CN101780811A - 一种汽车助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车助力转向系统，所述系统包括电机和用于控制电机的驱动控制器，所述驱动控制器包括用于为每个相位的线圈生成相应的励磁相位电流指令的励磁相位电流指令信号发生器和用于通过回路中由励磁相位电流指令引起的反馈电流来控制每个相位线圈的励磁电流的励磁电流控制器。所述电机包括电机线束总线和用于电机的主线相互连接的环形导体，所述环形导体直径递减且安置在同一平面内。所述电机是三相位永磁电机或者是无刷直流电机。该设计电机尺寸小且结构更加紧凑；结合上述驱动控制策略可以实现在低转矩负荷时能够降低转矩波动，并且能够使用方波驱动，成本较低且无电机卡死现象。

Description

一种汽车助力转向系统

技术领域

本发明涉及一种汽车转向系统，尤其是一种低转矩波动的汽车助力转向系统。

背景技术

通常为了获得较高的装配效率，绕组母线被用于连接定子铁芯绕组线圈。绕组母线之所以被使用，是因为它具有高的连接效率，并且制造简单，可以通过冲压铜板得到。

首先介绍机械构造，如图1所示，对于U相位，线圈101-U和102-U的一端连接到U相位的环形母线1-U上，另一端连接到N相位的环形母线1-N上。同样，对于V相位，线圈101-V和102-V的一端连接到V相位的环形母线1-V上，另一端连接到N相位的环形母线1-N上。W相位的连接方法也是如此。

电机驱动的电气连接如图2所示，通过一个包含直流电源和开关SU、SV、SW、SX、SY、SZ的转换器产生三相电流，转换器在电线YU、YV、YW与定子1000的线圈101-U、102-U、101-V、102-V、101-W和102-W连接后把三相电流输入到线圈中。电流由YU、YV和YW输送到母线，然后进入线圈。以U相位为例说明，U相位的电流通过YU到达U相位环形母线1-U的端子31-U，或U相环形母线1-U的端子32-U，电流从端子31-U传递到线圈101-U，或从端子32-U传递到线圈102-U，电流通过线圈101-U和线圈102-U后回到母线1-N。然后再从端子1-N开始进入V相位线圈101-V、102-V和W相位线圈101-W、102-W。101-V、102-V中的电流通过母线1-V的端子31-V和32-V在母线1-V处汇合，再从端子33-V处流回YV，最后进入直流电源。同样W相位的线圈电流通过母线1-W流回直流电源。三相电流分别通过U相、V相、W相线圈，产生旋转磁场驱动转子旋转，从而驱动电机。

传统的电机设计中，在使用环形母线，由于结构问题很难减小尺寸。如图3所示，该结构中环形母线的迭片1-U、1-V、1-W、和1-N，它们的厚度将是单一母线厚度的4倍，因此很难减小电机尺寸。

同时在电机环形母线制造时也会遇到如下问题：由于环形导体是冲压制成的，因此冲压剩余的材料将不可避免地被浪费。

如图11所示是一种传统永磁电机。定子铁芯由12个齿203，正对永磁铁201，圆周均匀布置，齿槽之间缠绕线圈，齿203被圆箍紧紧包住，构成定子202，调整流入定子202的线圈的电流，可以产生旋转磁场。

由上可以看出，传统永磁电机采用邻极缠线的方式，每个齿槽中都有两组线圈，因此每个相位就会有四组线圈，传统永磁电机的磁极的交界线都与定子齿宽的交界线重合。磁极交界线与齿宽的交界线重合的次数越多，磁场相位变化的重合次数就越多，因此磁场变化次数增加而导致磁阻转矩增大。

在转向系统中，电机产生的驱动力经过减速增扭装置传给转向轴。图4所示转向盘101的转向轴102经过减速齿轮103，万向节104a和104b，齿轮齿条机构105，连接到转向拉杆106上。转向轴102包括扭矩转矩传感器107，测量轴101转向盘的操纵力矩，电机108为转向系统提供助力，电动转向系统要求具有很高的可靠性，因此在电动转向工作时电机卡死是不允许的。

图5为电机卡死现象。如果杂质50，从开口处进入转子9和齿槽11的空隙中，就会有锁死转子的可能性。防止转子锁死的一种方法是采用分开式铁芯，这样在电机内部相邻齿槽的表面就会结合在一起。但是这样会增加漏磁通，从而减小了无刷直流电机的转矩，降低电机功率输出，并增大感应电压的波动，进而增大转矩波动。另一种防锁死的方法是在定子铁芯邻近的开口内填充树脂，但是增加了制造成本。

