三相交流异步电机在汽车电动助力转向系统中的应用研究

论文摘要

为顺应汽车向节能环保“绿色”主题方向的发展,汽车助力转向系统渐渐地由液压助力转向向电动助力转向发展。尤其是随着21世纪的清洁汽车—电动汽车的发展,电动助力转向技术受到越来越多的重视。近一二十年来国内众多院校、科研机构大多集中在以直流电机为助力电机的汽车电动助力转向系统来开展研究,对三相交流异步电机在汽车电动助力转向系统中的应用研究很少。直流电机在满足高性能电动助力转向性能要求的同时存在一些不易克服的困难,如有刷直流电机的炭刷寿命问题和无刷直流电机的转矩脉动问题,因此国外已经有一款中高级车型装配有基于三相交流异步电机的EPS系统。为了弥补国内在此存在的空白,论文开展了基于三相交流异步电机的汽车电动助力转向系统的研究。虽然国内已经有相关的研究但是主要方向或是对三相交流异步电机汽车电动助力转向系统试验台进行了分析和研究,或是使用交流220V的三相交流异步电机做近似研究,还未见论文中采用额定电压为8V的低电压大电流三相交流异步电机(我们已经国产化)做EPS驱动系统研究、EPS控制系统研究和EPS用三相交流异步电机外特性研究的相关文献。驱动系统硬件设计中,主控制芯片采用的是飞思卡尔公司电机数字控制专用芯片MC56F8346。由于汽车电动助力转向系统由车载12V蓄电池供电,这种低压大电流的三相交流异步电机的驱动系统是设计中最具挑战性的部分,在国内汽车电动助力转向系统的工程中也未见报道。驱动系统的软件设计中包含:电机矢量控制、电磁转矩的随动控制、故障保护控制和CAN通讯模块等等,这些控制算法都是为了实现EPS的助力控制,回正控制和阻尼控制。该论文完成了汽车电动助力转向系统中的异步电机矢量控制,并实现了助力控制。论文中首先通过对三相交流异步电机作为汽车电动助力转向系统的助力电机的控制方法进行理论推导和分析,提出了交流转矩伺服系统应用于汽车电动助力转向系统中的基本控制方案,并通过Matlab仿真和相应的电机控制试验进行了验证。之后,重点介绍了驱动系统的方案和控制系统的软件实现方法。最后,针对这种低压交流异步电机的外特性进行试验和分析,取得了大量的试验数据,证明了控制算法和电机驱动控制器硬件能满足车用的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及选题意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 汽车电动助力转向技术的国内外发展现状和趋势
• 1.3 汽车电动助力转向系统的关键技术
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 汽车电动助力转向系统理论分析
• 2.1 转向阻力矩的形成及影响因素分析
• 2.2 汽车电动助力转向系统的分类、结构和原理
• 2.2.1 EPS 的分类
• 2.2.2 EPS 的结构
• 2.2.3 EPS 的工作原理
• 2.3 汽车电动助力转向系统控制策略
• 2.3.1 助力控制
• 2.3.2 回正控制和阻尼控制
• 2.4 本章小结
• 3 基于三相交流异步电机的EPS 系统设计
• 3.1 汽车电动助力转向系统电机的选型
• 3.1.1 直流电机在汽车电动助力转向系统中的应用
• 3.1.2 交流电机在汽车电动助力转向系统中的应用
• 3.1.3 特种电机在汽车电动助力转向系统中的应用
• 3.2 基于三相交流异步电机的交流转矩伺服系统研究
• 3.2.1 转矩控制方案的选择
• 3.2.2 三相交流异步电机的数学模型
• 3.2.3 三相交流异步电机矢量控制的数字化实现
• 3.2.4 实现转矩伺服系统控制的条件
• 3.3 三相交流异步电机的交流转矩伺服系统研究
• 3.3.1 交流转矩伺服系统的仿真研究
• 3.3.2 交流转矩伺服系统的试验研究
• 3.4 本章小结
• 4 基于三相交流异步电机的EPS 系统的硬件设计
• 4.1 硬件结构和功能划分
• 4.1.1 电源管理单元
• 4.1.2 DSP 控制单元
• 4.1.3 功率驱动及功率单元
• 4.1.4 数据采集单元
• 4.1.5 通信单元
• 4.2 硬件电路试验研究
• 4.2.1 第一版遇到问题的分析和总结
• 4.2.2 第二版遇到问题的分析和总结
• 4.2.3 第三版总结和试验
• 4.3 本章小结
• 5 基于三相交流异步电机的EPS 系统的软件设计
• 5.1 程序状态图
• 5.1.1 初始化状态—INIT
• 5.1.2 停止状态—STOP
• 5.1.3 运行状态—RUN
• 5.1.4 错误状态—FAULT
• 5.2 程序结构
• 5.2.1 125μs 程序环
• 5.2.2 1000μs 程序环
• 5.3 程序中的注意事项
• 5.3.1 ADC 启动采样相电流问题
• 5.3.2 电机的转速测量问题
• 5.4 本章小结
• 6 汽车电动助力转向系统用异步电机的试验研究
• 6.1 试验内容
• 6.1.1 不同V/F 曲线下电机试验
• 6.1.2 电机负载试验
• 6.2 本章小结
• 7 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录