CN101332832A - 汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法，依次按如下步骤：(1)通过传感器检测到转向系统的最大转向阻力矩、最大转向盘转矩、转向器角传动比、电动机减速机构的传动比和转向器正向传动效率，确定电动机的额定输出转矩；(2)根据设定的转向盘最大转速和电动机减速机构的传动比确定电动机的额定转速；(3)计算电动机的负载功率和预选电动机的额定功率P_N＞100W，(4)对电动机先进行过热验算后再进行过载验算；(5)选择脉宽调制频率为2～20kHz；本发明对保证转向系统的可靠运行、满足转向性能和实现转向操纵安全以及对指导汽车电动助力转向系统的总体设计、功能的增强和优化都具有重要的工程应用价值。

Description

汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法

技术领域

本发明涉及汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法，用于汽车电动助力转向电动机的转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算和PWM驱动频率匹配。

背景技术

当前，随着微电子技术的发展及人们对车辆操纵稳定性和安全、环保、节能要求的日益提高，汽车电动助力转向(EPS)系统已成为世界汽车零部件行业开发研制的重点，是现代汽车转向系统的发展方向。EPS系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统。由于汽车电动助力转向系统直接依靠电动机来提供助力，电动机的性能及其与EPS系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要因素，因此改善电动机的性能及其与整个EPS系统的匹配是关键问题，尤其是电动机的转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算、PWM驱动频率匹配等是电动机可靠运行的关键技术。目前，虽然汽车安全性能进一步得到提高、汽车电动助力转向系统功能进一步完善，但还未见有专门用于汽车电动助力转向系统电动机的匹配设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷：提供了一种专门用于指导汽车电动助力转向电动机匹配设计的方法。

本发明采用的技术方案是：包括电动机的转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算、PWM驱动频率匹配设计方法，其特征是依次按如下步骤：

(1)通过传感器检测到转向系统的最大转向阻力矩、最大转向盘转矩、转向器角传动比、电动机减速机构的传动比和转向器正向传动效率，确定电动机的额定输出转矩；

(2)根据设定的转向盘最大转速和电动机减速机构的传动比确定电动机的额定转速；

(3)计算电动机的负载功率和预选电动机的额定功率P_N＞100W，

(4)对电动机先进行过热验算后再进行过载验算；

(5)选择脉宽调制频率为2～20kHz。

本发明对汽车电动助力转向电动机进行转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算和PWM驱动频率匹配，对保证转向系统的可靠运行、满足转向性能和实现转向操纵安全以及对指导汽车电动助力转向系统的总体设计、功能的增强和优化都具有重要的工程应用价值，

附图说明

图1为本发明的流程图；

图中：τ_N.电动机的额定输出转矩；τ_max.最大转向阻力矩；τ_dmax.设定的最大转向盘转矩；g_w.转向器角传动比；g_m.电动机减速机构的传动比；η.转向器的正向传动效率；ω_max.电动机的最大转速；ω_N.电动机的额定转速；ω_dmax.设定的转向盘最大转速。λ.考虑电动机、减速器等的功率系数，一般取λ＝1.2～2.5；t_g.电动机的短时工作时间；T.电动机的发热时间常数；α.电动机额定运行时不变损耗与可变损耗的比值；t₁，t₂，…，t_n.时间间隔；τ₁，τ₂，…，τ_n.在时间间隔内的负载转矩；P_N.电动机的额定功率，P_eq.由等效转矩τ_eq换算的电动机功率，P_eq＝τ_eq·ω_N；τ_∑max.电动机工作中所承受的最大负载转矩；λ_m.电动机的过载倍数。

具体实施方式

如图1所示，本发明汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法，主要包括电动机的转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算和PWM驱动频率匹配。首先，依据转向系统的最大转向阻力矩τ_max、最大转向盘转矩τ_dmax、转向器角传动比g_w、电动机减速机构的传动比g_m和转向器正向传动效率η确定电动机的额定输出转矩τ_N。其次，根据设定的转向盘最大转速ω_dmax和电动机减速机构的传动比g_m确定电动机的额定转速ω_N。再次，初选电动机的功率)P_N，并分别进行过热验算和过载验算。最后，考虑PWM的驱动频率与机械系统的固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响、对人的噪声影响及开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响来选择脉宽调制频率。

上述电动机匹配设计的具体方式如下：

(1)电动机的转矩匹配：

电动助力转向系统作为电机拖动系统，假设其固有参数及所受负载等效换算到电动机输出轴上的总负载转矩为τ_∑，考虑机械的总传递效率为η，有τ_∑′＝τ_∑/η。要保证EPS系统的可靠工作，应有

τ_N＞τ_∑′

对于转向轴助力式电动助力转向系统，该值主要取决于汽车在原地转向时的转向阻力矩，即取决于前轴荷的大小。因此，有

${\mathrm{\τ}}_N>\frac{{\mathrm{\τ}}_{\max }-{\mathrm{\τ}}_{d\max }{g}_w\mathrm{\η}}{g_w{g}_m\mathrm{\η}}$

g_w越大，转向轻便性越好，但是转向灵敏度变差；g_m越大，τ_N越小，有利于减小电动机的尺寸和制造成本，但要求的电动机转速越高，引起电动机的力矩波动。电动机的输出转矩还要与前轴荷、减速机构和转向系传动比等相匹配。

(2)电动机的转速匹配：

要获得最大的工作效率，电动机应尽量工作在最大转速一半的状态，即

${\mathrm{\ω}}_N=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{\max }$

对于转向轴助力式电动助力转向系统，为满足一定转速范围内的转向轻便性要求，电动机的转速应满足

ω_N＞ω_dmax·g_m

电动机减速机构的减速比对电动机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能；减速比还影响减速机构的尺寸、布置空间、传动效率等。

