汽车电动助力转向系统电机选择控制系统设计

汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计摘要：电动助力转向系统是对传统机械转向系统的创新，操控性能好，操作轻便，转配迅速，消耗动能少，燃油经济。

分析比较了几种常见的电动助力系统结构的优缺点，给出了相应的电机选择原则，并进一步做出了相应的电机控制方案。

关键词：电机；助力；转向系统；功率中图分类号：tp271 文献标识码：a 文章编号：t2012-03(03)-9031abstract: electric power steering system is on the traditional mechanical steering system innovation, control good performance, convenient operation, zhuanpei rapidly, less kinetic energy consumption, fuel economy. analysis and comparison of several common electric power system and the advantages and disadvantages of the structure, the corresponding motor selection principle, and further make the corresponding motor control scheme.keywords: motor; power; steering system; power1．引言电动助力转向系统eps（electric power steering）是在传统的机械式转向系统的基础上，利用直流电机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号控制电机转矩的大小和转动方向。

与传统的液压转向系统相比，电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性；同时具有轻型小巧，转配迅速，易于调整，噪声及废油、废气污染小等优点。

本文参考已有的研究成果，在分析比较几种常见电动助力系统结构的优缺点基础上，给出了助力系统的电机选择原则，并设计了一种基于单片机的电机控制方案，这对于开展电动助力转向系统的研究具有一定的参考价值。

2 电机选择2.1 电动机布置位置选择根据电动机布置位置不同，eps 可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式3 种。

这3 种方案各有特点，具体车型采用何种型式依据前轴的空间大小、前轴的轴荷、电动机的特性等来确定。

转向轴助力式eps 的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。

该方案的助力输入将经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩相对小; 电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低; 但是安装位置离驾驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动易直接传到转向盘上。

齿轮助力式eps 的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。

该方案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩也相对小;电动机安装位置在地板下方，工作环境差，对密封要求较高;其力矩波动也易传到转向盘上。

由于离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小。

齿条助力式eps 的电动机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。

该方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大; 电动机工作环境差，对密封要求高;安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小，且其力矩波动不易传到转向盘上。

2.2 电动机的力矩匹配汽车在原地转向时转向阻力矩最大，该值主要取决于前轴荷的大小。

对于转向轴助力式eps ，为了满足动力转向的力随动要求，tmmax需满足下述条件：（1）式中， tmmax为满足转向轻便性要求的电动机最大输出力矩; tmax为最大转向阻力矩; gp 为转向系角传动比; gm 为电动机减速机构传动比。

gp越大转向越轻便，但灵敏度越差。

以往没有动力转向时， gp 的选择常常在转向轻便性与灵敏度之间进行折中，安装动力转向后，可以更多地兼顾灵敏度要求。

gm 的选择应充分考虑与电动机的匹配，gm 越大要求tmmax越小，这样可减小电动机尺寸，降低电动机的制造成本，并且易于在车上布置。

但是gm 越大，要求电动机转速越高，电动机的力矩波动也易传到转向盘上，同时减速机构尺寸也越大。

2.3 电动机的转速匹配要获得最大的工作效率，电动机应尽量工作在最大转速一半的状态，即(2)式中，为电动机的额定转速；为电动机的最大转速。

对于转向轴助力式电动助力转向系统，为满足一定转速范围内的转向轻便性要求，电动机的转速应满足（3）式中，为设定的转向盘最大转速。

电动机减速机构的减速比对电动机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能;减速比还影响减速机构的尺寸、布置空间和传动效率等。

2.4 电动机的功率匹配及验算选择电动机额定功率一般分为计算电动机的负载功率、预选电动机、电动机的过热验算和过载验算三步。

由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。

匹配选择时，应综合考虑各种不同的负载情况，选择略大的电动机功率。

2.4.1 电动机负载功率的计算电动机的负载功率要根据具体的电动助力转向机构的负载功率及效率来进行计算，是选择电动机额定功率的依据。

电动机的负载功率可采用下式来估算：（4）式中，λ为考虑电动机、减速器等的功率系数，一般λ的取值范围为1.2～ 2.5。

由式（4）可得（5）考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率应满足(6)式（6）条件下，可同时满足电动机短时工作制运行工况的条件为(7)式中， tg 为电动机的短时工作时间; t 为电动机的发热时间常数;α为电动机额定运行时不变损耗与可变损耗的比值。

