汽车EPS系统用电动机综述

汽车EPS系统用电动机综述 汽车EPS系统用电动机综述 第42(臻蠹期)(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)防爆电机 汽车EPS系统用电动机综述 范心明程小华 华南理工大学电力学院,广东广州(510640) 摘要电动机是汽车电动助力转向(EPS)系统中的关键部件.本文综述了在汽车EPS系 统中所用到的若干电动机,包括直流电动机,伺服电动机,力矩电动机,开关磁阻电动机及交流电 动机等,描述了它们的原理,助力效果和优缺点. 关键词汽车EPS系统电动机 中图分类号TM33/38文献标识码A文章编号1008—7281(2006)06—0001—05 ASummaryoftheMotorforAutomobileEPSSystem Fa11,XinmingandChengXiaohua AbstractThemotoristhekeycomponentoftheelectricboostersteeringsystemof automobile(EPS).Thispapersummarizesthevariousmotors.includingdcmotor,serv0 motor,torquemotor,switchedreluctancemotor,andacmotor,etc.,usedintheautomo— bileEPSsystem,anddescribestheprinciples,boosterresults,advantagesanddisadvan— tages. KeywordsAutomobile,EPSsystem,motor. 0引言 转向I生能是汽车的主要性能之一,转向系统 的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,它对于确 保车辆的安全行驶,减少交通事故以及保护驾驶 员的人身安全,改善驾驶员的工作条件起着重要 的作用.为了提高转向性能,几乎所有的汽车都 采用了动力助力转向系统.液压助力方式是最早 采用的动力助力转向形式,电子技术和电气技术 的发展和应用使得转向系统发生了革命性的变 化,先后出现了电动液压助力转向(EHPS)系统, 电动助力转向(EPS)系统.电动助力转向系统有 一 系列的优点…:节能,耐严寒,增强了随动性,改 善回正特性,提高操纵稳定性,环保,包装和装配 效率高,维护保养方便及易于调整.所以自 1988年日本铃木公司首次开发出电动助力转向 系统以来,世界各大公司,如日本的大发汽车公 司,三菱汽车公司,本田汽车公司,美国的Delphi 公司,英国的Lucas公司,德国的ZF公司都研制 出了各自EPS.经过二十年来的发展,EPS的技 术日趋完善且随着电子电气技术的发展大幅降低 成本已成为可能,很快成为首选配置.图1是电 动助力转向系统的系统框图. ——— _,L?一\r//\ 车速1f4生亟l\\L———————L—— #电动机传感器信号 二zz 图1电动助力转向系统框图 EPS的关键技术分软硬件两方面:在软件方 面,要实现对助力电动机的助力等各种控制并实 时监测转向系统的情况,当出现不同情况时采取 相应的控制措施;硬件方面,精度满足要求,价格 便宜,高度可靠的转矩传感器是一方面,另一方面 就是提供助力的电动机.相比普通电动机,电动 助力转向系统采用的电动机具有以下特点: (1)由于大多车载电源为12V直流电,因此 要求助力电动机的工作电压低和具有足够大的额 定功率和额定电流; (2)转动惯量小,宽广的调速范围,控制特性 好,低速运行平稳,力矩波动小; 收稿日期:2006-06-20. 范心明男1977年生;华南理工大学电力学院电机与电器专业硕士研究生,研究方 向为新型智能化电气设备 防爆电机(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE12006,F第6期 第41卷(总第133期) (3)大的齿轮传动比将增加机械惯量,降低 EPS系统的动态性能,所以电动机转速不能太大 (大约1000r/min); (4)为减小转子的惯性力矩,电动机的体积 应尽可能小; (5)在堵转时也要能够提供助力作用,对于 大型的车辆,甚至要求电动机能够提供与转动方 向相反的助力转矩. 直流电动机,伺服电动机,力矩电动机,开关 磁阻电动机及感应电动机等已经在电动助力转向 系统中采用,下面对这些种类的电动机进行综述. 1电动机的助力特性 电动机的助力特性对动力转向系统的性能, 包括轻便性,回正性,路感等有重要影响.在传统 液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定, 调整非常困难,并且设计完成后助力特性就确定 了,不能随车速变化.