直流無刷電機(jī)與汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)研究

何澤剛+申榮衛(wèi)

摘 要 介紹汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，對(duì)適用于EPS系統(tǒng)的直流無刷電機(jī)進(jìn)行了研究，在助力電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組相數(shù)及連接方式、減速結(jié)構(gòu)與減速比、電機(jī)的基本參數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式等幾個(gè)方面與EPS系統(tǒng)的需求進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)。通過該匹配設(shè)計(jì)，使直流無刷電機(jī)提供助力的EPS系統(tǒng)能獲得最佳的轉(zhuǎn)向助力特性和路感，滿足人們對(duì)駕駛的舒適性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。

關(guān)鍵詞 直流無刷電機(jī)；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；匹配設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）15-0014-03

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)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(diǎn)[1]，應(yīng)用前景廣闊。在助力電機(jī)選擇上，由于直流有刷電機(jī)技術(shù)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(jī)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用電子換向的直流無刷電機(jī)優(yōu)越性逐漸突出，國外也開發(fā)了以直流無刷電機(jī)作為助力電機(jī)的EPS系統(tǒng)，并已有成品裝車銷售。國內(nèi)也對(duì)直流無刷電機(jī)助力的EPS系統(tǒng)展開了研究，但技術(shù)并不成熟，目前還處于研發(fā)階段[2]。因此，本文對(duì)直流無刷電機(jī)與EPS系統(tǒng)的匹配展開研究，為進(jìn)一步開發(fā)直流無刷電機(jī)助力的EPS系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

EPS系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，增加了一套電控系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)來輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向，主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、電流傳感器、助力電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸及機(jī)械轉(zhuǎn)向器等組成，如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基本工作原理：當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向時(shí)，傳感器將檢測到的信號(hào)（主要有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)、車速信號(hào)和電流信號(hào)）送給電控單元，電控單元根據(jù)這些信號(hào)判斷汽車當(dāng)前行駛工況，確定助力轉(zhuǎn)矩大小和方向，并發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)產(chǎn)生目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，由電流傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，助力轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)傳遞給輸出軸，進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力。

2 EPS系統(tǒng)對(duì)助力電機(jī)的要求

助力電機(jī)是EPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)助力作用的關(guān)鍵執(zhí)行部件，根據(jù)不同工況，電機(jī)有不同的工作狀態(tài)，包括起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)助力、制動(dòng)等。因此，EPS系統(tǒng)對(duì)其有一定的特性要求，一般要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、助力轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、噪聲低、可靠性高及功率密度大等。直流無刷電機(jī)采用電子換向，噪聲低，維護(hù)少，功率密度大，滿足EPS系統(tǒng)需求。

直流無刷電機(jī)在驅(qū)動(dòng)模式上有正弦波驅(qū)動(dòng)和方波驅(qū)動(dòng)兩

種[3]，正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)具有交流同步電機(jī)的特性，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，但是電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)主轉(zhuǎn)子位置傳感器的分辨率要求較高，控制方式復(fù)雜。方波驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)具有直流電機(jī)的運(yùn)行特性，輸出轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)的換向只需要離散的轉(zhuǎn)子位置信息，對(duì)位置傳感器的要求低，電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，控制起來方便，因此，在開發(fā)EPS系統(tǒng)時(shí)，可以選用方波驅(qū)動(dòng)的直流無刷電機(jī)。

3 直流無刷助力電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)

3.1 助力電機(jī)結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)不同，無刷電機(jī)定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁體。一般定子繞組越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)越小，但是電機(jī)結(jié)構(gòu)也會(huì)復(fù)雜，且不易控制，成本增加，實(shí)際應(yīng)用中多為三相繞組。轉(zhuǎn)子多為永磁材料制成的具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體，磁極在轉(zhuǎn)子上的處理一般有表貼式和內(nèi)嵌式兩種[4]，如圖2所示。表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電樞反應(yīng)對(duì)氣隙主磁場的影響較弱，由電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也較小，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)氣隙主磁場的影響較大，相對(duì)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也大，對(duì)EPS系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小越好，這樣才能減小振動(dòng)和噪聲，增強(qiáng)路感。因此，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在直流無刷助力電機(jī)上。

直流無刷電機(jī)的定子機(jī)械結(jié)構(gòu)為齒槽，用來放置繞組，根據(jù)每極每相的槽數(shù)不同，有整數(shù)槽繞組和分?jǐn)?shù)槽繞組兩種。整數(shù)槽繞組制造復(fù)雜、繞組電感大，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢含有大量諧波，會(huì)引起轉(zhuǎn)子渦流損耗和噪聲[5]，在過去較多采用。分?jǐn)?shù)槽繞組可以降低齒槽效應(yīng)引起的阻力矩，改善電機(jī)性能，而且生產(chǎn)方便、電機(jī)體積小，更適合開發(fā)EPS系統(tǒng)用直流無刷助力電機(jī)。

