增加，實際應用中多為三相繞組。轉子多為永磁材料制成的具有一定磁極對數的永磁體，磁極在轉子上的處理一般有表貼式和內嵌式兩種[4]，如圖2 所示。表貼式轉子結構的電樞反應對氣隙主磁場的影響較弱，由電樞反應引起的轉矩波動也較小，而且結構簡單，成本低，但內嵌式轉子結構對氣隙主磁場的影響較大，相對引起的轉矩波動也大，對EPS系統(tǒng)來說，轉矩波動越小越好，這樣才能減小振動和噪聲，增強路感。因此，表貼式轉子結構可應用在直流無刷助力電機上。
直流無刷電機的定子機械結構為齒槽，用來放置繞組，根據每極每相的槽數不同，有整數槽繞組和分數槽繞組兩種。整數槽繞組制造復雜、繞組電感大，電樞反應磁動勢含有大量諧波，會引起轉子渦流損耗和噪聲[5]，在過去較多采用。分數槽繞組可以降低齒槽效應引起的阻力矩，改善電機性能，而且生產方便、電機體積小，更適合開發(fā)EPS系統(tǒng)用直流無刷助力電機。
直流無刷電機在繞組連接方式上根據相數不同而有多種方式。對于常用的三相繞組來說有星形接法和角形接法兩種，由于角形接法有3次諧波環(huán)流，會增加損耗，所以直流無刷電機定子繞組多用星形接法。
3.2 助力電機減速機構匹配設計
減速機構是用來減速增扭的，放大助力電機的輸出轉矩。EPS系統(tǒng)的助力電機減速機構一般有蝸輪蝸桿式和行星齒輪
式[6]。蝸輪蝸桿式的減速機構傳動比大，結構簡單，體積小，目前EPS系統(tǒng)的助力電機多用這種減速機構。行星齒輪式的減速機構比較復雜，成本高，用的是雙排行星齒輪結構實現逆?zhèn)鲃�，這種減速結構在集成主動轉向功能的EPS系統(tǒng)中可以發(fā)揮其優(yōu)越性能。
減速機構減速比的選擇，一般要和助力電機的參數進行匹配，包括電機額定轉速、額定轉矩等。減速比過大，當轉向盤快速轉向時，為了跟上轉向速度，電機的轉速也必須提高，這一方面對電機要求較高，另一方面減速機構的尺寸也會加大;減速比過小，增扭小，當需要較大的轉向助力轉矩時，電機必須能提供較大的轉矩，這使得電機尺寸和繞組結構的設計成本就會增加。
3.3 助力電機基本參數匹配設計
3.3.1 助力電機最大輸出轉矩
汽車EPS系統(tǒng)依靠助力電機來提供轉向助力，助力轉矩的大小和方向是根據駕駛員給予轉向盤的轉矩和車速信號來確定的。轉向盤轉矩越大，電機提供的助力轉矩也越大，汽車在原地轉向時具有最大的轉向阻力矩，這個轉向阻力矩的最大值與整車的性能參數有關，直流無刷電機的最大輸出轉矩的大小需參照最大轉向阻力矩來匹配。 原地轉向阻力矩可按經驗公式計算[7]：
(1)
式中：Trmax為最大原地轉向阻力矩，N・m;f為輪胎與路面的滑動摩擦系數，一般取0.7;G為前軸負荷，N;P為輪胎氣壓，Pa。
轉向盤最大轉矩可按下式計算：
(2)
式中：Tdmax為轉向盤最大轉矩，N・m;Fdmax為轉向盤最大切向力，N;Rd為轉向盤半徑，m。
根據轉向條件及EPS系統(tǒng)結構，助力電機的最大輸出轉矩可按下式計算(該公式適用于轉向軸助力式)：
(3)
式中：Tmmax為直流無刷電機最大輸出轉矩，N・m;gm為電機減速機構傳動比;ηm為電機及減速機構的傳動效率;gr為齒輪齒條機械轉向器傳動比，mm/rad;ηr為機械轉向器正向傳動效率;gt為從轉向橫拉桿到轉向輪主銷之間的傳動比，rad/mm。
3.3.2 助力電機最大轉速
對于EPS系統(tǒng)，當駕駛員快速轉動轉向盤(比如急轉向工況)時，電機不但要提供合適的助力轉矩，而且電機轉速也要能跟上轉向盤的轉速才可以。助力電機的最大轉速可按下式
計算：
(4)