而EPS不同,助力特性曲 线是电动助力转向的控制目标,由软件来设置,可 以设计成车速感应型特性曲线,并可方便地进行 调节.图2是典型EPS直线型助力特性曲线. , /max…一r13=0 || 『-"um 7OTdTJ 图2直线型助力特性曲线 该助力特性曲线可用下列函数示 , 00Ta< ,={K()?(一)< 【,Ta 式中,,_电动机目标电流;,一电动机最大工作 电流;Ta一转向盘输入转矩;K()—助力特性曲 线的梯度,随车速增加而减小;一系统开始助 力时的转向盘输入转矩;一系统提供最大助 力时的转向盘输入转矩.除了直线型助力特性外 还有折线型助力特性和曲线型助力特性.直线型 助力特性最简单,数据量小,存储方便,有利于控 制系统的设计,并且在实际中容易调整;曲线型助 力特性复杂,数据存储量大,调整不方便;折线型 2 助力特性则介于两者之1司. 2直流电动机 直流电动机是电动助力转向系统中采用的电 动机的主要类型之一.直流电动机以其良好的起 动性能和调速性能着称.由于汽车电源(蓄电 池,发电机)为直流供电,所以直流电动机可由它 直接驱动.这是汽车电动助力转向系统中大多采 用直流电动机的原因之一. 直流电动机工作时,直流电压通过电刷和换 向器加到转子线圈上,通有电流的转子线圈将受 到电磁力的作用而产生电磁转矩.直流电动机的 转矩公式为 Te = C(1) 式中,c一直流电机的转矩常数;一励磁磁通; ,一电枢电流.电枢电流,.所产生的电枢磁通与 励磁磁通是互相垂直的,再加上一定的补偿 后,电枢反应对主磁场的去磁作用便可忽略,故磁 通只与励磁电流,,有关,而与,.无关.既然,. 和是相互独立的,可分别调节和控制,因此,直 流电动机的电磁转矩具有十分优良的控制特性, 只要调节电动机的输入电压或励磁电流,即可在 宽广的范围内实现无级调速.图3和图4分别为 直流电动机并励与串励时的工作特性. ? I——,!, 【// I / / [/ 0—————— 图3并励直流电动机的工作特性 ? , 图4串励直流电动机的工作特性 直流电动机分有刷和无刷两种,两者的工作 原理是一致的.电动助力转向系统的助力电动机 早期曾用过有刷电动机,应用技术成熟,成本也较 第42(蠹期)(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)防爆电机 低廉.由于电刷和机械换向器之间存在的机械摩 擦,其滑动接触严重地影响电机的精度和可靠性, 缩短电机寿命,需要经常性的维护,电机的效率和 转速都受到了限制;另一方面,换向时会产生换向 火花,所产生的火花会引起无线电干扰,电刷换向 器装置又使直流电机结构变得复杂,工作噪声大. 不过对于EPS驱动电机一般都工作在较低转速 的使用条件来说,它还是适合的. 随着微电子技术,电力电子技术和电机控制 技术的快速发展及高性能永磁材料的应用,无接 触式换向的直流电机结构得以实现,这就是无刷 直流电动机.稀土永磁无刷直流电动机就是一种 比较理想的EPS助力电动机j.无刷直流电动 机具有有刷直流电动机同样优良的调速和控制特 性.无刷直流电动机中,机械电刷与换向装置被 一 套电子装置取代,这样有刷直流电动机的缺点 被克服;另一方面,无刷直流电动机有与永磁同步 电动机相同的结构,并且成本较低和具有更简单 的制造工艺.因此,无刷直流电动机具有交流电 动机简单的结构和直流电动机优良的调速控制特 性,是一种高性价比的EPS助力电动机.永磁无 刷直流电动机主要由永磁电机本体,转子位置传 感器和功率电子开关三部分组成.图5为其原理 框图,图6为其调节特性曲线j. 图5永磁无刷直流电动机的原理框图 ? >>>. 图6无刷直流电动机调节特性曲线 从调节特『生可见,永磁无刷直流电动机具有 与有刷直流电动机一样良好的控制特性,可以通 过改变电压实现无级调速.它的缺点是:(1)控 制系统和控制复杂;(2)永磁材料受温度 影响大,在大电流负载时可导致材料磁性下降; (3)价格相对较高. 3伺服电动机 伺服电动机也称为执行电动机,它将电压信 号转变为转轴的角速度或角位移输出.伺服电动 机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大 类,EPS系统一般采用无刷直流伺服电动机.它 的基本结构,工作原理及内部电磁关系和一般的 无刷直流电动机相同. 无刷直流伺服电动机有很多优点J: (1)具有很高的转矩质量比,堵转转矩大; (2)良好的计算机控制特性; (3)换向装置维护方便; (4)电路简单. 图7所示为其调节特性曲线J. 图7直流伺服电动机的调节特性 可见它的调节特性是一组平行的直线.这将 有利于提高EPS系统的动态精度. 