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EPS永磁同步電動機控制與仿真研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3213

摘要:簡要介紹了電動助力轉向系統(EPS)的結構與工作原理,闡述了系統對助力電動機的性能要求。在此基礎上建立了EPS永磁同步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。

l  EPS原理及其對助力電機的要求

   自1988年日本首次開發出電動助力轉向系統(EPS)以來,EPS技術日趨完善,且隨著電子電氣技術的發展,大幅降低成本已成為可能,很快成為汽車首選配置。

1.1  EPS系統組成及其工作原理

   圖1是電動助力轉向系統框圖。通常,EPS系統主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、電磁離合器、減速傳動機構以及電子控制單元(ECU)等組成。EPS是利用電動機作為助力源,根據轉向參數和車速等,由電子控制單元完成助力控制,其原理可概述為:當操縱方向盤時裝在轉向盤上的扭矩傳感器不斷地測出轉向軸上的扭矩信號。該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元。電子控制單元根據這些輸入信號,確定助力扭矩的大小和方向,即選定助力電機的通入電流和轉向,調整轉向輔助助力的大小。電機扭矩由電磁離合器通過減速機構增大后,加在汽車的轉向機構上,使之得到一個與汽車工況相適應的轉向作用力。

   圖1  電動助力轉向系統框圖

1.2 EPS系統對助力電動機的要求

電動機的助力特性對動力轉向系統的性能,包括輕便性、回正性、路感等有重要影響。在傳統液壓動力轉向中,助力特性主要由閥的結構決定,調整非常困難,設計完成后,不能隨車速變化。而EPS不同,助力特性曲線是電動助力轉向的控制目標,由軟件來設置,可以設計成車速感應型特性曲線,并可方便地進行調節。圖2是典型EPS直線助力特性曲線。  

 圖2直線型助力特性曲線

該助力特性曲線可用下列函數表示 式中,I為電動機目標電流;Imax為電動機最大工作電流;Td為轉向盤輸入轉矩;K(v)為助力特性曲線的梯度,隨車速增加而減??;Tdo為系統開始助力時的轉向盤輸入轉矩;Tdmax為系統提供最大助力時的轉向盤輸人轉矩。

   除了直線型助力特性外還有折線型助力特性和曲線型助力特性。直線型助力特性最簡單,數據量小,存儲方便,有利于控制系統的設計,并且在實際中容易調整。曲線型助力特性復雜,數據存儲量大,調整不方便。折線型助力特性則介于兩者之間。

   相比普通電動機,電動助力轉向系統采用的電動機具有以下特點:

   (1)由于大多車載電源為12V直流電,因此要求助力電動機的工作電壓低,并具有足夠大的額定功率和額定電流。

   (2)轉動慣量小、調速范圍寬廣、控制特性好、低速運行乎穩、力矩波動小。

   (3)大的齒輪傳動比將增加機械慣量降低EPS系統的動態性能,所以電動機轉速不能太大(大約1 000 r/min)。

   (4)為減小轉子的慣性力矩,電動機的體積應盡可能小。

   (5)在堵轉時也要能夠提供助力作用,對于大型的車輛,甚至要求電動機能夠提供與轉動方向相反的助力轉矩。

   在低端的EPS產品中,大多采用永磁有刷直流電機。這種電機一般用H橋功率變換器控制,成本較低,但也存在一些問題。例如:電刷壽命短,有電磁干擾,有較大的轉矩脈動,因此運行欠平穩;比功率(功率與體積的比值)低,不適用于中、大型車輛。所以在后續的EPS系統中多采用永磁無刷直流電機(BLDCM),其驅動方式為60°換向的三相六狀態工作方式,由于是60°換向,控制精度為±30°電角度,轉矩脈動明顯,運行不夠平穩,使得駕駛者對轉向盤的手感很差,因此要采用大減速(60:1)的減速機來提高機械轉向機構的分辨率。對EPS系統,大減速比的減速機具有逆向自鎖制動的缺點。為防止電機故障而鎖死方向盤須增加電磁離合器,增加了系統的復雜性和成本。所以,同外雖然曾有采用BLDC電機的EPS面世,但無法推廣開來。目前國際上已面世或正在開發的EPS無刷電機,基本上都是永磁同步電動機(PMSM)。