一般地，无刷电机作为电动转向系统的执行器，由方波励磁电流驱动。

以五相位的无刷电机为例，电机驱动电路通过激励转子五个相位的线圈(方波电流相位差间隔72°)使转子旋转，线圈中电流的相位连续发生变化，在控制器的控制下，同时激励四个相位，电机中的电流通过相对应的四个相位，各激励线圈的阻抗一致以保持良好的平衡性。

无刷直流电机相对于永磁同步电机，一般工作在较低转速，较低转矩负荷的范围内。在低转矩载荷时通常可以通过削弱磁场来增大转速，然而，这样虽然可以提高电机转速，但在负荷发生变化时电机就会出现较强转矩波动而产生噪音。

对于永磁同步电机，也可以通过削弱磁场，在低转矩负荷时达到增大转速的目的。然而，在减小体积和增大输出功率的方面的优势不及无刷直流电机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低转矩负荷时增大输出转速并能够降低转矩波动，结构紧凑，成本较低，且无卡死现象的汽车助力转向系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种汽车助力转向系统，所述系统包括电机和用于控制电机的驱动控制器，所述驱动控制器包括用于为每个相位的线圈生成相应的励磁相位电流指令的励磁相位电流指令信号发生器和用于通过回路中由励磁相位电流指令引起的反馈电流来控制每个相位线圈的励磁电流的励磁电流控制器。励磁相位电流指令信号发生器提前励磁相位电流指令信号的电位角。

为了使驱动控制器能够更好的控制电机的运动，所述信号发生器(401)接收到从外部电路传来的电机电流指令信号Iref和从转子位置检测器(404)传来的转子位置信号RP，然后对信号进行分析后产生各个相位的励磁电流(iaref，ibref，icref)。

为了使电机高度减小，结构紧凑，所述电机包括电机线束总线和用于电机的主线相互连接的环形导体，所述环形导体直径递减且安置在同一平面内。

为了使电机的体积能够很小，至少有一块环形导体是由片状环体组成的。

为了使环形导体不能够互相接触而导致电路短路破坏电路功能，至少有一块环形导体表面覆有绝缘漆。

为了解决磁极的交界线和齿宽的交界线重合，造成的磁阻转矩变大的问题，所述电机采用由方波电流驱动的三相位永磁电机，并且S/(2mp)＝1；其中，S为齿槽的个数，m为上述点击相位的个数，且有p≥2，2p为电机磁极的个数，当p为偶数时，齿宽的类型个数设计为3个；当p为奇数时，齿宽类型的个数设计为4个。定子线圈采用隔极绕线的方式，一个齿槽中只有一个线圈，因此，线圈中感应电压的相位一致。

为了避免汽车转向系统在使用过程中突然卡死，确保系统的安全性，所述电机采用无刷直流电机，并且齿槽开口宽度S和电子铁芯与转子间隙宽度G之间的关系限制为：α*G＜S，α由电机的转矩常量或感应电压中的波动成分确定。

本发明的有益效果是：1.环形导体直径递减且安置在同一平面内，以减小电机尺寸，结构更加紧凑，占用更小的空间发挥更大的效率；2.通过采用三相位永磁电机和直流无刷电机及相应的驱动控制策略，使得在低转矩负荷时增大输出转速并能够降低转矩波动，并且能够使用方波驱动，成本较低且无电机卡死现象。

附图说明

图1.电机绕组母线定子铁芯线圈的连线方式；

图2.绕组电路原理图；

图3.传统电机绕组的装配图；

图4.电动转向系统机械原理图；

图5.无刷直流电机的结构图，(A)为纵向截面图，(B)为横向截面图；

图6.电机绕组母线的一种装配图；

图7.电机绕组母线的另一种装配图，(A)为透视图，(B)为平面图；

图8.由矩形金属板变形制成的绕组母线，(A)为矩形金属板示意图，(B)为绕组母线；

图9.由圆筒状金属制成的绕组母线；

图10.永磁电机的一种横截面图，包括4个磁极，12个齿槽；

图11.传统永磁电机(4磁极12齿槽分布式线圈)的横截面图；

图12.一种无刷直流电机的转子和定子的剖视图；

图13.无刷电机驱动控制器的结构框图；

图14.励磁电流指令信号发生器的输入输出示意图。

1000：定子  51、52：铁芯  101、102：线圈  1：环形母线  2：环形导体31、32、33、34：端子  101：转向盘  102：转向轴  103：减速齿轮104a、104b：万向节  105：齿轮齿条机构  106：转向拉杆107：括扭矩转矩传感器  108：电机  9：转子  9-1：永磁铁  10：定子11：齿  12：铁芯  13：齿槽  14：线圈  50：杂质  500：矩形条状铜板600：铜制圆筒  200：转子  201：环形永磁铁  202：定子  203：齿400：驱动控制器  401：相位励磁电流指令信号发生器  402：相位电流控制器403：电机驱动回路  404：转子位置监测器  410：三相无刷电机

