异步电机电动助力转向系统控制策略研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)

1.1课题研究的背景和意义 (1)

1.2电动助力转向系统结构及分类 (2)

1.3国内外研究现状 (3)

1.3.1 国外研究现状 (3)

1.3.2 国内研究现状 (4)

1.3.3 国内外研究现状评述 (6)

1.4本文的主要研究内容 (6)

第2章 EPS系统及整车建模 (8)

2.1双小齿轮式EPS系统简介 (8)

2.2EPS工作模式介绍 (9)

2.3EPS系统机械转向系统建模 (9)

2.3.1 助力转向建模 (10)

2.3.2 助力回正建模 (12)

2.4EPS系统异步电机建模 (13)

2.4.1 异步电机概述 (13)

2.4.2 异步电机动态数学模型 (13)

2.4.3 坐标变换矩阵 (16)

2.4.4 异步电机同步旋转坐标系模型 (18)

2.5整车建模 (19)

2.6本章小结 (20)

第3章 EPS复合型助力特性曲线研究 (21)

3.1路感和轻便性 (21)

3.2常见助力特性曲线分析 (22)

3.3复合型助力特性曲线设计 (23)

3.3.1 助力特性曲线基本参数确定 (23)

3.3.2 低速区间助力特性曲线设计 (25)

3.3.3 高速区间助力特性曲线设计 (26)

3.3.4 复合型助力特性曲线综述 (27)

3.4本章小结 (28)

第4章 EPS系统控制方案设计与仿真 (29)

4.1异步电机控制方案设计 (29)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

4.1.1 异步电机常见控制方案简介 (29)

4.1.2 电压空间矢量PWM技术 (30)

4.1.3 异步电机控制方案确定 (31)

4.2异步电机矢量控制模型 (31)

4.3转子磁链观测 (32)

4.3.1 转子磁链电流模型 (33)

4.3.2 转子磁链电压模型 (34)

4.3.3 转子磁链模型仿真分析 (35)

4.4异步电机矢量控制仿真 (39)

4.4.1 电压反馈解耦 (40)

4.4.2 异步电机矢量控制仿真分析 (40)

4.5EPS系统控制策略仿真 (42)

4.5.1 EPS助力转向模式仿真分析 (43)

4.5.2 路感和轻便性仿真分析 (47)

4.5.3 EPS助力回正模式仿真分析 (48)

4.6本章小结 (50)

第5章 EPS系统实验台搭建与功能验证 (51)

5.1机械转向实验台搭建 (51)

5.2EPS系统控制器硬件设计 (53)

5.2.1 控制器硬件构成 (53)

5.2.2 EPS控制器各模块设计 (54)

5.2.3 EPS控制器实物 (55)

5.3EPS系统控制器软件设计 (55)

5.3.1 EPS控制器软件构成 (55)

5.3.2 EPS控制器程序实现 (56)

5.4EPS系统实验台实验 (58)

5.5本章小结 (59)

结论 (60)

参考文献 (61)

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 (65)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (66)

致谢 (67)

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第1章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

科技的进步促使着汽车工业快速发展，并且人们对生活质量的要求逐渐提高，轿车几乎成为了人们生活不可或缺的商品，与此同时，人们对汽车的节能、环保、安全可靠性等的关注度也越来越高[1]。汽车转向系是依照驾驶员的意图来改变和维持汽车行驶方向的机构，在汽车转向时，转向系不仅可以保证各转向轮的协调关系，而且能够配合行驶系统保障汽车稳定的行驶，所以，转向系作为底盘的重要构成部分，对汽车的安全性和操纵稳定性起着十分重要的作用。

新的科技和方法不断地被应用到汽车领域，汽车转向系统也随着科技发展改变着。转向系统经历了从简单的机械式转向系统（Mechanical Steering，MS）、液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，HPS）到现在常用的电液助力转向系统（Electronic-Hydraulic Power Steering，EHPS）和电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）。助力转向系统减轻了驾驶员的劳动强度，提高了驾驶的安全性，并且助力系统在失效时还能转为传统的机械式转向系统，保证了转向行驶的可靠性。其中，助力转向系统中的EPS系统是一种现在较为先进的技术，高效、节能、低污染的特性是EPS系统最大的优点，它还具备结构简单，易于实现，性能可以优化调节等特点，同时，现代汽车电子控制系统所占比例越来越大，EPS系统可以与主动悬架防抱制动ABS及车轮驱动力控制等系统结合，进而提高驾驶的安全可靠性，因而，EPS作为一项符合现代汽车发展主题的高新技术，代表着转向系统的发展趋势[2-4]。

电动助力转向系统的核心部件之一是助力电机，目前，研究和装车应用最广泛的助力电机主要是直流电机，这主要是因为直流电机起动和调速性能比较好，并且易于控制，并且由于车载电源是直流电源，直流电机可以被直接驱动。但是以直流电机作为助力源的EPS系统却有如下的局限性：

（1）由于车载电源电压是12V，这就使得助力电机输出的扭矩是很小的，不能满足中高级轿车需要大扭矩助力，限制了EPS系统在中高级轿车上的应用。

（2）直流电机提供转矩时波动很大，并且存在着换向器故障的隐患，降低了EPS系统的可靠性和安全性。

相比于直流电机，异步电机具有在同等条件下可以输出更大的扭矩，并且转矩脉动小，可靠性高，适应能力强等优点，因而本文将会以异步电机式EPS系统为研究对象，选取的EPS系统用异步电机为低压鼠笼型异步电机，其实物如图1-1所示。由于异步电机是一个复杂的高阶系统，对异步电机的转矩进行精确控制比