汽車電動液壓助力轉向電子控制系統(tǒng)研究

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1、 重慶交通大學 碩士學位論文 汽車電動液壓助力轉向電子控制系統(tǒng)的研究 姓名:周波 申請學位級別:碩士 專業(yè):車輛工程 指導教師:李偉;季學武 20100401摘 要 汽車電動液壓助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)上發(fā)展起來 的一種新的機電一體化產(chǎn)品,具有優(yōu)良的轉向手感和節(jié)約能耗等優(yōu)勢。由于其優(yōu) 良的性能,在國外很早便進行了研究,并且已經(jīng)普及裝車了。 國內(nèi)對于電動液壓助力轉向系統(tǒng)的研究還處于初級階段,因為該系統(tǒng)涉及機 械、電子、自動控制等多學科領域,面臨的難題也很多,并且由于國外技術壁壘 等因素,國內(nèi)在這方面的研究還比

2、較落后。 首先,本文對某轎車電動液壓助力轉向系統(tǒng)的結構組成和工作原理進行了分 析,在完善了該轎車系統(tǒng)性能測試實驗臺的相關硬件設施后,通過 總線適配器獲得了系統(tǒng)的助力特性數(shù)據(jù),繪制了系統(tǒng)助力特性三維 曲面圖,并對其助力特性進行了分析。 重點分析了系統(tǒng)助力電動機的結構特點、工作原理和控制策略。根據(jù) 該電動機的特點和系統(tǒng)技術要求,研究了一套基于位 的控制器,該芯片具有豐富的硬件資源和出色的電機控制模塊。 控制器系統(tǒng)采用轉速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調節(jié),增加了電機的啟動、抗負 載、抗干擾的性能。 最后,進行了電動液壓助力轉向系統(tǒng)空載試驗。根據(jù)給定的車速信號,助力 電機能夠準確、快速

3、的達到目標轉速,并且當電機受到干擾如用手施加阻力后, 電機能夠快速的回到目標轉速。 實驗驗證表明,本文所研發(fā)的控制器具有較好的可靠性;電機調速比較穩(wěn)定; 所采用的控制算法能夠達到快速性、準確性和穩(wěn)定性。 關鍵詞::;控制器:助力特性曲面 ? . , ,.,.,, ..., . , . ? . ’ ,. ,. . ,, . ?. , ,.’. , .:;;;重慶交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所 取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的作

4、品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確 方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者篝名:習次 日期:孔形年每月夕日 重慶交通大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查 閱和借閱。本人授權重慶交通大學可以將本學位論文的全部內(nèi)容編入有關數(shù) 據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論 文。同時授權中國科學技術信息研究所將本人學位論文收錄到《中國學位論 文全文數(shù)據(jù)庫》,并進行信息服務包括但不限于匯編

5、、復制、發(fā)行、信息網(wǎng) 絡傳播等‘,同時本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權利。 : 指導教師簽名 位期 月 作易 溲胡 文 期:≯產(chǎn)年 一 戳厶 名甲 扎?嗲 本人同意將本學位論文提交至中國學術期刊光盤版電子雜志社Ⅺ系 列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布,并按《中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》規(guī) 定享受相關權益。 指導教師簽名: 學位論文作者簽名:詞赴 日期:孤/口年仁月/歹日 日期:跏年爭月夕第一章緒論 第一章緒論 .汽車轉向系統(tǒng)概述 汽車在行駛過程中,需要按駕駛員的意圖經(jīng)常改變其行駛方向,即所謂汽車 轉向。就輪式汽車而言,實現(xiàn)汽車轉向的方法是駕駛員通過一套專設的

6、機構,使 轉向橋一般是前橋上的車輪轉向輪相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。在 汽車直線行駛時,轉向輪也往往受到路面?zhèn)认蚋蓴_的作用,自動偏轉而改變行駛 方向。此時,駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反的方向偏轉,從而使汽 車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構,稱為 汽車轉向系統(tǒng)。因此,汽車轉向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按駕駛員的意圖而進行 轉向行駛【。 隨著現(xiàn)代汽車電子技術的快速發(fā)展,人們對于汽車轉向系統(tǒng)操縱性能的要求 也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉動方向盤時,都有理想的操縱穩(wěn)定性, 即使車輛在停車情況下轉動方向盤時也能夠輕松自如,而在高速行駛時又

7、不會感 到輕飄不穩(wěn)。因此,在汽車原有的機械轉向系統(tǒng)上增加助力轉向系統(tǒng)可以很好的 ’ 改善汽車的轉向操控性能【。 根據(jù)轉向能源的不同,汽車轉向系統(tǒng)可以分為機械轉向系統(tǒng)和助力轉向系統(tǒng), 如圖.所示。 . 機械轉向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉向能源,其中所有傳遞力的部件都是機 械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三部分組成。 助力轉向系統(tǒng)就是在原有機械轉向系統(tǒng)的基礎上加設一套轉向加力裝置而形第一章緒論 成的。轉向加力裝置減輕了駕駛員操縱轉向盤的作用力。轉向能源來自駕駛員的 體力和發(fā)動機或電動機.其中發(fā)動機或電動機占主要部分,轉向助力通過轉向 加力裝詈提供。常

8、情況下,駕駛員能輕松地控制轉向。但在轉向加力裝置失散 時,就回到機械轉向系統(tǒng)狀忐,一般來說還能由駕駛員獨立承擔汽車轉向任務。 助力轉向系統(tǒng)按照傳能介質的不同,可以分為四種形式: 液壓助力轉向系統(tǒng) 液坻助力轉向系統(tǒng)是利用發(fā)動機帶動轉向油泵工作。轉向時,液壓油經(jīng)轉向 控制鼉分配流入轉向助力缸中的一個腔室,而另~腔審則有一部分油回流。這樣 兩腔之叫產(chǎn)生了壓力差.從而產(chǎn)生助力。并且傳統(tǒng)的渡堆助力轉向只具有單一的 助力特性,助力不能隨著車速的變化而變化,在低速轉向輕便性和高速轉向穩(wěn)定 性之間,只能采取折中的方法.其結糶是汽車在原地轉向時助力不足,高速時轉 向助力偏大。圖 為傳統(tǒng)液壓助力