式中：nmax為電機最大轉速;ndmax為轉向盤最大轉速。
3.3.3 助力電機最大功率
電機輸出功率為電機軸頭輸出的機械功率，助力電機最大功率可按下式計算：
(5)
式中：Pmax為助力電機最大功率。
3.4 助力電機驅動方式匹配設計
直流無刷電機采用電子換向，帶位置傳感器的直流無刷電機中，用位置傳感器檢測主轉子相對于定子繞組的位置，控制器利用該位置信號確定換向時刻，并控制功率開關管的導通和截止，在定子電樞繞組中形成步進式的旋轉磁場，驅動轉子旋轉。三相無刷直流電機中，常用的驅動方式有半橋驅動和全橋驅動，如圖3所示。半橋驅動方式所用的功率開關管少，狀態(tài)數少，轉矩波動大，這種方式不適合EPS系統(tǒng)助力電機的驅動。對于三相星接繞組，最優(yōu)的方式是采用全橋驅動，需六個開關管組成逆變橋，如果轉子一對磁極，有三個位置傳感器，則轉子每轉一圈的過程中，有六個換向點，每個狀態(tài)持續(xù)60°電角度，整體上電流波動小，轉矩波動也低，滿足EPS系統(tǒng)的要求。
(a)半橋驅動 (b)全橋驅動
圖3 電橋驅動方式
在通電方式上，有二二導通和三三導通，二二導通方式，每一狀態(tài)只有兩相繞組通電，每個開關管持續(xù)導通120°電角度;三三導通方式，每一狀態(tài)三相繞組均通電，每個開關管持續(xù)導通 180°電角度，相比之下三三導通的開關管損耗較多，因此，二二導通方式可作為直流無刷助力電機的通電方式。
(a)H_PWM-L_ON (b)H_ON-L_PWM
(c)PWM_ON (d)ON_PWM
圖4 半橋調制方式
在PWM調制方式上，通常有全橋調制和半橋調制兩種[8]。全橋調制在每一通電狀態(tài)下對逆變橋的上下管均采用PWM控制，半橋調制只對上管或下管采用 PWM控制。全橋調制相對于半橋調制，其開關管的損耗增加了一倍，并且轉矩波動也大，實際中較少采用。半橋調制方式一般有四種，即上管PWM控制下管常開(H_PWM-L_ON)方式、上管常開下管PWM控制(H_ON-L_PWM)方式、在120°電角度導通期間內前60°PWM控制后60°常開(PWM_ON)方式、在120°電角度導通期間內前60°常開后60°PWM控制(ON_PWM)方式，如圖4所示。在這四種調制方式中，PWM_ON 方式的換向轉矩波動最低[9]，該控制方式作用于EPS系統(tǒng)的直流無刷助力電機，可獲得良好的助力特性和路感，但控制起來略有復雜。實際上，H_PWM- L_ON方式的轉矩波動較小，控制也方便，在初期開發(fā)時可以采用。
4 總結
為了較好地實現助力電機轉矩波動小、助力特性平滑、運行穩(wěn)定的目標，通過對直流無刷電機與EPS系統(tǒng)進行匹配設計，得出了以下結論。
1)直流無刷電機在結構上定子易采用分數槽繞組，繞組星形連接，轉子磁極采用表貼式。
2)減速機構上可以采用蝸輪蝸桿式，減速比需和電機基本參數進行匹配。
3)總結了電機基本參數的匹配計算公式。
4)驅動方式上可以選擇三相全橋驅動，二二導通，PWM_ON調制方式。
基金項目
天津市科技支撐計劃項目(12ZCZDGX04400);
天津職業(yè)技術師范大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(YC13-16)。
參考文獻
[1]申榮衛(wèi)，林逸，臺曉虹，施國標.電動助力轉向系統(tǒng)建模與補償控制策略[J].農業(yè)機械學報，2007，38(7)：5-9.
[2]胡培俊.電動助力轉向電機的應用[J].汽車電器，2014(2)：42-44.
[3]湯蘊
