基于PMSM电机的低成本电动助力转向系统优化控制与实现

摘要

汽车电动助力转向系统（EPS）是汽车完成运动方向助力辅助的核心器件，已广泛应用于高档汽车和电动汽车中，而EPS系统的控制核心在于对助力电机的控制，采用永磁同步电机（PMSM）作为助力电机的电动助力转向系统相比于传统的有刷直流助力电机系统具有更优异的转矩转速响应性能和较小的转矩脉动等优点成为EPS系统研究的热点，但PMSM电机应用于EPS系统的高性能控制中转子位置信息必不可少，因而常用价格昂贵的位置传感器元件来获取助力电机的转子实时位置信息，位置传感器的设置不仅增加了EPS系统的装配体积和系统成本，同时也增加了整个系统的故障率，因而研究基于无位置传感器的PMSM助力电机在EPS系统中的应用不仅具有科研意义同时具有广阔的市场前景。
　　本文围绕以构建低成本的无位置传感器的PMSM电机助力EPS高性能控制系统而展开，着力解决取消了位置传感器的EPS助力电机控制系统的转子位置和转速有效估算问题以及转矩脉动的优化控制问题，主要的研究工作有：
　　首先在充分研究了汽车EPS系统的原理的基础上，论述了现代PMSM电机矢量控制的数学原理和坐标变换原理，对EPS的智能控制转向上层和EPS核心控制下层助力电机控制层分别进行了研究和仿真，并在传统的PMSM电机的矢量控制基础上结合id?0的MTPA控制策略进行了优化控制，以此为基础引入滑模控制理论，针对PMSM电机在EPS系统的特定应用，对基于目标助力电流误差为零的理想滑模控制平面的滑模状态观测器的无传感器转子位置和速度信息估算的原理进行分析，通过采用饱和函数代替传统的开关切换函数的优化控制方法来削弱系统的抖震，为了验证控制策略的有效性，搭建了基于STM32嵌入式平台的实验硬件系统和并对相关软件模块进行了设计，对电机的启动、转矩脉动、转子位置和速度信息的提取进行了相关实验和波形分析，最后在基于十二扇区细分的SVPWM扇区细分的优化脉宽调制方法上构建EPS的ECU仿真模块，结合国内某电动汽车的实车参数构建基于本文优化控制的EPS的整车模型，相关横摆角响应和转矩响应曲线表明整个系统的转向稳定性能良好，电流环和转矩环、速度环等控制性能良好，初步达到设计初衷。