具体实施方式

如图10所示为本专利中电机的第一种型式，环形导体2-U，2-V，2-W和2-N制作成不同的直径，环形导体的直径以递减的方式变化，突出的接线端31-U，31-V，31-W，31-N等可以安装在外围。然后将母线1-U，1-V，1-W，和1-N平面共心安装，像图1和图2中所示连接在一起。这种型式不再需要一系列的环形母线，从而显著地削减了高度，此种型式的总线的高度仅为图3所示的传统电机中所使用的一组总线的高度的1/4，高度的缩减有助于获得紧凑的电机结构。

绕线一般情况下不是一个而是多个，由于它们安装位置比较接近，因此，他们可能会互相接触，接触会导致电路短接而破坏了电机功能。考虑至此，需要在绕线之间的空隙中增加了绝缘材料，但这样会降低(装配)工作效率。因此，在环形导体外层使用一种绝缘材料，可以有效地防止短路现象的发生，即使总线互相接触在一起。这样，提高了装配效率并且消除了无用的空间，减小电机的尺寸。

如图8(A)所示矩形条状铜板500，作为环形导体的原材料，进行卷曲变形为环形，即成为环形导体2。环形导体2上有突出端31，32和33，将来与绕组线圈100-U和101-U以及YU连接。环形导体加上突起端组成了母线1，如图8(B)所示。此外，环形导体也可不必由一块矩形铜板制造，参考图9，可以由一个铜制圆筒600切片得到环形导体2，突起端31，32，33被贴在环形导体2上，完成母线的制作。这两种方法，材料得到了充分利用，而不像冲压制造那样造成材料的大量浪费。

接下来将对本专利中的永磁电机进行介绍。在下面的叙述中，齿宽角度的意思是相邻的两个齿槽开口中点间的角度。

如图10所示为专利中的4极，12齿槽，分布式线圈的永磁电机的剖视图。如图所示，环形永磁铁201包括四个磁极，90°间隔均布于圆周，组成转子200。定子铁芯由12个齿203，正对永磁铁201，圆周布置，齿槽之间缠绕线圈，齿203被圆箍紧紧包住，构成定子202。调整流入定子202的线圈的电流，可以产生旋转磁场。永磁电机的4个磁极布置的顺序为N，S，N，S.定子的12个齿203同样被布置。齿203的齿宽大小有一个周期，这个周期在方程(1)和方程(2)中表述；

当p为偶数时：

齿宽周期＝360/S*4；--------------(1)

当p为奇数时：

齿宽周期＝360/S*6；--------------(2)

其中，S为齿槽的个数，2p为磁极的个数。

总之，在这种型式的电机中，360/12*4＝120，因此齿203的齿宽周期为120°，这种型式的电机有3个齿宽周期。齿宽T1，T2，T3，T4组成一个齿宽周期，齿宽T5，T6，T7，T8组成另一个齿宽周期，齿宽T9，T10，T11，T12也组成一个齿宽周期。本专利中的这种4磁极12齿槽，分布式线圈的永磁电机，它的齿宽大小的周期为120°，而两磁极间的相位差为90°，这就达到了降低磁阻转矩的目的。

图10中的这种4磁极12齿槽，分布式线圈的永磁电机，齿宽类型的个数：当P为偶数时，齿宽类型个数为3个，挡P为奇数时，齿宽类型的个数设计为4个。为了统一，奇数齿的齿宽设计为相等，而偶数齿的齿宽不相等。

线圈U1和U2之间的相位差计算如下方程所示：

相位差(U1，U2)＝T2/2+T3+T4+T5+T6+T7+T8/2＝1.5*(T1+T2+T3+T4)＝180°

由方程得出，线圈U1和U2的相位差为180°M，即360°电位角，因此由线圈U1和U2产生的感应电压相位相同。通过设置线圈的匝数，使T1＞T2，T1＞T4，，以增加力矩常量。