(3)电动机的功率匹配及验算：

选择电动机额定功率分为三步：计算电动机的负载功率、预选电动机、电动机的过热验算和过载验算。由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。匹配选择时，应综合考虑各种不同负载情况，选择略大的电动机功率。

电动机的负载功率要根据具体的电动助力转向机构负载功率及效率来进行计算，是选择电动机额定功率的依据。电动机的负载功率可采用下式来估算

P_est＝τ·ω·λ

根据上式，电动机的负载功率可为

$\max \left(P_{\mathrm{est}}\right)=\frac{u^2}{4R}\·\mathrm{\λ}$

考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率应满足

P_N≥max(P_est)

此时，可同时满足电动机的短时工作制运行工况，即

$P_N\≥\max \left(P_{\mathrm{est}}\right)\sqrt{\frac{1-e^{-t_g/T}}{1+{\mathrm{\αe}}^{-t_g/T}}}$

对电动机的功率进行估算后，要进行过热验算和过载验算：

对电动机的功率进行估算后，首先进行过热验算。由于电动机的工作负载是时刻变化的，过热验算可采用平均损耗法、等效电流法、等效转矩法、等效功率法等。本发明采用等效转矩法，是在电动机的工作过程中，其转矩与电流成正比(励磁磁通Φ近似不变)的情况下，电动机的等效转矩为

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{eq}}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{\τ}}_1}^2{t}_1+{{\mathrm{\τ}}_2}^2{t}_2+\·\·\·{{\mathrm{\τ}}_n}^2{t}_n}{t_1+t_2+\·\·\·t_n}}$

则电动机不过热的条件为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_N\≥{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{eq}}\\ P_N\≥P_{\mathrm{eq}}\end{array}\right.$

预选电动机并且通过过热验算以后，还要进行过载验算。过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。电动机的过载能力可按以下条件验算

τ_∑max≤λ_mτ_N

若预选的电动机过载能力不够，则要重选电动机及额定功率，直到满足要求为止。

(4)电动机的驱动频率匹配：

电动机端电压由脉宽调制(PWM)方式获得，脉宽调制的频率对EPS系统的工作具有重要的影响。PWM的驱动频率要与机械系统的固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响及对人的噪声影响；同时要考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。因此，PWM驱动频率要和机械系统的固有频率及对人的噪声影响匹配。

EPS电动机的端电压是由脉宽调制的方式产生的，因此PWM频率对系统的稳定工作具有重要的影响。机械系统的固有频率一般低于100Hz，应该使PWM周期远远小于机械系统的固有时间常数，选择PWM频率可为2～20kHz，这在大多数情况下不会影响机械系统的正常工作。

由于电动机的转子绕组中存在电感，如果T_e＝L/R远远大于PWM周期，电动机电枢电流是非常平滑的，起到了低通滤波器的作用，滤除了输入电压在开关管开通与关断过程中引起的纹波；但当T_e＝L/R相对于PWM周期比较小时，电枢电流因开关管开通与关断引起的纹波就比较明显，引起电动机转动中的振荡，降低驾驶员操纵转向盘的手感。

随着PWM频率的提高，电动机电枢电流更加平滑，且容易使电流连续；同时，高的PWM频率会减弱噪声影响，当调制频率超过15kHz时，对人的噪声影响消失，但高的PWM频率也会引起开关管发热增加、电磁干扰严重、对电磁兼容性的要求提高等不利影响。

综合考虑PWM频率对机械系统固有频率的影响和电枢电流的平滑要求，多次选取比较，选择合适的PWM频率。

以下是本发明的1个实施例：

依据上述方法及流程，设计某微型轿车的EPS系统，其助力系统为转向轴助力式，助力电动机采用直流永磁有刷电动机。首先，通过做出汽车在原地转向时的转向盘力矩与转角的关系曲线，得到τ_max/g_w＝18.5N·m；已知电动机减速机构的传动比g_m＝16.5，转向器的正向传动效率η＝80％；为了兼顾驾驶员的操纵手感，转向系统开始助力时的转向盘输入力矩τ_d0＝1N·m，转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩τ_dmax＝6N·m，有τ_N＞1.04N·m。其次，设定转向盘转速在0～30r/min范围内转向轻便，有ω_N＞500r/min，同时兼顾对电动机转矩的影响。再次，初选电动机的功率为P_N＞100W，并分别进行过热验算和过载验算。最后，考虑PWM的驱动频率与机械系统的固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响、对人的噪声影响及开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响，选择调制频率为16kHz。所设计的直流电动机的规格如下表1所示：

表1

Claims (1)

1、一种汽车电动助力转向电动机的匹配设计方法，包括电动机的转矩匹配、转速匹配、功率匹配及验算、PWM驱动频率匹配设计方法，其特征是依次按如下步骤：

(1)通过传感器检测到转向系统的最大转向阻力矩(τ_max)、最大转向盘转矩(τ_dmax)、转向器角传动比(g_w)、电动机减速机构的传动比(g_m)和转向器正向传动效率(η)，确定电动机的额定输出转矩(τ_N)；

(2)根据设定的转向盘最大转速(ω_dmax)和电动机减速机构的传动比(g_m)确定电动机的额定转速(ω_N)；

(3)计算电动机的负载功率和预选电动机的额定功率P_N＞100W；

(4)对电动机先进行过热验算后再进行过载验算；

(5)选择脉宽调制频率为2～20kHz。

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