直流無刷電機(jī)在繞組連接方式上根據(jù)相數(shù)不同而有多種方式。對(duì)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(huì)增加損耗，所以直流無刷電機(jī)定子繞組多用星形接法。

3.2 助力電機(jī)減速機(jī)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

減速機(jī)構(gòu)是用來減速增扭的，放大助力電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)減速機(jī)構(gòu)一般有蝸輪蝸桿式和行星齒輪

式[6]。蝸輪蝸桿式的減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，目前EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)多用這種減速機(jī)構(gòu)。行星齒輪式的減速機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高，用的是雙排行星齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)，這種減速結(jié)構(gòu)在集成主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的EPS系統(tǒng)中可以發(fā)揮其優(yōu)越性能。

減速機(jī)構(gòu)減速比的選擇，一般要和助力電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行匹配，包括電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等。減速比過大，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時(shí)，為了跟上轉(zhuǎn)向速度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也必須提高，這一方面對(duì)電機(jī)要求較高，另一方面減速機(jī)構(gòu)的尺寸也會(huì)加大；減速比過小，增扭小，當(dāng)需要較大的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)必須能提供較大的轉(zhuǎn)矩，這使得電機(jī)尺寸和繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本就會(huì)增加。

3.3 助力電機(jī)基本參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

3.3.1 助力電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩

汽車EPS系統(tǒng)依靠助力電機(jī)來提供轉(zhuǎn)向助力，助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向是根據(jù)駕駛員給予轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩和車速信號(hào)來確定的。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩也越大，汽車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)具有最大的轉(zhuǎn)向阻力矩，這個(gè)轉(zhuǎn)向阻力矩的最大值與整車的性能參數(shù)有關(guān)，直流無刷電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩的大小需參照最大轉(zhuǎn)向阻力矩來匹配。endprint

原地轉(zhuǎn)向阻力矩可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[7]：

（1）

式中：Trmax為最大原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7；G為前軸負(fù)荷，N；P為輪胎氣壓，Pa。

轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：

（2）

式中：Tdmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Fdmax為轉(zhuǎn)向盤最大切向力，N；Rd為轉(zhuǎn)向盤半徑，m。

根據(jù)轉(zhuǎn)向條件及EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，助力電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算（該公式適用于轉(zhuǎn)向軸助力式）：

（3）

式中：Tmmax為直流無刷電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；gm為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；ηm為電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率；gr為齒輪齒條機(jī)械轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，mm/rad；ηr為機(jī)械轉(zhuǎn)向器正向傳動(dòng)效率；gt為從轉(zhuǎn)向橫拉桿到轉(zhuǎn)向輪主銷之間的傳動(dòng)比，rad/mm。

3.3.2 助力電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

對(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（比如急轉(zhuǎn)向工況）時(shí)，電機(jī)不但要提供合適的助力轉(zhuǎn)矩，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速也要能跟上轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速才可以。助力電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可按下式

計(jì)算：

（4）

式中：nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；ndmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)速。

3.3.3 助力電機(jī)最大功率

電機(jī)輸出功率為電機(jī)軸頭輸出的機(jī)械功率，助力電機(jī)最大功率可按下式計(jì)算：

（5）

式中：Pmax為助力電機(jī)最大功率。

3.4 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式匹配設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)采用電子換向，帶位置傳感器的直流無刷電機(jī)中，用位置傳感器檢測主轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子繞組的位置，控制器利用該位置信號(hào)確定換向時(shí)刻，并控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，在定子電樞繞組中形成步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相無刷直流電機(jī)中，常用的驅(qū)動(dòng)方式有半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。半橋驅(qū)動(dòng)方式所用的功率開關(guān)管少，狀態(tài)數(shù)少，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，這種方式不適合EPS系統(tǒng)助力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于三相星接繞組，最優(yōu)的方式是采用全橋驅(qū)動(dòng)，需六個(gè)開關(guān)管組成逆變橋，如果轉(zhuǎn)子一對(duì)磁極，有三個(gè)位置傳感器，則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈的過程中，有六個(gè)換向點(diǎn)，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)60°電角度，整體上電流波動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也低，滿足EPS系統(tǒng)的要求。

（a）半橋驅(qū)動(dòng) （b）全橋驅(qū)動(dòng)