9、轉向系統(tǒng)結構示意閣。 圖 液壓助力轉向系統(tǒng)示意剛 / 電動液壓助力轉向系統(tǒng) 為了克服液壓助力轉向系統(tǒng)轉向單一和能耗大的缺點。電動液壓助力轉向系 統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎上增設了電動機、轉向盤轉速傳感器、電控單元嘰 和車速傳感器【。它用電機代替發(fā)動機帶動轉向油泵工作,由蓄電池提供能量, 根據(jù)車速信號、發(fā)動機信號和方向盤轉速信號實時控制電機轉速,電機轉速 越高,轉向油泵的流量越大,相應產(chǎn)生的助力也就越大。通過調節(jié)電機轉速,就 ¨以實現(xiàn)可變助力【。 與傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)相比,電動液壓助力轉向系統(tǒng)采用車速感應的可變 轉矩力控制方式,提高了汽車的操控穩(wěn)定性:改由電機馳動油泵,附加能

10、耗可以 降低%.%”。 與目前的電動助力轉向系統(tǒng)相比,電動液壓助力轉向系統(tǒng)的傳力介第一章緒論 質為液壓油,轉向手感要優(yōu)于。并且,可以在現(xiàn)有的液壓助力轉向系統(tǒng)的基 礎上進行簡單的改裝,因此,在未來的幾年中電動液壓助力轉向系統(tǒng)還有很大的 發(fā)展空問。圖 為電動液壓助力轉向系統(tǒng)結構示意圖。 電控液壓助力轉向系統(tǒng) 圖.為一種反力控制式液壓助力轉向器的結構及原理圖。閥芯的下部裝 有由彈簧、活塞和鋼球組成的反力機構。活塞可相對閥芯軸向移動, 但二者不可相對轉動?；钊南露思伴y套的上端有型槽,鋼球置于第一章緒論 型槽中。這樣,活塞上的軸向力對閥芯和閥套的相對轉動起阻礙作用。反 山機構

11、位于反力腔中,而在進油環(huán)槽和反力腔的通道卜安裝有電磁閥。 該系統(tǒng)的工作過程為:轉向電控單元圖中未繪出根據(jù)采集到的車速信號,對電 磁閥電流進行控制,以改變反作用腔中的油壓,從而使閥芯附加的轉動阻力產(chǎn)生 變化,獲得所需要的路感。汽車行駛速度低時,流經(jīng)電磁閣線圈的電流大,反力 腔與進油腔問的通道被堵塞,反力腔中無法建立油壓,這與普通液壓助力轉向系 統(tǒng)相同,轉向操舵力較小。隨著車速的增加,流過電融閥線圈的電流減小,反作 用腔與進油腔之間的節(jié)流面積增大.油液的壓力損失減小.反作用腔中壓力升高, 轉動閥芯的阻力增大,轉向操舵力增加。 套《 ‘漆“。一 : 油■■卜 箜辮 卜轉向齒輪

12、;一閥套:一活塞;一彈簧;一擋片;閥芯;一油泵; 一屯磁剃:一儲油罐;一安全閥;卜鋼球:一轉向助力缸;一進油環(huán)槽;鏟反力腔 控制閥結構..作原理 圈 液壓反力式助力轉向器結構及原理 母 . 系統(tǒng)的基本工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀 系統(tǒng)的分類【 電動液壓助力轉向系統(tǒng)根據(jù)轉閥的不同分為葉位開式和中位閉式。中位開式 所示。轉向閻中位有預開量,不轉向時,閥芯的槽 轉向閥及其工作原理如圖 脊與閥套的槽正對.而前者比后者略窄,此時,轉向動力缸的左、右腔室相通, 且與油泵的出油、回油口相通;左、右腔油壓相等,不產(chǎn)生助力。來自轉向液壓 泵的液壓油經(jīng)過槽和槽脊之倒的間隙預開口、閥芯上的徑向孔流回油

13、箱,因此 也被稱為常流式轉向助力系統(tǒng)。轉向時以左轉向為例.右轉向時分析方法相同,第一章緒論 扭樸在外力作用下產(chǎn)生扭轉變形,而閥芯和閥套分別與扭桿的兩端固連,因此閥 芯相對閥套轉動,閥芯的槽脊與閥套上槽的兩側間隙不對稱,使油泵泵出的油液 大部分進入動力缸右腔、小部分進入左腔,兩側的壓差推動活塞與齒條軸固連 右移,從而產(chǎn)生助力作用。中位開式轉向助力系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單、液壓泵壽 命長和轉向手感好四。 剴 中何開式系統(tǒng) 中位閉式轉向閥如圖 所示。當方向盤處于不轉向的中間位置時,轉向閥 的進出油口關閉。液壓回路中裝有蓄能器,當蓄能器中的壓力低于某一位時,卸 荷閥關閉,液壓泵向蓄能

14、器供油;當蓄能器中的壓力達到另一較高值時,卸荷閥 扣開,液壓泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中總保持一定的工作壓力,所以也 被稱為常壓式轉向助力系統(tǒng)。 中位閉式轉向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于,在非轉向工況下,系統(tǒng)幾乎不消耗電動 機的能量,在液壓泵不運轉的情況下,系統(tǒng)保持一定的轉向能力。 但是中位閉式轉向助力系統(tǒng)轉向流量和壓力由蓄能器提供,在各種工況下輸 出不易調整,轉向助力不能隨轉向負荷做相應的變化,降低了駕駛的可靠性和舒 適性。另外,它的密封和結構都比中位開式復雜,所以目前車輛中常用的仍是傳 統(tǒng)的中位開式轉向助力系統(tǒng)【“。第一蘋緒論 鬟?。 。?二磐二 ¨?弋‖?嚕 圖】某轎車

15、電動液壓助力轉向系統(tǒng)的結構示意圖 . 小 以某轎車使用的系統(tǒng)為例。其基本的工作原理是:系統(tǒng)通過總線 輸入發(fā)動機點火信號和車速信號.當控制器檢測到發(fā)動機點火信號時,系統(tǒng)開始 工作,這時助力電機保持怠速運轉。當汽車直線行駛不需要助力時,扭桿處于旋 轉分流閥的中間位置,嘏壓油幾乎無壓力的通過旋轉分流湖由回油管流回儲油罐; 當汽車轉向需要助力時,控制器根據(jù)由總線輸入的車速信號。和方向盤旋轉 角速度信號來決定助力電機的轉速,驅動齒輪泵輸出相應壓力的高壓油,高壓油筇奄緒論 經(jīng)旋轉分流閻進八助力‘ /。『司時右腔的液壓油經(jīng)回油管流儲油姥。 雪 商蓄 曼 。 虱 №Ⅱ種 隧