图10中的这种4磁极12齿槽，分布式线圈的永磁电机，采用隔极绕线的方法，每个线圈缠绕一个齿槽，每个相位只有两组线圈。

如上所述，专利中的分布式线圈的永磁电机采用统一的齿宽设计方式和隔极绕线的方法，线圈中感应电压相位相同，不会增加力矩的波动。在这种电机中，齿宽角度的可选范围α与θ(均分时的齿宽角度)的关系，θ是等间距时的齿宽，且α为可用的齿宽角度，α范围如下：

a*θ≤α≤b*θ

其中，系数a，b由转矩常量和磁阻转矩的降低的比例确定。

以上为专利中对4磁极12齿槽分布式线圈的永磁电机的介绍，专利并不局限于这种电机，专利也可以应用于矩形方波驱动的，符合方程(S/(2mp)＝1)的三相位分布式线圈永磁电机。为统一所有的齿宽类型(P偶数时3种，P奇数时4种)，可以把偶数齿的齿宽设置为相等，奇数齿的齿宽不相等。

接下来将结合示意图对无刷直流电机进行详细描述。

如图12为专利中的无刷直流电机的横截面图，其组成与图5(B)相同。图12重要的一点不在于组成部件，而是部件的空间结构。具体点讲，介于齿11间的齿槽13的开口宽度S小于定子和转子间的距离G。满足S＜G时，外界杂质50，就不会因从齿槽13中掉入转子9和齿11的间隙中而卡住转子，因为，杂质的尺寸肯定小于齿槽开口的宽度，就更小于转子和定子的间隙，因此，杂质不会卡在定子和转子之间，也就不会卡死转子。

总之，间隙G越小，磁通量的利用率越高，从这点考虑，间隙G越小越好，然而，由于机械构造的限制，实际上要求的间隙G的大小为转子外径的1％～3％。然而，考虑到增强磁场的可靠性，间隙G的理想尺寸为0.6mm甚至更大。具体地讲，间隙G采用上面的尺寸，只要齿槽的开口宽度S小于间隙G，转子就不会因为齿槽里的杂质入侵而卡死。总之，这种设计可以避免电力转向系统在使用过程中突然卡死，确保了系统的安全性。

接下来介绍无刷直流电机的第二种型式。齿槽开度太小，由于漏通量减小了输出功率而降低了无刷直流电机的转矩常量，并且增大了感应电压的波动，而使转向的可操作性降低。因此，必须确定齿槽开度尺寸的下限。当齿槽开度尺寸变小时，齿与齿之间空隙也变小。在接近S＝20％G处出现折点，在这点处转矩常量迅速减小，并且波动成分迅速增大。即使磁通量能够覆盖区域A，但还是有一部分磁通量通过区域B漏通，因此通过区域A的有效磁通量减少。区域B的漏通量成为减小转矩常量，增大感应电压波动的影响因素。当齿槽开度S＜α*G(α为系数，G为转子与定子的间隙)，且减小时，感应电压的波动迅速增大。

确定系数α的方法是通过对电磁场的结构进行仿真计算得到。这是因为它与通过区域A的磁通量与由区域B产生的漏通量的比例有一定相关性。具体的讲，通过区域A和B的磁通量的比例取决于几个较复杂的影响因素，包括：电子铁芯12的制作材料相对于空气的导磁率，结构形状(包括定子铁芯12和齿11的形状)以及齿角突起部分的角度数。因此不能简单的通过一个方程就可以把这个磁通量的比例计算出来。而在实际中，这个值是通过计算机仿真计算出来的，考虑了定子铁芯12的材料及结构，和磁通密度(磁感应强度)等，然后进一步仿真得出系数α。当齿槽开度S接近转子与定子的间隙G的20％时，减小齿槽开度会使感应电压的波动迅速增大，转矩常量减小，而使转向的可操作性急剧降低。当齿槽开度S超过20％G，转矩常量不再变化，感应电压的波动也处于可接受的范围，电力转向的可操作性不再降低。在减小转矩常量时不会降低电机的输出功率，在减小电机转矩波动和防止电机转子卡死时不会降低助力转向的可操作性。不再需要分开的定子铁芯，相邻的齿的内侧也不必连在一起。并且不需要模具压铸成型，在较低成本的情况下有效地避免了电机的卡死。

现在介绍专利中首选的一种无刷电机驱动控制器。本专利仅以此类型的驱动控制器在三相位无刷电机上的应用为例进行讲述，但不是说此类型控制器仅局限于三相电机使用。励磁相位电流指令信号可以通过硬件获得也可以通过软件获得。在这种类型的控制器中采用了后者，由软件获得指令信号。

无刷电机驱动控制器400的组成，如图13，包括：相位励磁电流指令信号发生器401，相位电流控制器402，电机驱动回路403，转子位置监测器404。信号发生器有相应的产生信号的方法。相位电流控制器402和电机驱动回路403有相应的相位电流控制方法。

