電動助力轉向系統bldc電機控制模塊設計論文-資料下載頁

　　

【正文】 2807的耐壓為75V,可承受28OA的瞬時沖擊電流,25℃時持續導通電流可達82A。本系統所使用的無刷直流電動機穩態電流平均值為30A,考慮到2倍的電流裕量,基本可以滿足設計的要求。另外,IRF2807還有一個寄生的反并聯穩壓二極管,用以鉗位開關過程中的浪涌電壓,而這個反并聯二極管的存在又可以節省續流二極管的使用,簡化電路結構。 原則上,電壓型驅動器只要滿足其柵/源極之間的電壓Vc,要求即可控制開關元件的動作。然而,控制電路的輸出的PWM信號僅屬于小功率驅動信號,并不足以可靠驅動功率器件。考慮到驅動系統可靠性,主控電路輸出的信號不能直接驅動功率開關器件,需要在兩者之間加驅動電路。驅動電路的作用一方面是對主控電路輸出的六路PWM脈沖信號進行功率放大,產生足夠大的驅動信號控制MOSFET功率管的導通或關斷,從而實現對電機的控制。另一方面,依靠驅動電路將控制系統中的小信號數字部分(主控電路)與功率電路隔離,保護控制系統。為了簡化設計和提高可靠性,目前功率變流器驅動電路大多采用專用集成芯片來實現。 本文選用國際整流公司生產的MOSFET專用驅動芯片IR2110,該芯片是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件的單片式集成驅動模塊,在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術,大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求,同時提高了驅動電路的可靠性。其主要特點包括: (1)上管采用外部自舉電容上電,使得驅動電源的數目較其他IC驅動電路大大減少,對于典型的6管構成的三相橋式逆變器采用三片IR 2110,只需要一路10一20V電源。 (2)輸入信號與TTL和CMOS電平兼容,且芯片對輸入信號有整形功能,可以屏蔽小于50ns的脈沖,提高抗噪聲效果。采用CMOS施密特觸發器輸入,提高電路抗干擾能力。 (3)兩路通道都帶有滯后欠壓鎖定功能,防止MOSFET進入線性放大區而損壞。 (4)帶有死區保護,使同橋臂的兩個功率MOSFET的驅動信號之間有一互鎖間隔,防止同橋臂兩個功率器件直通短路。 。H頂和LIN為同一橋臂的兩個驅動信號的輸入端,V cc接+12V驅動電源,COM接逆變橋共地。輸出端HO觸發橋臂的上管,輸出端LO觸發橋臂的下管。而引腳VB和VS通過電解電容和二極管形成懸浮電源,顯然只需要一組驅動電源就可以實現同一橋臂上下兩個MOSFET的驅動。 1R2181S的典型應用圖中,C2為自舉電容,一般用一個大電容和一個小電容并聯使用。大電容的選擇應該保證其充電電壓可以使T1充分導通。而并聯小電容則用來吸收高頻毛刺干擾電壓。IR2110的引腳11(SD)為保護信號輸入端。當該引腳接高電平時,IR2110輸入信號被全部封鎖,對應的輸出端全部為低電平。而當該端接低電平時,則IRZ110的輸出跟隨輸入引腳的變化。因此,我們用SD端作為過電流保護的輸入端口,其工作原理。 過流保護原理圖穩壓二極管D1提供一標準電壓,電阻R2對電流進行采樣,并將其轉換為電壓信號,再與標準電壓進行比較。當電流達到設定值時,比較器輸出高電平至IR2110的SD端,封鎖驅動信號的輸出,從而防止過電流的發生。 本章結合具體應用,簡單設計了EPS用無刷直流電機的控制系統。電機的換向信號由霍爾信號傳感器得到,并送入DSC的輸入端口,通過中斷方式改變OVDCON寄存器的值,實現電機的換向控制。使用兩路電壓信號分別模擬轉向盤上施加的扭矩信號和車速信號,然后由DSC確定需要輸出的轉矩大小。DSC通過修改PWM占空比寄存器的值,達到控制輸出轉矩大小的目的。本章分別介紹了控制系統主控電路、驅動及功率電路的工作原理和器件選型,并給出了控制系統的軟件程序框圖。最后,進行了相關的實驗,結果證明基本達到了設計要求。然而,由于時間的原因,本文所設計的控制系統仍有許多需要改進的方面。首先,增加電流閉環可以進一步提高系統跟隨轉矩輸入的能力,通過采用適當的控制策略還可以達到削弱轉矩脈動的效果,提高系統性能。其次,系統只考慮到了電機的助力控制,而對阻尼控制和回正控制未作討論。另外,系統的保護措施還不夠完善。因此今后,我們將繼續在上述三個方面進行深入的研究和改進。 結 論 與傳統的液壓助力轉向方式相比,電動助力轉向(EPS)技術具有高性能、高效率、低成本、節能環保等無可比擬的優點。對它的研究涉及到機械、計算機、電子、控制等多個技術領域。隨著汽車技術向電子化、信息化方向的發展,電動助力轉向技術也逐漸成為助力轉向技術的主流。無刷直流電機不但具有良好的調速性能,而且體積小、重量輕、結構簡單、維護方便、運行可靠、效率高,是一種理想的EPS系統助力電機。而EPS系統的特殊用途也對無刷直流電機的控制和設計提出了更細致的要求。本文針對EPS用無刷直流電機本體以及控制系統分別進行了研究,并設計了樣機和控制系統。論文所做的主要工作包括: (l)查閱大量文獻資料,了解了汽車助力轉向方式的發展歷史及方向,詳細研究了電動助力轉向(EPS)系統的結構、性能要求以及工作原理,并對各種EPS用助力電機進行比較和綜合評價,確定了選用無刷直流電機作為EPS助力電機的設計思路。 (2)根據EPS系統的要求,設計了無刷直流電機樣機。分別使用有限元(JMAG)和場路藕合的解析算法計算了所設計電機的工作性能。