16、乜動渡壓助力轉向系統(tǒng)示意幽. 系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從年只本公司研制出第一臺電動液壓助力轉向系統(tǒng)至今, 系統(tǒng)在很多方面都有了很大的進步。其中最大的變化就是由無刷直流電機代替有 刷直流電機.齒輪泵代替葉片泵【”。并且,隨著電子技術的飛速發(fā)展,也由 最初的位單片機向功能、運算能力更加強大的位過渡。由于這些新技 術的使用使得的助力特性得到不斷的提高。文獻介紹了口軸負荷小于 車輛的中位開式電動液壓助力轉向系統(tǒng)。系統(tǒng)用車輛的速度信號對電動 機轉速進行控制,采用開環(huán)方式;在控制器中嵌入固定算法,可靠性較好。在市 區(qū)公路上行駛,系統(tǒng)能耗為發(fā)動機驅動油泵系統(tǒng)的%。在提高節(jié)能效果方面, 文獻

17、『傈用車速和方向盤轉速作控制參數(shù)。在非轉向工況,電動機以比轉向工 況更低的備用工況轉速運轉;轉向工況,系統(tǒng)根據(jù)車速及方向盤轉速信號控制電 動機從備用工況迅速轉入轉向工況。文獻對緊急避讓工況系統(tǒng)的響應進行了仿真; 系統(tǒng)響應迅速,助力平穩(wěn).可以滿足助力要求。由于在非轉向工況,電動機轉速 維持在很低的水平,消耗能量很少,系統(tǒng)的能源利用率有較大提高。但研究沒有 對備用工況電動機轉速的選擇做分析,對系統(tǒng)的設計缺乏實際的指導意義。 圈外雖然已經(jīng)有產(chǎn)品推出,但由于時間較短,還不具有很大市場捌模,而且 汽車產(chǎn)品都有較長的試驗期和壽命測驗,所以如今的大多數(shù)的汽車還是采用傳統(tǒng) 者更高級的系統(tǒng)所

18、代替【。第一章緒論 國內(nèi)對于系統(tǒng)的研究還處于探索階段.因為該系統(tǒng)涉及電子、機械、自 動化等諸多領域,需要多學科的交叉.面臨的難題也比較多,另外國內(nèi)在無刷電 機和轉向傳感器方面的配套技術比較落后。而且困外對技術非常保密。這 些因素導致了我國在系統(tǒng)方面的研究十分落后。 .本文的研究內(nèi)容 本文首先研究某轎車系統(tǒng)的工作原理,及其系統(tǒng)助力電機控制原理。并 在此基礎上研究開發(fā)了一套系統(tǒng)控制器,通過實驗研究該的助力性能, 最后進行臺架空載實驗。本文的主要研究任務有: 深入研究系統(tǒng)工作原理; 進行系統(tǒng)靜態(tài)性能測試,測繪出系統(tǒng)助力性能特征曲線, 并分析其助力特性; 重點研究系統(tǒng)永磁無刷直

19、流電機工作原理、控制方法和控制策略。 系統(tǒng)控制器硬件的研究開發(fā),包括芯片的選型、原理圖的設計、 板的繪制、電路板的調試; 在實驗臺架上完成對系統(tǒng)的測試,驗證該控制器的正確性與可行 性。第璋系統(tǒng)的特性測試發(fā)控制肇略分析 第二章 系統(tǒng)特性測試及控制策略分析 . 系統(tǒng)測試實驗臺簡介 圖 系統(tǒng)性能測試試驗臺的全景視圖珊 ..實驗臺機械系統(tǒng) 本試驗臺的機械系統(tǒng)主要包括試驗臺架、模擬轉向阻力的彈簧、電動泵、轉向 盤、轉向軸、轉向管柱、齒輪齒條轉向器以及轉閥和助力油缸等。 圖.中深藍色部分為試驗臺架,本試驗臺架是直接與地面連接的,因此可以 將整個試驗臺固定在地面上保持整體

20、不動,保證了試驗臺的穩(wěn)定性。汽車在轉向 的時候主要克服的是車輪與地面問的摩擦力,以及轉向系統(tǒng)機械摩擦等,為了模 擬車輪與地面間的摩擦力,使得轉向機構具有~定得負載,本試驗臺在試驗臺架 的兩邊固定了兩個彈簧.以此來模擬汽車在轉向過程中轉向機構的負載。 該系統(tǒng)將儲油罐、控制器、電機、齒輪泵集合在一起組成電動泵,節(jié)省了空間, 并且便于安裝。電動泉如圖.所示。第一章系統(tǒng)的特性洲斌乏控制策略分忻 ¨‘警萄 。:氬 ’舀澎 ’美。學 疊愛疊 當轉向盤右轉時如圖 ,油泵泵出的高壓油進入左缸,推動活塞向右 移動,右缸的低壓油則回流入泵,從而產(chǎn)生向右的助力。當直線行駛時,左右缸 油壓相同

21、,沒有助力:轉向盤向左轉時,相應產(chǎn)生向左的助力。 .實驗臺電器系統(tǒng) 本試驗臺的電器系統(tǒng)主要山無刷直流電機、微控制器、方向盤轉速傳感器、電 機轉述傳感器,總線適配器,:位機,示波器,數(shù)字采集儀以及雷電池、開 關等部分組成。第一章系統(tǒng)的特性洲試嵌托制麓略升忻 力向黜轉進他感器 抄◇ 幽.方向盤轉速傳感器轉于及定, 。郫叫 封 礁旋轉編碼器’ 實驗臺信號傳輸順序 上位機通過總線適配器向系統(tǒng)控制器芨送所需信號,包括車速信 號和發(fā)動機信號,轉向盤轉速信號和助力電機轉速信號經(jīng)過通信板轉換為相應的 電壓物理量,通過示波器記錄一次數(shù)據(jù),雖后將采集到得數(shù)據(jù)保存到上位機 進行處理。

22、 助力電機轉速傳感器 電機轉速信號主要由磁旋轉編碼器來獲取。在電機外轉子底部安裝一 個紐扣形磁鐵,就可以實現(xiàn)電機轉速的獲取,如圖.所示。 的工作原理是通過芯片內(nèi)部的線性霍爾陣列檢測出磁鐵的磁場強度分 布,從中分離卅角度信息?？４判D編碼器具有增量角度輸出和絕對角度輸出功 能。增量角度輸出信號分為、兩路,磁鐵柑對旋轉一周,、通道 系判斷轉動方向,通過倍頻可以狀得位的分辨率。將絕對角度定義 為磁鐵的磁極與霍爾陣列『自的角度,磁鐵每旋轉~周,將輸出個絕對 角度信號,通過通訊可將其讀出。在絕對角度為或時,通道將 ”“。第。章系統(tǒng)的特測試及控制策略分析 .. 總線適配器及其使