圖3 電橋驅(qū)動(dòng)方式

在通電方式上，有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通，二二導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)只有兩相繞組通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通120°電角度；三三導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)三相繞組均通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通180°電角度，相比之下三三導(dǎo)通的開關(guān)管損耗較多，因此，二二導(dǎo)通方式可作為直流無刷助力電機(jī)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(diào)制方式

在PWM調(diào)制方式上，通常有全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種[8]。全橋調(diào)制在每一通電狀態(tài)下對(duì)逆變橋的上下管均采用PWM控制，半橋調(diào)制只對(duì)上管或下管采用PWM控制。全橋調(diào)制相對(duì)于半橋調(diào)制，其開關(guān)管的損耗增加了一倍，并且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也大，實(shí)際中較少采用。半橋調(diào)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(dǎo)通期間內(nèi)前60°PWM控制后60°常開（PWM_ON）方式、在120°電角度導(dǎo)通期間內(nèi)前60°常開后60°PWM控制（ON_PWM）方式，如圖4所示。在這四種調(diào)制方式中，PWM_ON方式的換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最低[9]，該控制方式作用于EPS系統(tǒng)的直流無刷助力電機(jī)，可獲得良好的助力特性和路感，但控制起來略有復(fù)雜。實(shí)際上，H_PWM-L_ON方式的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，控制也方便，在初期開發(fā)時(shí)可以采用。

4 總結(jié)

為了較好地實(shí)現(xiàn)助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、助力特性平滑、運(yùn)行穩(wěn)定的目標(biāo)，通過對(duì)直流無刷電機(jī)與EPS系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得出了以下結(jié)論。

1）直流無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上定子易采用分?jǐn)?shù)槽繞組，繞組星形連接，轉(zhuǎn)子磁極采用表貼式。

2）減速機(jī)構(gòu)上可以采用蝸輪蝸桿式，減速比需和電機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行匹配。

3）總結(jié)了電機(jī)基本參數(shù)的匹配計(jì)算公式。

4）驅(qū)動(dòng)方式上可以選擇三相全橋驅(qū)動(dòng)，二二導(dǎo)通，PWM_ON調(diào)制方式。

基金項(xiàng)目

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12ZCZDGX04400）；

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC13-16）。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

何澤剛（1981-），男，碩士研究生，研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

申榮衛(wèi)（1971-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車新能源與電子控制技術(shù)。endprint

原地轉(zhuǎn)向阻力矩可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[7]：

（1）

式中：Trmax為最大原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7；G為前軸負(fù)荷，N；P為輪胎氣壓，Pa。

轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：

（2）

式中：Tdmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Fdmax為轉(zhuǎn)向盤最大切向力，N；Rd為轉(zhuǎn)向盤半徑，m。

根據(jù)轉(zhuǎn)向條件及EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，助力電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算（該公式適用于轉(zhuǎn)向軸助力式）：

（3）

式中：Tmmax為直流無刷電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；gm為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；ηm為電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率；gr為齒輪齒條機(jī)械轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，mm/rad；ηr為機(jī)械轉(zhuǎn)向器正向傳動(dòng)效率；gt為從轉(zhuǎn)向橫拉桿到轉(zhuǎn)向輪主銷之間的傳動(dòng)比，rad/mm。

3.3.2 助力電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

對(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（比如急轉(zhuǎn)向工況）時(shí)，電機(jī)不但要提供合適的助力轉(zhuǎn)矩，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速也要能跟上轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速才可以。助力電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可按下式

計(jì)算：

（4）

式中：nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；ndmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)速。

3.3.3 助力電機(jī)最大功率

電機(jī)輸出功率為電機(jī)軸頭輸出的機(jī)械功率，助力電機(jī)最大功率可按下式計(jì)算：

（5）

式中：Pmax為助力電機(jī)最大功率。

3.4 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式匹配設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)采用電子換向，帶位置傳感器的直流無刷電機(jī)中，用位置傳感器檢測主轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子繞組的位置，控制器利用該位置信號(hào)確定換向時(shí)刻，并控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，在定子電樞繞組中形成步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相無刷直流電機(jī)中，常用的驅(qū)動(dòng)方式有半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。半橋驅(qū)動(dòng)方式所用的功率開關(guān)管少，狀態(tài)數(shù)少，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，這種方式不適合EPS系統(tǒng)助力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于三相星接繞組，最優(yōu)的方式是采用全橋驅(qū)動(dòng)，需六個(gè)開關(guān)管組成逆變橋，如果轉(zhuǎn)子一對(duì)磁極，有三個(gè)位置傳感器，則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈的過程中，有六個(gè)換向點(diǎn)，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)60°電角度，整體上電流波動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也低，滿足EPS系統(tǒng)的要求。

