电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计.docx

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电动助力转向系统BLDC电机控制模块设计

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

Astheelectricpowersteering（EPS）systemwithhighperformance,highefficiency,lowcost,energysaving,etc.,withthedevelopmentofautomotiveelectronicstechnology,electricpowersteeringtechnologyisgraduallyreplacingthetraditionalhydraulicpowersteering（HPS）,becamesteeringtechnologymainstream.

Currently,EPSboostermotorsusemoreconventionalpermanentmagnetDCmotors,DCmotorsbrushmechanicalfriction,bringingnoise,sparks,electromagneticinterference,andshortlifefatalweakness,reducingthereliabilityandsecurityofEPSperformance.Therefore,thedevelopmentofanovel,adaptedEPSdrivemotor-brushlessDCmotor,toimprovetheEPSperformanceisimportant.

Inthispaper,adetailedunderstandingoftheEPSsystemperformancerequirementsandworksonthebasisofvariousexistingEPSboostermotorsweresummarizedandcompared.ComparativeresultsshowthatthebrushlessDCmotor（BLDC）WithitssignificantadvantagestobecometheoptimumchoiceEPSboostermotor.Inthispaper,theresearchanddevelopmentofEPSBrushlessDCmotorcontrolsystem,thepaper'smaintasksare:

1）analyzesthestructureofbrushlessDCmotorworks.Fromelectromagneticfactors,currentcommutation,alveolarfactors,technologyandotheraspectsofmechanicalarmaturereactionanalysisandstudyofthecausesoftorqueripple,theproposedimprovements.

2）constructedwithMicrochip'sdsPIC33FJ12MC202microprocessorasthecorecontrolbrushlessDCmotorcontrolsystem,thehardwarecircuitdesign,writeanddebugthecorrespondingcontrolproceduresdesignedbrushlessDCmotorcontrolsystem.

Experimentalresultsshowthat:

thebrushlessDCmotor,smallsize,largeoutput,goodmechanicalproperties,isidealforEPSdrivemotor.LowcostbrushlessDCmotorcontrollerdeveloped,reliableperformance,inlinewithEPSpowersmooth,easymanipulation,highreal-timerequirements,providingagooddevelopmentforsubsequentstudies,thetestplatform.

Keywords:

electricpowersteering;brushlessDCmotor;dsPIC33FJ12MC202;ControlSystem

摘要…………………………………………………………………………………1

Abstract…………………………………………………………………………2

第一章绪论………………………………………………………………………4

1.1引言…………………………………………………………………………4

1.2课题研究的目的和意义……………………………………………………4

1.3电动助力转向系统的发展历程和研究现状………………………………6

1.4EPS系统原理………………………………………………………………7

1.5EPS用助力电机概述………………………………………………………8

1.6无刷直流电动机概述……………………………………………………10

1.7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（HydrulicPowerSteering,简称HPS），电动液压助力转向系统（ElectricHydrulicPowerSteering,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（ElectricPowerSteering,简称EPS）。

所谓电动助力转向（electricpowersteering，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