23、用方法介紹 本文進川々光。 總線適配器 ,奠外觀加 罔.所不. .總線適配器是帶有 接 和路接 勺總線適配器.可進行雙向傳送。 ?總線適配器司以艘作 為個標準的竹點,是總線產(chǎn)品開發(fā)、總線設備測試、數(shù)據(jù)分 析的強大工具。采用法接【適配器,可以通過接連接個標準 網(wǎng)絡,應用于構建現(xiàn)場總線澳試實驗室、業(yè)控制、智能樓宇、汽牟電子等領域 中,進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)掘通訊。同時,.接適配器具有體 積小、方便安裝等特點,也是便攜,℃系統(tǒng)用戶的最悻選擇。 幽.占目光電總線適配器外形接口適配器設備中,總線電路采用獨立的?電源模塊, 進行光電隔離,使該接口適配器具有很強的抗干擾能力,大大提高

24、了系統(tǒng)在惡劣 環(huán)境中使用的可靠性。.接口適配器產(chǎn)品可以利用廠家提供的 工具軟件,直接進行總線的配置,笈送和接收。用戶也可以參考廠家提供 的動態(tài)連接庫、例程編寫自己的應用程序,方便地開發(fā)出系統(tǒng) 應用軟件產(chǎn)品。 .總線適配器的性能與技術指標是: 與總線的協(xié)議轉換: 具有兩個通道獨立接口;具備個通道接 接口支持 ,兼容 ; 支持 和.協(xié)議,支持標準幀和擴展幀; 支持烈向傳輸,發(fā)送、接收 支持數(shù)據(jù)幀.遠程幀格式: 控制器波特率在一之間可選,可以軟件配置: 總線接口采用光電隔離、.電源隔離; 堆大流量為每秒鐘幀總線數(shù)據(jù); 內(nèi)部接收緩沖區(qū)容量為每通道;第二章系統(tǒng)的特性測試及控

25、制策略分析 總線直接供電,無需外部電源; 隔離模塊絕緣電壓:; 工作溫度:一~℃; 浚適配器帶有數(shù)據(jù)發(fā)送,接受軟件,如圖.所示。用戶可以自行編寫 發(fā)送數(shù)據(jù)表格,如表所示。 ■盤墨田衄墨墨■?■?■■■?■■??圓 ¨一。?豆 一一? :謄’: “?, 一 『蕙,:一:妒蛋端讎?再。。。矗面 ’ ””“‘?‘。 一”‘ 一一 圖 /軟件界面 .‰∞‰☆ 表發(fā)送數(shù)據(jù)表格式 齜 ∞ Ⅲ ■∞∞?∞∞“∞∞∞ 圳四“%Ⅱ 刪女■?∞∞∞?！蘅谒?¨∞∞∞∞?！? ¨??∞∞∞。 ¨洲?々∞∞∞∞∞ &躺十∞∞∞∞∞∞∞ 洲?∞∞∞∞∞∞ ¨四■???！?/p>

26、 ?洲■?”∞∞∞∞∞ 喇■十∞?∞∞∞∞ 八??∞ ?四■“∞∞∞∞ ¨四∞“ ?∞∞∞自∞“”∞∞∞ ?四∞∞∞∞∞ ?四??∞∞ 晰九∞●¨∞?∞ 四四∞口●∞ 刪?● 九四¨?¨∞∞ Ⅲ■??∞?∞ . 系統(tǒng)靜態(tài)性能測試 . 系統(tǒng)靜態(tài)測試目的 為了研究某轎車系統(tǒng)控制策略的設計思路,同時為系統(tǒng)控制策 略的表格制定提供參考,進行某轎車系統(tǒng)靜態(tài)助力特性的試驗。在已經(jīng)進 行了的動態(tài)試驗中,由人力轉動方向盤提供方向盤轉速信號,將由數(shù)據(jù)采集儀采 七二震用人力轉動萬向龠,阿口.方向甜的限制,組難獲得較時『的、 穩(wěn)定的方向::轉速,瘦助山?乜機轉述潑自足啦的

27、響塒方向鼎轉速的變化, 町測符的赦批電并小刪想,蛐助力乜機轉速沒有達到【論要求的撤高轉謎等。 為了彌補動態(tài)刪試的小足.本文』行了某轎車系統(tǒng)靜忐助山特?的試驗。 .實驗方法 分別通過總線發(fā)送辨給定恒定車速/,隔/,在各 恒定車速條件下由直流無刷電機帶動方向盤轉速傳感器,提供。/轉速信 號,并且最后轉速維持在。/,示波器同步己錄此時轉向盤轉速與助力電機轉 速數(shù)據(jù)。分別測得/,/,/,/,/,/,/. ./共組試驗數(shù)掘。 圖 所示為車速為/時轉向盤轉速與助力電機轉速測量數(shù)據(jù)圖。無刷 直流電機轉速由。/加速到。/,最后一直維持這一轉速。助力電機山怠速跟 隨方向盤電機加速到電機最高

28、轉速然后進過一段時問回到怠速狀態(tài)。 ∞表.為轉向盤轉速.助力電機轉速關系部分原始數(shù)據(jù),由示波器采集得到數(shù) 據(jù)為格式。示波器采集一次數(shù)據(jù)。 表 轉向盤轉述助力電機轉述芙系部分原始數(shù)據(jù) .? , 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 . 系統(tǒng)靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)的采集與處理 在數(shù)據(jù)采集過程中,山’現(xiàn)場設薔較多,不可避免地會產(chǎn)生于擾,為了減少這 種隨機干擾的影響,必須采用數(shù)字濾波剝采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理。其中移動 平均濾波法便是種很有效的方法。 移動平均濾波的基本原理是:基于統(tǒng)計規(guī)律,將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)看成~個長 度固守為的隊列,在新的一次測量后,上述隊列的首數(shù)據(jù)去掉,其余個數(shù)

