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汽车EPS用无刷直流电动机及其控制系统的设计

张斌  
【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。 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。 无刷直流电机作为一种由电动机本体和驱动器组成的机电一体化产品,与传统的直流电机一样,具有良好的起动和调速性能,并且由于用电子换向取代了机械换向,不存在传统直流电机的换向火花和机械噪声,在许多性能要求比较高的场合已得到普遍应用。随着电力电子技术、计算机技术的发展,其应用范围还在进一步扩展。然而,BLDC电机作为EPS系统的助力电机也并非全无缺点。永磁电机中固有的齿槽转矩的存在,以及由于采用120°换向工作模式造成的转矩波动,都会严重影响EPS系统的操控性能。 本课题针对无刷直流电机在汽车电动助力转向系统中的应用,根据EPS系统对助力电机的要求,设计了一台转向助力用永磁无刷直流电动机,并使用有限元方法对电机性能进行了分析。为了反映参数变化对电机性能的影响,从而为电机的设计提供指导,我们还用场路耦合的解析算法对电机性能进行了分析。在分析结果的基础上,对永磁电机中的齿槽转矩进行了研究,并针对样机提出了齿槽转矩的削弱方法,然后使用三维有限元的方式对所提出的方法进行了仿真验证。 根据EPS系统的工作原理,探讨了助力电机的控制策略,并设计了带传感器的无刷直流电机的控制系统。分别完成控制系统硬件和软件的设计,并进行了相关实验,结果表明基本达到了设计的目标。


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