基于PMSM的电动助力转向系统设计及控制特性研究

摘要

随着现代控制技术的飞速发展，以提高车辆行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性为目标的电控系统已成为当前车辆工程领域的研究热点。针对传统EPS系统存在转矩脉动较大及助力转矩响应滞后等问题，本文通过对基于空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)直接转矩控制策略(Direct Torque Control, DTC)和助力转矩补偿控制策略的EPS系统的控制特性分析，研究表明采用该新型控制方法的EPS系统可以更好地减小助力电机的转矩脉动，并提高转矩响应速率。
　　本文结合重庆市教委科研基金项目“融合主动转向功能的新型电动助力转向系统控制机理与关键技术研究(KJ120415)”的研究内容，在综合国内外相关研究现状的基础上，对永磁同步助力电机进行了结构参数优化与分析，同时对基于PMSM的EPS传动系统进行结构设计匹配，并对基于SVPWM的PMSM直接转矩控制策略和转矩补偿控制策略的EPS系统控制特性进行仿真对比分析。具体研究内容如下:
　　1)针对本文EPS系统助力特性需求，对PMSM进行结构分析及优化设计。结合Ansoft Maxwell2D有限元模块，分析比较并确定PMSM的磁路;参考EPS系统助力需求及电机设计理论，分析PMSM的主要结构参数并建立PMSM基本模型;应用RMxprt优化模块对PMSM基本模型进行结构参数优化，提高PMSM性能。
　　2)对基于PMSM的EPS系统的传动机构进行结构匹配设计。以优化PMSM为设计基础，结合EPS系统动力传动方案，分析基于PMSM的EPS系统的结构参数;在基于PMSM的前提下，对EPS系统传动机构中的减速机构进行结构匹配设计;通过结合相关控制部件、优化设计的PMSM及减速机构，建立EPS系统传动总成。
　　3)建立EPS系统动力学模型，结合新型控制策略对EPS系统进行仿真分析。深入分析PMSM的控制策略及EPS系统助力特性、阻尼特性和回正特性，并设计EPS系统助力特性曲线;结合PMSM动力学模型，建立基于SVPWM的PMSM直接转矩控制的仿真模型，验证了该控制策略对PMSM良好的控制性能;结合EPS系统助力转矩补偿控制策略及PMSM仿真子模型，应用Matlab/Simulink仿真软件搭建EPS系统仿真模型，分析比较了经典PID控制策略及新型控制策略下EPS系统对助力电机转矩的控制特性。仿真分析表明:基于新型控制策略下的EPS系统，实现了对PMSM助力转矩进行更加精准快速的控制，同时减小了EPS系统助力转矩脉动，改善了EPS系统的综合控制性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 EPS系统国内外研究现状

1．2．1 转向系统发展历程

1．2．2 EPS系统国内外研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 EPS用永磁同步助力电机结构特性分析

2．1 PMSM发展与分类

2．2 EPS用永磁同步助力电机设计分析

2．2．1 PMSM磁路结构

2．2．2 PMSM漏磁分析

2．2．3 PMSM尺寸分析

2．3 PMSM建模及特性分析

2．3．1 PMSM基本模型

2．3．2 PMSM评价体系

2．3．3 PMSM结构参数分析

2．4 PMSM结构参数优化

2．4．1 PMSM优化数学模型

2．4．2 PMSM结构参数优化

2．5 小结

第三章 基于PMSM的EPS传动系统设计

3．1 EPS系统动力传动方案分析

3．2 EPS系统零部件选型

3．2．1 转矩传感器和车速传感器

3．2．2 离合器

3．2．3 电控单元

3．3 基于PMSM的EPS传动系统设计

3．3．1 减速机构传动比设计

3．3．2 传动机构参数分析

3．4 蜗轮蜗杆减速机构设计

3．4．1 蜗杆设计

3．4．2 蜗轮设计

3．5 EPS系统传动机构总成设计

3．6 小结

第四章 基于PMSM的EPS系统控制特性研究

4．1 PMSM控制策略分析

4．1．1 矢量控制

4．1．2 直接转矩控制

4．2 EPS系统助力特性分析

4．2．1 助力特性分析

4．2．2 阻尼特性分析

4．2．3 回正特性分析

4．3 基于PMSM的EPS系统仿真分析

4．3．1 基于PMSM的EPS系统动力学建模

4．3．2 基于SVPWM的PMSM直接转矩控制

4．3．3 EPS系统动态仿真及结果对比

4．4 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文和取得的学术成果