29、 據(jù)依次前移,并將新的采樣數(shù)據(jù)插入,作為新隊列的尾;然后對這個隊列進行算 術平均值運算,并將其結果作為本次澳量的結果。移動平均濾波器是一個低通濾 波器,是對模擬濾波的補充,用于實時檢測,只要采樣頻率足夠高,就能得到較 為理想的測量結果。由于本試驗采樣頻率很高,因此采用移動平均濾波 可以得到很好的結果。在中可以很方便地實現(xiàn)移動平均濾被,只需對若干 數(shù)據(jù)取平均值,然后用公式自動填充平均值所在的列即可。經(jīng)過對比分析,發(fā)現(xiàn) 對轉向盤轉速取、對電機轉速取濾波效果最好。 從圖.中還可以看出,在同一時刻采集到的數(shù)值并非唯一值,而是“一對 多”。針對這種現(xiàn)象,采用平均值法減少誤差。分別取轉向盤

30、轉速為、、 、、/對應的助力電機轉速值,將若干個助力電機轉速值取平均值作 速二維曲線圖。 醇 訂。 叫甜山 . 系統(tǒng)控制策略分析 為了研究助力性能,本文進行了系統(tǒng)助力性能測試。 在方向盤轉速為零的情況下,助力電機轉速隨車速變化形成的曲線代表了 系統(tǒng)中無刷直流電機在無載荷狀態(tài)下的性能特性,是最能直接反應系 統(tǒng)與車速關系的特性曲線。辛載助力電機轉速隨車速變化曲線如圖 所示。 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 .三 薔 強 賽 刪 車速/ 圖.空載助力電機隨車速變化曲線、Ⅳ . 由空載助力電機轉速隨車速變化曲線可以看出,助力電機在零車速下轉速為 /

31、。隨著車速的提高,助力電機轉速逐漸下降,當車速達到/時, 助力電機轉速降到/。在整個車速范圍內(nèi)./,助力電機轉速 基本上維持在/上下。這一特性符合系統(tǒng)在汽車低速時的特性:當 車速較低時,車輪與地面的摩擦主要是靜摩擦力,此時的摩擦力比較大,轉向盤 比較沉,這時系統(tǒng)無刷直流電機的轉速較高,油泵提供較大的助力油流量, 進而在轉向時能夠迅速提供較大的轉向助力,并且提高了系統(tǒng)的響應速度。但是 在汽車高速時,這一特性并沒有滿足系統(tǒng)的特性:在車速較高時,車輪與 地面間的摩擦力主要由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?此時摩擦力較小,轉向盤較輕, 甚至覺得發(fā)飄,導致轉向手感和安全性降低,即路感差。這時在轉向

32、過程中為了 使駕駛員能夠感覺到方向盤較沉,從而改善轉向手感和安全性,系統(tǒng)只需在 轉向時提供較小助力即可,對系統(tǒng)響應速度要求不高,因此,此時無刷直流電機 轉速保持一較低轉速即可,油泵的流量也隨之下降,提高了經(jīng)濟性。 圖.為車速在./時轉速變化曲線; 圖.為車速在/./時轉速變化曲線。 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到。/, /。 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速

33、時達到最低,為/。 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,此時轉速為 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。轉速變化曲線保持平 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 穩(wěn)增長。 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 /左右。 與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降

34、低,而是保持在 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 /左右。 與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 /左右。 與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降低,而是

35、保持在 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。車速為/時的 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 助力電機轉速隨車速變化曲線在轉向盤轉速為/時具有一個下凹的趨勢。. /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 /左右。 與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到/, /。 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 車速為/時的助力電機轉速隨車速變化曲線在轉向盤轉

36、速為/時 具有一個下凹的趨勢。在車速為/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達 到最低,為/。與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降低,而是 保持在 /左右。隨著方向盤轉速的升高,助力電機轉速也迅速升高,在轉 /。 向盤轉速達到/,并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 車速為/時的助力電機轉速隨車速變化曲線在轉向盤轉速為/時 具有一個下凹的趨勢。 /車速時電機轉速隨方向盤轉速變化曲線 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 在車速/時,助力電機轉速在方向盤零轉速時達到最低,為/。 /左右。 與汽車低速時相比,助力電機轉速并沒有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤轉速的升

37、高,助力電機轉速也迅速升高,在轉向盤轉速達到。/, 并維持這一轉速時,助力電機轉速達到最高,為 /。車速為/時的 助力電機轉速隨車速變化曲線在轉向盤轉速為/時具有一個下凹的趨勢。 圖. ./曲線圖 ./ 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 /./曲線圖 圖. . // . 系統(tǒng)助力特性 下特性: 在各車速下,隨著方向盤轉速由/連續(xù)增長到/時,助力電機轉 速保持連續(xù)增長。在方向盤轉速為/時,助力電機轉速為最低值,并且在各車 速下保持這一最低轉速,為/左右。當方向盤轉速為/,并保持這 一轉速時,助力電機轉速達到最大值,為/左右。 在車速為/./時,曲線斜率先

38、大后小,方向盤轉速為/這一 點時為分界點,曲線在這一點處呈上凸趨勢。車速為/時,曲線斜率在整 個范圍內(nèi)基本保持不變。當車速為/./時,曲線斜率先小后大。在 分界點處呈現(xiàn)下凹趨勢。這種曲線變化特點的出現(xiàn)于系統(tǒng)的控制策略是有 很大關系的。在車速較低時,曲線呈上凸趨勢,隨著轉向盤轉速提高,電機轉速 提高的斜率先大后小,這就使得駕駛員在以較低轉速轉動轉向盤時就可以獲得較 大的轉向助力,具有較好的轉向手感。當車速較高時,曲線呈下凹趨勢,電機轉第一章系統(tǒng)的特性測試鹽控制鐿略分析 速上升的斜:先小后人,這就使得駕駛員在以較低轉速轉動轉向盤時獲得勻轉向 且句力鞍小,轉阿盤手感較:,獲較好的轉向

39、于感咀發(fā)轉向安全., . 系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線圖 將以上各固定車速下助力電機轉速隨方向盤向盤轉速變化的維曲線圖綜合 起來,繪制出系統(tǒng)靜態(tài)性能特性三維曲面圖,如圖.所示。此圖為分析、 制訂系統(tǒng)助力特性控制策略提供了參考依據(jù)。 幽 系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線鳘 醇山系統(tǒng)特性圖可以看出,某車系統(tǒng)的助力隨車速升高而降低,并 且隨方向盤轉速增加而升高。但當轉向盤轉速大于。/時,助力基本上達到最 高值而不再變化。 從整體來看,該曲面圖較為平滑,除了處理數(shù)據(jù)時誤差的影響,基本投有急劇 變化的區(qū)域,這就使得駕駛員在車速持續(xù)變化或轉向盤轉速反復變化的情況下仍 能感到手感平順。 .保舵維持時間