（a）半橋驅(qū)動(dòng) （b）全橋驅(qū)動(dòng)

圖3 電橋驅(qū)動(dòng)方式

在通電方式上，有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通，二二導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)只有兩相繞組通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通120°電角度；三三導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)三相繞組均通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通180°電角度，相比之下三三導(dǎo)通的開關(guān)管損耗較多，因此，二二導(dǎo)通方式可作為直流無刷助力電機(jī)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(diào)制方式

在PWM調(diào)制方式上，通常有全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種[8]。全橋調(diào)制在每一通電狀態(tài)下對(duì)逆變橋的上下管均采用PWM控制，半橋調(diào)制只對(duì)上管或下管采用PWM控制。全橋調(diào)制相對(duì)于半橋調(diào)制，其開關(guān)管的損耗增加了一倍，并且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也大，實(shí)際中較少采用。半橋調(diào)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(dǎo)通期間內(nèi)前60°PWM控制后60°常開（PWM_ON）方式、在120°電角度導(dǎo)通期間內(nèi)前60°常開后60°PWM控制（ON_PWM）方式，如圖4所示。在這四種調(diào)制方式中，PWM_ON方式的換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最低[9]，該控制方式作用于EPS系統(tǒng)的直流無刷助力電機(jī)，可獲得良好的助力特性和路感，但控制起來略有復(fù)雜。實(shí)際上，H_PWM-L_ON方式的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，控制也方便，在初期開發(fā)時(shí)可以采用。

4 總結(jié)

為了較好地實(shí)現(xiàn)助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、助力特性平滑、運(yùn)行穩(wěn)定的目標(biāo)，通過對(duì)直流無刷電機(jī)與EPS系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得出了以下結(jié)論。

1）直流無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上定子易采用分?jǐn)?shù)槽繞組，繞組星形連接，轉(zhuǎn)子磁極采用表貼式。

2）減速機(jī)構(gòu)上可以采用蝸輪蝸桿式，減速比需和電機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行匹配。

3）總結(jié)了電機(jī)基本參數(shù)的匹配計(jì)算公式。

4）驅(qū)動(dòng)方式上可以選擇三相全橋驅(qū)動(dòng)，二二導(dǎo)通，PWM_ON調(diào)制方式。

基金項(xiàng)目

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12ZCZDGX04400）；

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC13-16）。

參考文獻(xiàn)

[1]申榮衛(wèi)，林逸，臺(tái)曉虹，施國標(biāo).電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與補(bǔ)償控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（7）：5-9.

[2]胡培俊.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)的應(yīng)用[J].汽車電器，2014（2）：42-44.

[3]湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]謝衛(wèi).控制電機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]申榮衛(wèi)，臺(tái)曉虹，趙劍鋒，施國標(biāo).純電動(dòng)客車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)理論研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009，36（4）：63-68.

[7]韓炯剛，申榮衛(wèi)，邰曉虹，何澤剛，蔣平.混合動(dòng)力客車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2014（1）：49-53.

[8]孫立軍，孫雷，張春喜，等.無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（2）：120-123.

[9]齊蓉，周素瑩，林輝，等.無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)關(guān)系研究[J].微電機(jī)，2006，39（1）：58-98.

作者簡介

何澤剛（1981-），男，碩士研究生，研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

申榮衛(wèi)（1971-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車新能源與電子控制技術(shù)。endprint

原地轉(zhuǎn)向阻力矩可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[7]：

（1）

式中：Trmax為最大原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7；G為前軸負(fù)荷，N；P為輪胎氣壓，Pa。

轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：

（2）

式中：Tdmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Fdmax為轉(zhuǎn)向盤最大切向力，N；Rd為轉(zhuǎn)向盤半徑，m。

根據(jù)轉(zhuǎn)向條件及EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，助力電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算（該公式適用于轉(zhuǎn)向軸助力式）：

（3）

式中：Tmmax為直流無刷電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；gm為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；ηm為電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率；gr為齒輪齒條機(jī)械轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，mm/rad；ηr為機(jī)械轉(zhuǎn)向器正向傳動(dòng)效率；gt為從轉(zhuǎn)向橫拉桿到轉(zhuǎn)向輪主銷之間的傳動(dòng)比，rad/mm。