它的缺点是: (1)成本较高,限制了其在电动助力转向系 统中的应用; (2)其输出功率一般为1—600W,限制了其 在大型车辆上的应用; (3)其控制系统较一般直流电动机的控制系 统复杂. 4力矩电动机 力矩电动机是一种由伺服电动机和驱动电动 机相结合而形成的特殊电机.它可以不用齿轮等 减速机构直接驱动负载,并由输入控制电压信号 直接调节负载的转速.在位置控制方式的伺服系 统中,它可以长期工作在堵转状态;而在速度控制 方式的伺服系统中,又可以工作在低速状态,且输 出较大的转矩.所以,力矩电动机是一种直接驱 动负载的执行元件. 直流力矩电动机是一种永磁式低速直流伺服 电动机,它的外形和普通直流伺服电动机完全两 样.通常做成扁平式结构,电枢长度与直径之比 3 防爆电机(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)2006年第6期 第41卷(总第133期) 一 般仅为0.2左右,这种结构使力矩电动机在一 定的电枢体积和电枢电压下能产生较大的转矩和 较低的转速. 与其它执行元件相比,力矩电动机具有以下 的优点: (1)提高了速度和位置的控制精度.力矩电 动机直接驱动的伺服系统消除了采用齿轮传动时 所带来的齿隙"死区"和材料弹性变形所引起的 误差,因此它既可使系统的放大倍数做得很高又 能保持系统的稳定; (2)特性的线性度好.力矩电动机的转矩一 电流特性具有很高的线性度,同时因省去了齿轮 等传动装置,消除了齿隙,"死区"并使摩擦力矩 减小,这使得系统的控制灵活平稳; (3)采用力矩电动机的直接驱动系统,还具 有运行可靠,维护简便,振动小,机械噪声小和结 构紧凑等优点. 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,齿条助力式三种j.其中 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.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.采用力矩电动机将 更能利用它的优点从而获得良好的路感J. 采用力矩电动机的缺点是: (1)永磁体在温度超过200~E时,会失去磁性 而使电动机无法工作,并且安装上要考虑不能离 发动机太近; (2)力矩电动机在运行时,会产生一个正比 于电枢电流的去磁磁势,输入的电流决不允许超 过峰值电流,否则,就会使电机失磁,转矩下降,并 使电机性能产生不可逆的变化. 5开关磁阻(SR)电动机 开关磁阻(SR)电动机由于具有一系列优点 常被选为EPS系统的助力电机?...sR电机定, 转子均为双凸极结构,定子为集中绕组,转子无绕 组,根据定,转子齿极不同可以有各种方案,如三 相6/4结构,四相8/6结构等.图8为常用的 6/4结构SR电机.SR电机的工作原理遵循"磁 阻最小原理",磁通总是要沿着磁阻最小的路径 4 闭合,只要在磁阻不是最大或最小时给相绕组通 电,使磁场扭曲,就能产生磁阻性质的转矩,然后 顺序在各相绕组中通电就能使电机连续旋转.若 改变绕组的通电顺序,转子的转动方向也发生改 变,SR电机转子位置传感器给出转子位置信号 以确定相绕组通电时间. 图86/4极SR结构电机示意图 sR电机在线性条件下产生的转矩… 1Ir T(,i):?(2)二U口 式中,一相电流;转子位置角;L一相电感.它 决定于相电流以及电感的变化率.通过一个控制 器,控制驱动电路中开关的开通和关断就能控制 绕组的电流,控制了电流,也就控制了转矩,即能 控制转速,所以一个完整的sR电机驱动系统应 由电源,驱动(功率变换)电路,控制器和sR电机 组成. SR电动机具有如下优点: (1)电动机转子无绕组,成本低,转子转动惯 量小,易于加,减速; (2)定子线圈嵌装容易,端部短而牢固,热耗 大部分在定子,易于冷却;转子无永磁体,可有较 高的最大允许温升; (3)转矩方向与相电流方向无关.只要控制 主开关器件的导通关断角度即可改变电动机的工 作状态,无需辅助电力电子开关器件,故可降低系 统成本; (4)在宽广的转速和功率范围内均具有高输 出和高效率; (5)起动转矩大,控制灵活. SR电动机存在的主要缺点是: (1)采用的是磁阻式电动机,其能量转换密 度低于电磁式电动机; (2)转矩脉动较大,通常sR电动机转矩脉动 的典型值为?15%,1%,3%比较理想,且经过减 第42(孺期)(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)防爆电机 速传动齿轮后转矩脉动会增大,只有通过采取合 适的控制技术来消除,这对EPS系统来说是不利 的; (3)相数越多,主接线数越多,需要根据定, 转子相对位置投励. 