2   PMSM控制系統的建模與仿真

2.1永磁同步電機數學模型及其矢量控制

   為建立正弦波永磁同步電動機的數學模型,首先假定:(1)不計剩磁、渦流、磁滯、飽和等效應,認為磁路是線性的。(2)忽略空間諧波,認為繞組磁勢及氣隙磁密按正弦規律分布。

   在上述假定下,可引入空間矢量的概念。三相定子繞組軸線A、B、C在平面上互差120°,并將A軸作為復平而上的實軸,逆時鐘方向轉過90°為虛軸。于是,復平面上的一個復數可以和一根矢量相對應,反之亦然。接著可定義定子電流空間矢量i(t)如下: 式中,iA(t)、iB(t)、ic(t)為三相瞬時電流值。

   在永磁同步電動機中,同步旋轉坐標系取轉子磁場中基波磁勢的軸線,即轉子磁極軸線為d軸(直軸),順旋轉方向超前d軸90°電角度為q軸(交軸),軸系隨同轉子以同步角速度旋轉。根據矢量控制理論中的坐標變換方法,在d—q-o坐標系中,可以證明電磁轉矩為: 式中,Tem為電磁轉矩,和轉角日取同樣的正方向;p為電動機的極對數。

   如果通過計算機控制,設法使定子電流空間矢量i(t)或是指向q軸正方向,或是指向q軸的反方向,于是id=0,iq=io此處,符號i是表示電流空間矢量i(t)的大小,它是一個代數量。此時,電磁轉矩: (1)式中,KT為比例系數??梢?,電磁轉矩的大小和電流空間矢量的大小成正比。將id=0,iq=i,io=0代人式(1)可得: (2)這樣,只要在定子三相繞組中通人符合上式的三相電流,就可以保證定子電流空間矢量總是保持在q軸的軸線上,實現轉矩的單變量控制,獲得與直流電動機一樣好的轉矩特性。

 圖3控制系統框圖  

圖4基于Matlab/Simulink的永磁同步電機控制系統仿真模型直流電動機一樣好的轉矩特性。

   矢量控制的具體方法是,由ECU計算出電動機應有的轉矩值及相應的i值,再根據當時的轉子位置θ,按式(2)得出三相瞬時電流指令值,通過電流閉環控制,利用PWM型逆變器的快速跟蹤特性,使同步電動機的實際定子電流接近指令值。

2.2仿真模型與仿真分析

   控制系統原理示意圖如圖3所示。

   根據控制系統原理,在分析永磁同步電機矢量控制的基礎上,得到如圖4所示的基于Matlab/Simulink的仿真模型。該控制系統采用轉速環、電流環雙環控制,轉速環為外環,采用PI調節器,電流環為內環。選取PMSM的參數為:定子電阻R=3 Ω;Ld=0.0085H;Lq=0.0085 H;磁鏈幅值0.175 Wb;轉動慣量0.0008 kg??㎡;阻尼系數為0;電機極對數2。給定轉速為l 000 r/rain,轉矩為1.5 N?m。設置起始時間為O,停止時間為0. 5 s,選取0del5 s變步長解法。為了驗證該系統模型的靜、動態性能,在系統平衡后0.25 s時突增到2 N·m的負載,可得到系統轉速、轉矩仿真波形如圖5~圖6所示。

   圖5轉速與轉矩波形

   仿真波形表明,系統起動快,轉速平穩,波動較小。系統在0.1 s時開始穩定運行,在0.25s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,具有與直流電動機同樣好的靜、動態特性。

?結  語

電動助力轉向(EPS)系統與傳統助力轉向系統相比具有眾多的優點,國外已研發十多年,并有成品,而國內這方面的研究才剛起步。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,提出采用永磁同步電動機作為助力電機的觀點。分析了永磁同步電動機的矢量控制方法,并在Simulink環境下進行了模型的設計和

仿真。結果表明,EPS永磁同步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。采用永磁同步電機助力轉向系統,完全能達到采用直流電機的性能,并且可以克服直流電機的一些固有缺點。

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