信号发生器401接收到从外部电路传来的电机电流指令信号Iref和从转子位置检测器404传来的转子位置信号RP，然后对信号进行分析后产生各个相位的励磁电流(iaref，ibref，icref)。相位电流控制器402每个相位的励磁电流，它可以通过励磁回路403由励磁信号引起感应电流中的两个相位的电流去监测第三个相位的电流。

电机驱动回路403由6个场效应晶体管组成，编号为T1--T6，其中的三个靠近电源端，三个靠近接地端。这样相应的两个晶体管串联在一起，T1-T2，T3-T4，和T5-T6，然后接到三相无刷电机410定子线圈的外端。晶体管T1--T6的门驱动信号GT1--GT6，由相位电流控制器通过相位电流指令信号发生器和转子位置检测器404测得的转子位置信号一并产生。

整流时间由转子位置信号得出，转子位置信号由检测器404传给相位电流指令信号发生器401。转子位置检测器404的组成部分：霍尔元件，分析器，编码器。

基于以上的构造，接下来将介绍电机在低载荷时如何实现高转速同时降低转矩波动。

1.通过增大励磁电流的相位角可以弱化磁场，从而达到提高转速的目的。

相位电流控制器402通过驱动回路403对信号发生器传来的励磁电流信号电流反馈控制，可以控制励磁电流。提前相位角实现一部分电流用于削弱磁场，另一部分电流用于产生转矩输出。这种削弱磁场的方法实质上是减少了总的磁通量，因为最大转速反比于总的磁通量，这种方法可以提高电机的转速。同时，通过整流控制可以降低转矩的波动。具体点说，相对于传统方波，整流控制减少了电流的变化，放缓了电流增长和衰减的速度。相位角提前的功能被添加进整流控制，从而实现了削弱磁场达到高转速，低转矩波动的目的。

2.通过提前梯形电流的相位角，削弱磁场以提高转速。

相位电流控制器402通过驱动回路403对信号发生器传来的励磁电流信号电流反馈控制，可以控制励磁电流。此时相对于方波信号梯形信号电流变化的速度慢了很多，因此，可以降低电机的转矩波动。

3.通过提前正弦电流信号的相位角，削弱磁场以提高转速。

削减电机转矩波动的方法与方法2相同。

图14所示励磁相位电流指令信号生成器401结合驱动电路403的励磁反馈电流，由电机的感应电动势波形，转矩值Tref，角速度ω，转子位置θ经分析后产生励磁相位电流指令信号。转子位置θ由转子位置检测器404检测出的位置信号RP，电机电流等进行估计得出。

Claims (8)

1.一种汽车助力转向系统，所述系统包括电机(108)和用于控制电机的驱动控制器(400)，其特征是：所述驱动控制器(400)包括用于为每个相位的线圈生成相应的励磁相位电流指令的励磁相位电流指令信号发生器(401)和用于通过回路中由励磁相位电流指令引起的反馈电流来控制每个相位线圈的励磁电流的励磁电流控制器(402)。

2.根据权利要求1所述的汽车助力转向系统，其特征是：所述信号发生器(401)接收到从外部电路传来的电机电流指令信号Iref和从转子位置检测器(404)传来的转子位置信号RP，然后对信号进行分析后产生各个相位的励磁电流(iaref，ibref，icref)。

3.根据权利要求1所述的汽车助力转向系统，其特征是：所述电机(108)包括电机线束总线和用于电机的主线相互连接的环形导体(2)，所述环形导体(2)直径递减且安置在同一平面内。

4.根据权利要求2所述的汽车助力转向系统，其特征是：至少有一块环形导体(2)是由片状环体组成的。

5.根据权利要求2所述的汽车助力转向系统，其特征是：至少有一块环形导体(2)表面覆有绝缘漆。

6.根据权利要求1所述的汽车助力转向系统，其特征是：所述电机(108)采用由方波电流驱动的三相位永磁电机，并且S/(2mp)＝1；其中，S为齿槽的个数，m为上述点击相位的个数，且有p≥2，2p为电机磁极的个数，当p为偶数时，齿宽的类型个数设计为3个；当p为奇数时，齿宽类型的个数设计为4个。

7.根据权利要求5所述的汽车助力转向系统，其特征是：所述电机(108)中的定子线圈采用隔极绕线的方式，一个齿槽中只有一个线圈。

8.根据权利要求1所述的汽车助力转向系统，其特征是：所述电机(108)采用无刷直流电机，并且齿槽开口宽度S和电子铁芯与转子间隙宽度G之间的关系限制为：α*G＜S，α由电机的转矩常量或感应电压中的波动成分确定。

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