然后針對分析結果所反映出來的問題,主要從削弱電機齒槽轉矩和優化定子結構兩方面對樣機進行了結構改進。并采用三維有限元(MAGNET)的方法對改進后的樣機進行了分析計算。 (3)對EPS系統的控制策略進行了研究,在此基礎上設計了帶傳感器的無刷直流電機的控制系統。完成了主控電路、功率及驅動電路的器件選型和硬件設計,設計制作了印刷電路板,并用C語言編寫了相關的控制系統程序,進行了相關的實驗。 目前,對于EPS系統的研究主要集中在兩個方面,一個是提高助力電機的性能。另一個是改進電機的控制策略,提高控制系統性能。然而由于時間所限,本文只將側重點放在了EPS用電機的性能優化設計方面,對于控制策略并沒有進行深入的研究。雖然本文設計的控制系統可以實現基本的助力功能,但離實際應用還有很長的路要走。 汽車轉向助力技術未來的發展趨勢是線控轉向方式(SBW),然而其內核依然是依靠MCU控制助力電機提供助力轉矩。只是轉向盤與轉向輪之間不再有任何機械連接,而完全依靠電子和電器元件來工作。因此對EPS系統的可靠性和安全性提出了更高的要求,但同時也EPS系統的發展提供了更廣闊的空間。 參考文獻[1] [M].第2版（修訂本）.北京：機械工業出版社，1989.[2] [M].第3版（下冊）.北京：人民交通出版社，1994.[3] 林逸，[J].公路交通科技，2001（3）：7982.[4] [D].吉林大學博士學位論文，2003.[5] [D].北京理工大學博士學位論文，2006.[6] [J].輕型汽車技術，2001（5）：49.[7] [D].北京理工大學博士學位論文，2006.[8] 喻凡，[M].北京：機械工業出版社，2005[9] 馮櫻，[J].湖北汽車工業學院學報，2001，15（1）：48[10] [D].北京理工大學博士學位論文，2006. [1l][D].武漢:. [12]王柏峰. 基于徑向基神經網絡的電動助力轉向系統研究[D].長沙:. [13][M].. [14][D].北京:. [15]周淑輝，李幼德，李靜，林新春，[J].(11) l~5. [16][D].武漢:. [17][D].吉林:. [18] Qing Liu,Hui Chen,Hongyun Control of Electric PowerSteering System. The33rdAnnual Conference of the IEEE IndustrialElectronics Society . 2007 [19] Ganesan, Processor Based Electric Power Steering System. ASME Publications ICE . 1999 [20] Dominke Peter,Ruck Power SteeringThe First Step on the Way toSteer by Wire. SAEInternational Congress and Expositon . 1999 [21] JiHoon Kim,JaeBok logic for an electric power steering system using assist motor. Mechatronics . 2002 [22] Hunt KJ,Sbarbaro D,Zbikowski R,et Networks for Control Systems—A Survey. Automatica . 1992 [23] Yasuo Shimizu,Yoshihiro for Moment of Motor Inertia on EPS. 2006 SAE World Congress . 2006 [24] Yasuo Shimizu,Toshitake Kawai.Development of electric power steering. SAE Paper . [25] Werner Harter,Wolfgang Pfeiffer, Electrical Steering Systems: Realizations with Safety Requirements. SAE Technical Paper Series. ‐01‐0822 . [26] J. wheel angle sensor for vehicle dynamics control systems. SAE 970382 . [27] Fausett of Neural Networks. . 1994 致 謝 本論文是在導師楊雪春教授的悉心指導下完成的。從論文選題、研究方法和技術路線確定,到論文撰寫,幾乎論文的每一字句都凝聚著導師的心血和教誨。導師淵博的知識、嚴謹求實的治學和科研態度、敏銳的思維方法、誨人不倦的品德、腳踏實地的工作作風及兢兢業業的敬業精神,一直深深地影響和激勵著我,他的高尚人格和求真務實的精神永遠是我學習的楷模。這將使我在今后的學習、工作和生活中受益良多,我與楊教授的關懷和幫助是密不可分的。值此論文完稿之際,謹向尊敬的導師表示最誠摯的謝意 在論文撰寫過程中,楊森同學給予我極大幫助,在此一并表示感謝。 衷心地感謝所有幫助過我的老師、同學和朋友們。 最后,向多年來一直關心、鼓勵和支持我的家人表示誠摯的感謝。感謝我的父母為我的成長付出的心血,給了我這么多年來的鼓勵、幫助,給了我前進的動力和戰勝困難的決心,他們永遠是我最堅強的后盾。謹以此文回報他們多年來的支持和鼓