电动助力转向系统中无刷直流电机控制器的研究与开发

论文摘要

电动助力转向系统(EPS)是近几年来兴起的新型动力转向系统。EPS采用电机作为动力源,以微处理器为控制单元,能针对汽车行驶的各种不同工况进行智能控制,达到最理想的助力效果。在转向操作的舒适性、安全性和节能环保等方面具有传统液压助力转向系统无法比拟的优势。本文以无刷直流电机为动力源,以高性能、高可靠性的电动助力转向系统为目标,对其进行了深入的系统的研究。本文针对电动助力转向系统(EPS)的控制原理进行了研究,详细的分析和比较了电动助力转向系统控制策略的原理和实现方法,确定了电机电枢电流法实现助力功能。本文对电动助力转向系统中无刷直流电机控制的核心控制技术进行了研究,深入的探讨了电机相电流和母线电流的关系,提出了一种低成本、精度较高的无刷直流电机相电流检测方案,并结合工程实践给出了母线电流和相电流采样方法;讨论了无刷直流电机的阻尼控制原理,并给出了实际的应用方法;研究了一种新型的PWM控制策略,有效地降低了系统的功耗,提高系统的可靠性。在以上的理论基础上,本文以英飞凌公司的数字信号处理器XC2365和专用三相电机驱动芯片TLE7183为核心设计了EPS无刷直流电机控制器的硬件平台。软件上将模块化设计的思想贯穿到整个EPS控制程序,软件构架清晰合理、层次分明、控制效果好,能够实现不同工况和不同模式下对电机转矩的精确控制。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现作了详细的介绍,并给出硬件结构框图及软件部分的程序框图。本文在最后介绍了调试环境和设备,给出了实验数据和波形并对实验结果做了分析和比较。实验结果证明,本文设计的汽车电动助力转向系统中的无刷直流电机控制器具有良好的性能,基本达到预期设计要求,为后续的研究工作提供了很好的基础和借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 电动助力转向系统的发展历程和研究现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 EPS 系统控制技术研究
• 2.1 EPS 系统介绍
• 2.1.1 EPS 系统的分类
• 2.1.2 EPS 的组成
• 2.1.3 EPS 的工作和控制原理
• 2.2 EPS 控制策略研究
• 2.2.1 EPS 的控制目的
• 2.2.2 助力控制
• 2.2.3 回正控制
• 2.2.4 阻尼控制
• 2.3 本文确定的控制策略
• 2.4 本章小结
• 3 EPS 无刷直流电机关键控制技术研究
• 3.1 无刷直流电机控制理论
• 3.1.1 脉宽调制基本原理
• 3.1.2 脉宽调制变换器原理
• 3.1.3 无刷直流电机控制原理
• 3.2 EPS 无刷直流电机阻尼技术研究
• 3.3 无刷直流电机相电流检测技术研究
• 3.3.1 相电流与母线电流采样分析
• 3.3.2 相电流与母线电流关系转化
• 3.3.3 电流采样技术研究
• 3.4 降低EPS 系统功率损耗的PWM 控制策略
• 3.4.1 低损耗PWM 控制原理
• 3.4.2 低损耗PWM 控制策略
• 3.5 本章小结
• 4 EPS 控制系统的硬件实现
• 4.1 系统结构及功能划分
• 4.1.1 系统硬件总体设计
• 4.1.2 接口描述
• 4.2 关键器件选型和功能特点
• 4.2.1 微控制器单元
• 4.2.2 电机功率驱动单元
• 4.2.3 电源管理单元
• 4.2.4 通信单元
• 4.2.5 保护器件
• 4.3 功能模块电路设计
• 4.3.1 XC2365 系统电路
• 4.3.2 TLE7183 电路
• 4.3.3 电源电路
• 4.3.4 信号调理电路
• 4.3.5 电路检测与故障诊断电路
• 4.4 本章小结
• 5 EPS 控制系统软件及算法实现
• 5.1 软件总体设计与规划
• 5.2 程序主体设计
• 5.2.1 驱动层设计
• 5.2.2 功能层设计
• 5.2.3 应用层设计
• 5.3 程序算法介绍
• 5.3.1 PID 控制算法
• 5.3.2 数字滤波技术
• 5.4 本章小结
• 6 调试及实验结果分析
• 6.1 实验设备介绍
• 6.2 测试内容与结果分析
• 6.2.1 无刷直流电机电流闭环控制效果分析
• 6.2.2 跟随性能测试
• 6.2.3 输入扭矩─助力转矩实验
• 6.2.4 输入扭矩─输出力矩实验
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录