6交流电动机 由于交流电动机的电磁转矩与电机定子电 压(电流)函数关系复杂,不存在象直流电动机那 样简洁的函数关系,所以交流电动机电磁转矩的 准确,有效控制是一个难题,目前国内外已开发的 EPS产品中主要也为直流电动机.但其驱动方式 为60.换向的三相六状态工作方式,由于是60.换 向,控制精度为?30.电角度,因此,采用大减速 (60:1)的减速机来提高机械转向机构的分辨 率.对EPS系统,大减速比的减速机具有逆向自 锁制动的缺点,为防止电机故障而锁死方向盘须 增加电磁离合器,增加了系统的复杂性和成 本. 随着电力电子技术,控制技术的发展,如调频 调压控制,矢量控制,直接转矩控制,交流电动机 的缺点得到了克服. 采用交流电动机作为驱动电机的优点有: (1)交流电动机没有碳刷及整流子,免维护, 坚固,体积小; (2)机械结构,制造工艺简单,成本低. 文献[13]采用的是交流感应电动机作为EPS 系统的驱动电机.同步电动机也是一种交流电动 机.国内外现在研究较多的是采用永磁同步电动 机作为EPS系统的驱动电机.文献[12],[14]中 EPS系统都采用永磁同步电动机来驱动. 采用交流电动机作为驱动电机的缺点是: (1)由于车载电源为直流电,需要增加逆变 电路将直流电转换为交流电给电动机供电; (2)控制系统复杂. 7结语 电动助力转向(EPS)系统与传统助力转向系 统相比具有众多的优点,有取代传统助力转向系 统的趋势,国外已研发十多年,并有成品,而国内 这方面的研究才刚起步.作为EPS系统关键技 术之一的助力电动机更是国内外学者致力研究的 热点.为了获得性能优良的EPS,在各种类型的 驱动电机上都做了大量的优化设计.而各种驱动 电机有各自的优缺点和适用场合,采用何种类型 的电动机应视具体情况而定.随着研究的进一步 深入,各种性能优越的驱动电机必将相继出现,使 EPS系统的性能越来越好. 参考文献 [1]苗立东,何仁等.汽车电动转向技术发展综述[J]. 长安大学(自然科学版).2004,(1). [2]汤蕴廖,史乃.电机学.北京:机械工业出版社, 2000.1. [3]施国标,林逸等.电动助力转向系统匹配设计的研 究[J].公路交通科技.2003,(5). [4]LiXinhua,WuJie.DevelopmentofEPSRare-Earth Permanent-MagnetBmshlessDirectCurrentMotor[J].IEEE ElectricalMachinesandSystems,2005.ICEMS2005,Vol (3):2302,2305. [5]程明.微特电机及系统.北京:中国电力出版社, 2004. [6]Hong-Seokko,Kwang-JoonKim.Characterizationof noiseandvibrationsourcesininteriorpermanent-magnet brushlessDCmotors[J].Magnetics,IEEETransactionson Vol(40),Issue6,Nov.2004. [7]Hashimoto,H;Yamatoto,H.Brushlessservomotorcon- trolusingvariablestructureapproach[J].IndustryApplica- tions,IEEETransationsonVol(24),Issue1,1988. [8]杨渝钦.控制电机.北京:机械工业出版社,2001. [9]姚胜华.电动助力转向系统的研制[硕士论文].杭 州:浙江大学,2004. [10]Krishnamurthy.M,Edrington.C.S,Fahimi.B.Pre- dictionofrotorpositionatstandstillandfl~ngshaftconditions inswitchedreluctancemachines[J].AppliedPowerElectron- icsConferenceandExposition,2004.APEC94.Nineteenth AnnualIEEE.Vol(1),2004. [11]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术.北京: 机械工业出版社,1995. [12]马锡平,王君艳等.汽车电动助力转向电机的控制 [J].微特电机.2005(5). [13]张卫冬,余达太等.一种智能电动助力转向系统 [J].北京科技大学.2003(1). [14]GuangLiu,Kurnia.A.AlowtorqueripplePMSM driveforEPSapplications[J].AppliedPowerElectronics ConferenceandExposition,2004.NineteenthAnnualIEEE. Vol(2). 5