2.4.2过热验算对电动机的功率进行估算后，首先进行过热验算。

由于电动机的工作负载是时刻变化的，过热验算可采用平均损耗法和等效电流法、等效转矩法、等效功率法等。

等效转矩法是在电动机的工作过程中，其转矩与电流成正比(励磁磁通φ近似不变) 的情况下，电动机的等效转矩为(8)式中， tj 为时间间隔; 为在时间间隔内的负载转矩。

式(8) 中的取值与计算取决于电动机工作时用转矩表示的负载图。

电动机不过热的条件为（9）式中，pn 为电动机的额定功率；peq 为由等效转矩换算的电动机功率，。

2.4.3 过载验算预选的电动机通过过热验算以后，还要进行过载验算。

过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。

电动机的过载能力可按以下条件验算：（10）式中，为电动机工作时所承受的最大负载转矩;λm为电动机的过载倍数。

若预选的电动机过载能力不够，则要重选电动机及额定功率，直到满足要求为止。

3．基于单片机的电动机控制方式图1无刷直流电动机原理图无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路4 部分组成，是一种典型的机电一体化产品，其原理框图如图1所示。

图中，直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现了电子换向。

本文采用c8051f410单片机实现全数字式的无刷直流电动机控制系统，该系统主要包括无刷直流电动机、电动机驱动电路、c8051f410单片机控制系统等。

该控制系统主要的功能有电动机的换相控制、正/反转控制、制动控制、电动机转速的测量和闭环调速、电流限制等保护电路的设计。

系统硬件结构原理框图如图2所示。

图2 系统硬件结构原理该系统的核心部件是silicon公司生产的c8051f410单片机。

c8051f410单片机的资源丰富、功能强大，其主要特点是：可以方便地输出pwm(pulse width modulation)信号，大大地减少了cpu 的占用时间；利用捕获功能可对电动机的转速进行准确的测量。

c8051f410具有丰富的资源和通用的通信接口；而且，该芯片内部集成了12位的a/d转换器和外部程序存储器和数据存储器等。

该单片机的使用，大大简化了系统的硬件设计和软件设计。

c8051f410单片机的p1.0 ,p1.2 ,p1.3,3 个口作为输入口，采集位置传感器信号，同时也作为中断源控制电动机换相。

p0 口作为输出口，通过门电路(7426)控制驱动电路的上下桥臂的mosfet 管。

p1.1作为pwm输出口，对电动机的转速进行调制。

p2.0输出高低电平控制电动机的起停。

电机驱动电路采用mosfet管搭成的三相全控桥。

3.1 转子位置检测本系统利用3个霍尔传感器来检测转子位置。

电机在正常运转时，通过霍尔传感器可得到位置信号h1,h2,h3 ,在每一周内有6个强制换相点，将这3路信号分别输入到单片机c8051f410的3输入端，通过不间断的软件扫描，可实现电动机每转过60°电角度就产生一次中断，即可方便地得到转子位置，而无需附加任何硬件电路。

3.2 换相控制本系统采用的是三相三角型联结，驱动主回路采用二二导通方式，共有6种导通状态，转子每转60°变换一种状态。

导通状态的转换通过软件来完成，即根据位置传感器的输出信号h1,h2,h3,不断地取相应的控制字送p0口来实现。

位置传感器信号与控制字组成的换相真值表如表1所列。

表1 换相真值表(正转)3.3 转速的测量和控制c8051f410单片机可通过初始化设置自动地发出pwm脉冲波，通过改变脉冲宽度来控制电枢的通电电流，实现转速的控制。

本系统中，通过p1. 1口比较输出功能输出pwm脉冲，该脉冲信号控制与非门7426的b输入端。

当p1.1口输出低电平时，使与非门输出高电平，驱动电路中上侧的mosfet管t1 ,t3 ,t5被封锁，当 p1.1口输出高电平时，与非门的输出状态取决于单片机的控制字，mosfet管t1 ,t3 ,t5的导通与截止按正常换相状态进行。

利用位置传感器的输出信号作为电动机速度的测量信号，转速的测量主要是通过c8051f410单片机p1.2口的捕获功能来实现的。

单片机可自动地捕获到位置传感器信号的2个上升沿，可通过计算得出2 个上升沿间隔的时间t ，及在t内计得的时钟脉冲φ的个数为 m ,则通过公式 f = 1/ t= 1/ mφ,即可求的电动机的转速。

3.4 转速设定c8051f410单片机具有标准的串行通信接口，这个接口是单片机与外界沟通的主要渠道。

可以通过任意一个接口来传递速度的设定值。

另外，由于无刷直流电动机的转速与电动机的电压呈线性关系，可以通过a/d转换进行转速的模拟设定。