3.3.2 助力電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

對(duì)于EPS系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（比如急轉(zhuǎn)向工況）時(shí)，電機(jī)不但要提供合適的助力轉(zhuǎn)矩，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速也要能跟上轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速才可以。助力電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可按下式

計(jì)算：

（4）

式中：nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；ndmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)速。

3.3.3 助力電機(jī)最大功率

電機(jī)輸出功率為電機(jī)軸頭輸出的機(jī)械功率，助力電機(jī)最大功率可按下式計(jì)算：

（5）

式中：Pmax為助力電機(jī)最大功率。

3.4 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式匹配設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)采用電子換向，帶位置傳感器的直流無刷電機(jī)中，用位置傳感器檢測主轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子繞組的位置，控制器利用該位置信號(hào)確定換向時(shí)刻，并控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，在定子電樞繞組中形成步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相無刷直流電機(jī)中，常用的驅(qū)動(dòng)方式有半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。半橋驅(qū)動(dòng)方式所用的功率開關(guān)管少，狀態(tài)數(shù)少，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，這種方式不適合EPS系統(tǒng)助力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于三相星接繞組，最優(yōu)的方式是采用全橋驅(qū)動(dòng)，需六個(gè)開關(guān)管組成逆變橋，如果轉(zhuǎn)子一對(duì)磁極，有三個(gè)位置傳感器，則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈的過程中，有六個(gè)換向點(diǎn)，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)60°電角度，整體上電流波動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也低，滿足EPS系統(tǒng)的要求。

（a）半橋驅(qū)動(dòng) （b）全橋驅(qū)動(dòng)

圖3 電橋驅(qū)動(dòng)方式

在通電方式上，有二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通，二二導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)只有兩相繞組通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通120°電角度；三三導(dǎo)通方式，每一狀態(tài)三相繞組均通電，每個(gè)開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通180°電角度，相比之下三三導(dǎo)通的開關(guān)管損耗較多，因此，二二導(dǎo)通方式可作為直流無刷助力電機(jī)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(diào)制方式

在PWM調(diào)制方式上，通常有全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種[8]。全橋調(diào)制在每一通電狀態(tài)下對(duì)逆變橋的上下管均采用PWM控制，半橋調(diào)制只對(duì)上管或下管采用PWM控制。全橋調(diào)制相對(duì)于半橋調(diào)制，其開關(guān)管的損耗增加了一倍，并且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也大，實(shí)際中較少采用。半橋調(diào)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(dǎo)通期間內(nèi)前60°PWM控制后60°常開（PWM_ON）方式、在120°電角度導(dǎo)通期間內(nèi)前60°常開后60°PWM控制（ON_PWM）方式，如圖4所示。在這四種調(diào)制方式中，PWM_ON方式的換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最低[9]，該控制方式作用于EPS系統(tǒng)的直流無刷助力電機(jī)，可獲得良好的助力特性和路感，但控制起來略有復(fù)雜。實(shí)際上，H_PWM-L_ON方式的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，控制也方便，在初期開發(fā)時(shí)可以采用。

4 總結(jié)

為了較好地實(shí)現(xiàn)助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、助力特性平滑、運(yùn)行穩(wěn)定的目標(biāo)，通過對(duì)直流無刷電機(jī)與EPS系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得出了以下結(jié)論。

1）直流無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上定子易采用分?jǐn)?shù)槽繞組，繞組星形連接，轉(zhuǎn)子磁極采用表貼式。

2）減速機(jī)構(gòu)上可以采用蝸輪蝸桿式，減速比需和電機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行匹配。

3）總結(jié)了電機(jī)基本參數(shù)的匹配計(jì)算公式。

4）驅(qū)動(dòng)方式上可以選擇三相全橋驅(qū)動(dòng)，二二導(dǎo)通，PWM_ON調(diào)制方式。

基金項(xiàng)目

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12ZCZDGX04400）；

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC13-16）。

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[3]湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]謝衛(wèi).控制電機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2008.

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[6]申榮衛(wèi)，臺(tái)曉虹，趙劍鋒，施國標(biāo).純電動(dòng)客車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)理論研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009，36（4）：63-68.

[7]韓炯剛，申榮衛(wèi)，邰曉虹，何澤剛，蔣平.混合動(dòng)力客車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2014（1）：49-53.

[8]孫立軍，孫雷，張春喜，等.無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（2）：120-123.

[9]齊蓉，周素瑩，林輝，等.無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)關(guān)系研究[J].微電機(jī)，2006，39（1）：58-98.

作者簡介

何澤剛（1981-），男，碩士研究生，研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

申榮衛(wèi)（1971-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車新能源與電子控制技術(shù)。endprint