40、 在實際駕駛過程中,當出現(xiàn)緊急狀況需要緊急轉向時,駕駛員通常會向某一方 向猛打方向疵,此后并維持方向盤不動,此時即為保舵過程。此時,以最快轉速 轉動方向盤,助力電機迅速上升到最高轉速。當方向盤打到一定角度后停,即 方向盤轉速為零.助力電機轉速降低到空載雖低轉速。助力電機轉速從最高轉速 降落到宅載最低轉速所用的時間,即為保舵維持時間。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與 系統(tǒng)助力電機轉速的控制策略有關,也與無刷直流電機本身的旋轉慣性有關。在 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 實際的緊急轉向過程中,系統(tǒng)助力電機在各種車速下的保舵時間可以較好的 反應出助力電機轉速對轉向盤轉速的滯后效應,具有比較重要

41、的實際意義。 保舵特性實驗數(shù)據(jù)的處理方法是:選取~次保舵過程之中電機轉速的峰值,記 錄下該峰值對應的時’日點或采樣點,而后尋找該時間點之后的電機轉速首次 回落至空載轉速的時間點或采樣點,計算兩時間點之間的時間間隔。所有試 驗數(shù)據(jù)如表.所示。 . 車速/ . . . . . . . . 保舵時間 從表.可以看出保舵維持時問隨著車速的升高變化不大,基本維持在左 右。 .本章小結 本章詳細地介紹了電動液壓助力轉向系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分,通過 總線適配器向系統(tǒng)控制器發(fā)送發(fā)動機信號和車速信號,得到該系統(tǒng)的原始 數(shù)據(jù)。通過提取、分析和換算將原始數(shù)據(jù)轉換成系統(tǒng)中車速、方向

42、盤轉速、 助力電機轉速三者之間的關系,并做出三維助力特性曲面圖。 通過對該助力特性曲面圖的分析我們可以看出,在車速較低時,助力特性曲 面隨方向盤轉速的增大呈上凸趨勢,曲線斜率先大后小;而在車速較高時,助力 特性曲面隨方向盤轉速的增大呈下凹趨勢,曲線斜率先小后大。這就使得駕駛員 在汽車低速時感覺轉向輕便,而在高速時轉向手感較沉重,提高了駕駛員的駕駛 舒適性及安全性。第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究 第三章系統(tǒng)電動機控制策略的研究 直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調速范圍、大的啟動轉矩、 簡單的控制電路等優(yōu)點,長期以來一直廣泛地應用在各種驅動裝置和伺服系統(tǒng)中, 早期的系統(tǒng)

43、便是采用直流電動機帶動液壓泵產(chǎn)生轉向助力。同時由于機械 電刷和換向器的強迫性接觸,造成它結構復雜,可靠性差、變化的接觸電阻、火 花、噪聲等一系列問題,影響了直流電動機的調速精度和性能。 隨著電子技術的飛速發(fā)展,無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和 機械換向器,因此使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點,而且又具有交流 電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。因此,采用無刷直流電機帶動 液壓泵產(chǎn)生轉向助力成為系統(tǒng)新的發(fā)展方向之一【勿。 本文研究的,采用永磁無刷直流電動機。 .永磁無刷直流電機的工作原理 無刷直流電機,就其基本結構而言,可認為是一臺由電子開關線路、永磁

44、電動 機及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)。一般常見的永磁式直流電動機的定 子由永久磁鋼組成,其主要作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后 產(chǎn)生反應磁場,由于電刷的換相作用,使這兩磁場的方向在直流電動機運行過程 中始終保持相互垂直,從而產(chǎn)生最大有效轉矩而驅動電機不停運轉。無刷直流電 機為了實現(xiàn)無電刷換相,要把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上,把永久磁 鋼放在轉子上,這與傳統(tǒng)直流永磁電機的結構剛好相反。但簡單的直流電源給定 子各項繞組供電,只能夠產(chǎn)生固定的磁場,難于與運動中的轉子磁鋼所產(chǎn)生的永 磁磁場相互配合,以產(chǎn)生單一方向的轉矩來驅動轉子轉動。所以無刷直流電機除 了

45、由定子和轉子組成的電動機本體以外,還要由位置傳感器、控制電路以及功率 控制開關共同構成換相裝置,使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生 的磁場和轉動中的轉子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場在空間始終保持。電角度,保證產(chǎn) 生最大有效力矩【。第二章系統(tǒng)電機控制策略的研究 . 永磁無刷直流電機的結構 該電機的供電電壓為直流。該電機轉子外置,是~種外轉子永磁無刷直流 電動機。該電動機定子槽數(shù)為個即個線圈,轉子內(nèi)嵌塊永磁體,即 對極。根據(jù)電角度公式.: 電騰警 式. 可以計算出該無刷直流電機的電角度為。。 根據(jù)電角度的大小,可繪制出電機的星形矢量圖,如圖.所示, 圖中數(shù) 字代表線圈序號

46、,其中、、號線圈,、、號線圈,、、號線圈,、 、號線圈分別構成一相繞組。由于電機含四相序四狀態(tài),故每相的電角度 為。。另外,該電機含兩個霍爾位置傳感器,經(jīng)過計算可得兩個霍爾位置傳感 器的空間機械角度約為.。。圖.為定子四相繞組結構示意圖。 / 。 叼口 心. 婦: 二彳 過 , , /、 奪 圖.電機定子結構 . . .電機的驅動電路及續(xù)流原理 觀察電機的四相繞組發(fā)現(xiàn),該電機兩相共用同~繞組,即、兩相為同一 繞組,、兩相為同一繞組,、、、四相分別獨立通電工作。因為, 相、相為獨立繞組線圈,并且共用同一繞組槽,所以電機的續(xù)流是通過磁耦合 進行的。即

47、,當繞組線圈的電流發(fā)生變化時,在與它相鄰的繞組線圈就會產(chǎn) 生感應電動勢,它們在電的方面彼此獨立,之間的影響是通過磁場進行的,這種 關系就稱為磁耦合【。 圖.為該直流無刷電機的驅動原理圖。當電機轉子位置傳感器信號輸入至 后,根據(jù)該換相控制字決定、、、四相中的某~相為當前導通相, 并通過輸出斬波信號控制某一功率管。當某一相繞組導通后,電流經(jīng) 電源正端流過繞組,最后流過檢測電阻至功率地。檢測電阻電流輸入端經(jīng)放大濾第一章系統(tǒng)電機控制策略的研究 波后引入到的/轉換引哪,為電機的流閉蚪闊述提;依: 雨 圈 區(qū)流無刷電機的騷動原理凹 出髂 . 系統(tǒng)無刷直流電機控制策略分析 機

48、能否根據(jù)輸入信號準確、實時地變化顯得尤為重要。對于該助力電機的控制主 要包括換相控制和凋速控制,本系統(tǒng)的液壓泵只有在逆時針轉動時才能產(chǎn)生油壓, 因此只需要使助力電機在逆時針方向轉動工作。 換相控制原理 根據(jù)實驗觀測到該電機的反電動勢波形正弦被以及對應的霍爾位冠信號波 形方波.如圖.所示,記錄每一項繞組的反電動勢達到正峰值時刻的霍爾 位置信號,根據(jù)這些霍爾位置狀態(tài)輸出信號使、、、各相依次 導通?；魻栁恢眯盘柵c換相時刻的對應關系如表 所示。 四?Ⅳ∞ 蚓 反電動勢與霍爾位置信號 盯 第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究 . 各相導通順序 霍爾位置狀態(tài) , , , ,

49、 ..調速控制原理 理想的無刷直流電動機的感應電動勢和電磁轉矩公式如下【】【】【】: ’ 式. 言萬Ⅳ,曰肛國 式.
專萬Ⅳ召慪炒 式中: Ⅳ。~通電導體數(shù); 口~永磁體產(chǎn)生的磁通密度; ~轉子鐵芯的長度; ,~轉子半徑; 國~轉子的機械角速度; 。~定子電流; 由以上兩個公式可見,感應電動勢和轉子轉速成正比,電磁轉矩與定子電流 成正比,因此永磁無刷直流電動機與有刷電動機一樣具有良好的控制性能。 實現(xiàn)的四相無刷直流電動機調速的控制和 驅動電路。兩個位置間隔.。的霍爾傳感器經(jīng)限幅、整形電路后分別與 的兩個捕獲引腳和相連,通過產(chǎn)生捕獲中斷來給 出換相時刻

50、,同時給出位置信息。 由于電動機每次只導通一相,因此每次只需控制一個電流,本文中電機用兩 個電阻作為廉價的電流傳感器,將其安裝在驅動電路下端,就可以方便地進行 電流反饋控制。電流反饋輸出經(jīng)濾波放火電路連接到的 輸入端和,在每一個周期都對電流進行采樣對速度 占空比進行控制。 通過?引腳經(jīng)一個反向驅動電路連接到 四個開關功率管,實現(xiàn)定頻輸出和換相控制。 為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗負載能力,本控制器使用雙閉環(huán)全數(shù)字 調節(jié),即外環(huán)轉速調節(jié)和內(nèi)環(huán)電流調節(jié),其結構如圖.所示。內(nèi)環(huán)電流調節(jié)能 夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能,控制動態(tài)過程中的電流或轉矩,起到電流跟隨,過流自 動保護和及時抑

51、制電壓擾動等作用。外環(huán)轉速調節(jié)的作用是對轉速的抗擾動調節(jié) 并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差。內(nèi)環(huán)調節(jié)比外環(huán)調節(jié)頻率快,這樣快速調節(jié)電機電流或 轉矩,利于提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能【】【。 ..數(shù)字控制的實現(xiàn) ..電流的檢測和計算 電流的檢測是用分壓電阻來實現(xiàn)的。電阻值的選擇可以考慮當過流發(fā)生時 能輸出最大電壓,同時起到過流檢測的作用。例如,.對應/轉換后的最大 位數(shù)字量,對應轉換后的最小位數(shù)字量。 每~個周期對電流采樣~次。如果周期設為,則電流的采樣 頻率為。 但是在每一個周期中對電流采樣時要注意采樣時刻,在周期“開 的瞬時,電流上升并不穩(wěn)定,也不易采樣。所以電流采樣時刻應該是周期

52、 的“開’’中部,如圖所示,它可以通過定時器采用連續(xù)增計數(shù)方式周期匹配 事件啟動轉換來實現(xiàn)。然后用轉換的數(shù)值進行電流調節(jié)得到轉速第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究 值。 ..速度的檢測和計算 位置信號還要用于產(chǎn)生速度控制量。電機轉子有塊磁鐵,每轉一圈霍爾傳 感器輸出個周期信號,通過捕獲端口捕捉兩次信號上升沿的時刻計算出 一個霍爾信號的周期,通過下式就可以計算出電機轉速。 霍爾信號兩次上升沿的時間間隔△可以通過捕捉中斷發(fā)生時讀定時器的 寄存器的值來獲得。定時器采用連續(xù)增計數(shù)方式,轉子轉速越低,所用 垃時乜越長,寄存器中的值也就越大,式中為計數(shù)時鐘周期,‘、乞為 兩次上升沿時刻寄存器

53、中的值。 兩次上升沿的時間差為: 氣一咖丁 式. 每轉所用時間為: “一乞×× 式. 電機轉速為: ’/申 式. 通過這樣計算得到的速度值作為速度反饋量參與速度調節(jié)計算。 ..雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能 動態(tài)跟隨性能 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在啟動和升速過程中,能夠在電流受電機過載能力約束的條 件下,表現(xiàn)出快速的動態(tài)跟隨性能。這一性能歸功于電流環(huán)對電流的可控性。 動態(tài)抗擾性能 抗負載擾動 由于負載的擾動作用在電流環(huán)之后,只能靠轉速調節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因 此,在突然加減負載時,必然會引起動態(tài)速降升。為了減少動態(tài)速降升, 轉速環(huán)要具有較好的抗干擾性能。而電流環(huán)要具有

54、良好的跟隨性能【。 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在影響系統(tǒng)的位置不同,系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾動效 果也不一樣。在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中,電網(wǎng)電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負 反饋環(huán)包圍的前向通道上,就靜態(tài)特性而言,系統(tǒng)對它們的抗擾動效果是一樣的。 但是從動態(tài)性能上看,由于擾動作用的位置不同,還存在及時調節(jié)上的差別。負 第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究 載擾動作用在被調量的自玎面,它的變化經(jīng)過積分后就可以被轉速壞檢測出來,從 而在轉速調節(jié)器上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點則離被調量更遠,它的波動 先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流,再經(jīng)過機電慣性的滯后爿‘能反映到 轉速上來,

55、等到轉速反饋產(chǎn)生調節(jié)作用,已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中,由于 增設了電流內(nèi)環(huán),這個問題便大有好轉。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi), 當電壓波動時,可以通過電流反饋得到及時的調節(jié),不必等到影響到轉速后才在 系統(tǒng)中有所反應。因此,在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降 會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。 在實際調速中發(fā)現(xiàn),采用四相半控電路進行控制時,電機的最高轉速只能達到 /并且經(jīng)過測算此時電機的反電動勢已經(jīng)達到,這說明采用四相半控 方式進行調速時,當轉速超過/時,電機工作在發(fā)電狀態(tài)。而根據(jù)測得 助力特性曲線可以看出,在原地轉向時電機的轉速要達到/才能提供合 適的助力。因此,

56、采用四相半控的控制策略不能達到預期的電機轉速,必須采用 新的電機控制策略進行電機調速。 .本章小結 本章詳細的分析了外轉子四相無刷直流電動機的結構特點和控制策略。通過實 驗測得電機反電動勢與霍爾位置信號關系,得到電機換相順序。研究了該電機的 數(shù)字控制方法。最后,對于實際調速控制中發(fā)現(xiàn)的問題做出了分析。第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā) 第四章系統(tǒng)控制器硬件開發(fā) 作為系統(tǒng)的核心部分,控制器的設計尤為重要?？刂破鞯男阅苤苯記Q 定了整個系統(tǒng)的工作性能?？刂破鞑粌H要實現(xiàn)系統(tǒng)的助力性能控制,還必 須有良好的穩(wěn)定性,抗干擾能力。因此,在設計控制器時要考慮諸多因素。 本章從分析整個系統(tǒng)的工作原理入手

57、,闡述了無刷直流電動機系統(tǒng)控制器的 硬件開發(fā),包括各個功能模塊的芯片選型、原理圖設計。最后,對于版的繪 制進行一些簡要的分析。 . 系統(tǒng)控制器硬件電路框圖 整個控制器系統(tǒng)的工作原理為:電子控制單元根據(jù)車速信號、發(fā)動機點 火信號和方向盤轉速信號和助力特性圖查找出合適的助力電機轉速值,并輸出 波形,經(jīng)過驅動模塊對電機進行控制。通過霍爾位置信號和電流反饋信號 對電機進行雙閉環(huán)調節(jié)。 系統(tǒng)控制器的硬件電路主要包括汽車發(fā)動機點火信號、車速信號、電 源變換和監(jiān)控、微處理器、方向盤轉速信號、信號處理、總線模塊、助力電 機驅動電路及電流反饋、運算放大放電路等模塊,如圖.所示。 電源監(jiān)控

58、模塊?叫蓄電池電源模 驅 發(fā)動機點火信號.馗接. 萄型卜一制 筆黧篥嘲單.元. 薹怦 路 堡璽篁翼笪墨一”三露一 電流反饋信號 運算放大電路 圖. 系統(tǒng)控制器示意圖 . 為了增強控制器硬件系統(tǒng)的抗干擾能力,提高可靠性,本文開發(fā)的控制器將 微處理器邏輯控制模塊、通訊模塊、信號處理模塊、運放模塊設計為控制電路板, 而將功率較大、發(fā)熱量大的驅動模塊設計為驅動電路板,兩板之間的控制信號通第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā) 過引線連接。 . 系統(tǒng)控制器微處理器 從發(fā)展的角度來看,未來的電動液壓助力轉向系統(tǒng)不僅僅需要車速信號和方 向盤轉速信號,還包括轉向角、橫向加速度等信號,要求

59、控制系統(tǒng)有更高的處理 速度、尋址能力、更好的電磁兼容性能、支持多任務系統(tǒng)【。而傳統(tǒng)使用的位 單片機雖然可以實現(xiàn)控制功能,但受其運算處理能力和結構配置的限制,部分電 路還需要外部搭建,這將嚴重影響系統(tǒng)的整體性能,不能滿足發(fā)展的要求。 通過分析比較,本文選用公司的作為控制器微處理器芯片。 該芯片為位定點,主要用于數(shù)字電機控制、電機控制、智能儀器儀表、 工業(yè)自動化、機電一體化等【。 .. 系列簡介【】 是為滿足控制應用而設計的。通過把一個高性能的 內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設集成為一個芯片的方案, 成為傳統(tǒng)的微控 制單元和昂貴的多片設計的一種廉價替代品。每秒萬條指令 的處理速度,

60、使 控制器可以提供遠遠超過傳統(tǒng)的位 微控制器和微處理器的性能。 .. 內(nèi)核 內(nèi)核采用高性能靜態(tài)技術,使得供電電壓將為.,減小了控制器 的功耗;的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到,從而提高了控制器的實 時控制能力;基于 的內(nèi)核,保證了系列 和系列代碼兼容。 .. 外設模塊 具有兩個專為電機控制而設計的事件管理器模塊和; 可擴展的外部存儲器,總共具有位的空間; 看門狗定時器模塊; 位轉換模塊; 控制器局域網(wǎng)模塊,即模塊; 串行通信接口模塊; 位串行外部設備接口模塊; ●●●●◆●●● 高達個可單獨編程或復用的通用輸入\輸出引腳;第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā) .. 電機

61、控制模塊介紹 內(nèi)部的電機控制模塊主要有個,分別是轉換模塊、 捕獲模塊和輸出模塊。 轉換模塊 內(nèi)部集成了一個帶有通道的位模/數(shù)轉換器,其 個通道分成兩組,分別由兩個排序控制器和控制,工作是以任 務為單位,在一個任務中要轉換的通道可以通過和選擇,轉換通道 的順序可以通過排序控制器來設置,轉換結果保存在個結果寄存 器中,可以自由讀取。的啟動觸發(fā)源可以由軟 件、、以及外部引腳來產(chǎn)生,用戶在需要時可以很方便的觸 發(fā)啟動。另外該還帶有效驗功能,保證轉換結果的正確性和精度。 捕獲模塊 捕獲單元可以記錄輸入的霍爾位置信號跳變時刻,以便對電機進行正確換相。 每個事件管理器模塊有個捕獲單元,事件管理器的捕獲單元為、 、,事件管理器的捕獲單元為、、。每個捕捉 單元都有一個相對應的捕捉輸入引腳。當捕捉輸入引腳上檢測到一個設定 的跳變時,則跳變時刻通用定時器計數(shù)器的值被捕捉并儲存在