直流无刷电机与汽车电动助力转向系统的匹配设计研究

摘 要 介绍汽车电动助力转向（EPS）系统的结构与工作原理，对适用于EPS系统的直流无刷电机进行了研究，在助力电机的定转子结构、绕组相数及连接方式、减速结构与减速比、电机的基本参数和驱动方式等几个方面与EPS系统的需求进行了匹配设计。通过该匹配设计，使直流无刷电机提供助力的EPS系统能获得最佳的转向助力特性和路感，满足人们对驾驶的舒适性、经济性和安全性的要求。

关键词 直流无刷电机；电动助力转向；匹配设计

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0014-03

随着汽车产业的迅猛发展，人们对行车安全、能源消耗、环境污染等问题越来越重视。EPS系统因具有节能、环保、良好的助力特性和路感等诸多优点[1]，应用前景广阔。在助力电机选择上，由于直流有刷电机技术成熟，控制器简单，成本低，EPS系统在早期普遍采用直流有刷电机。随着电子技术的发展，采用电子换向的直流无刷电机优越性逐渐突出，国外也开发了以直流无刷电机作为助力电机的EPS系统，并已有成品装车销售。国内也对直流无刷电机助力的EPS系统展开了研究，但技术并不成熟，目前还处于研发阶段[2]。因此，本文对直流无刷电机与EPS系统的匹配展开研究，为进一步开发直流无刷电机助力的EPS系统提供技术支持。

1 EPS系统结构组成与工作原理

EPS系统是在机械转向系统基础上发展而来，增加了一套电控系统与执行机构来辅助驾驶员进行转向，主要由转矩传感器、电流传感器、助力电机、离合器、减速机构、传动轴及机械转向器等组成，如图1所示。

图1 EPS系统结构图

基本工作原理：当驾驶员操纵转向盘转向时，传感器将检测到的信号（主要有转向盘转矩信号、车速信号和电流信号）送给电控单元，电控单元根据这些信号判断汽车当前行驶工况，确定助力转矩大小和方向，并发出控制指令驱动助力电机产生目标转矩，由电流传感器信号进行转矩的闭环控制，助力转矩经减速机构传递给输出轴，进行转向助力。

2 EPS系统对助力电机的要求

助力电机是EPS系统实现助力作用的关键执行部件，根据不同工况，电机有不同的工作状态，包括起动、停止、正反转助力、制动等。因此，EPS系统对其有一定的特性要求，一般要满足电机转动惯量小、助力转矩大、转矩波动小、噪声低、可靠性高及功率密度大等。直流无刷电机采用电子换向，噪声低，维护少，功率密度大，满足EPS系统需求。

直流无刷电机在驱动模式上有正弦波驱动和方波驱动两

种[3]，正弦波驱动的无刷电机具有交流同步电机的特性，转矩波动小，但是电机结构复杂，对主转子位置传感器的分辨率要求较高，控制方式复杂。方波驱动的无刷电机具有直流电机的运行特性，输出转矩大，电机的换向只需要离散的转子位置信息，对位置传感器的要求低，电流环结构简单，控制起来方便，因此，在开发EPS系统时，可以选用方波驱动的直流无刷电机。

3 直流无刷助力电机的匹配设计

3.1 助力电机结构匹配设计

直流无刷电机在定转子结构上与有刷电机不同，无刷电机定子为多相绕组，转子为永磁体。一般定子绕组越多，转矩脉动会越小，但是电机结构也会复杂，且不易控制，成本增加，实际应用中多为三相绕组。转子多为永磁材料制成的具有一定磁极对数的永磁体，磁极在转子上的处理一般有表贴式和内嵌式两种[4]，如图2所示。表贴式转子结构的电枢反应对气隙主磁场的影响较弱，由电枢反应引起的转矩波动也较小，而且结构简单，成本低，但内嵌式转子结构对气隙主磁场的影响较大，相对引起的转矩波动也大，对EPS系统来说，转矩波动越小越好，这样才能减小振动和噪声，增强路感。因此，表贴式转子结构可应用在直流无刷助力电机上。

直流无刷电机的定子机械结构为齿槽，用来放置绕组，根据每极每相的槽数不同，有整数槽绕组和分数槽绕组两种。整数槽绕组制造复杂、绕组电感大，电枢反应磁动势含有大量谐波，会引起转子涡流损耗和噪声[5]，在过去较多采用。分数槽绕组可以降低齿槽效应引起的阻力矩，改善电机性能，而且生产方便、电机体积小，更适合开发EPS系统用直流无刷助力电机。

直流无刷电机在绕组连接方式上根据相数不同而有多种方式。对于常用的三相绕组来说有星形接法和角形接法两种，由于角形接法有3次谐波环流，会增加损耗，所以直流无刷电机定子绕组多用星形接法。

3.2 助力电机减速机构匹配设计

减速机构是用来减速增扭的，放大助力电机的输出转矩。EPS系统的助力电机减速机构一般有蜗轮蜗杆式和行星齿轮

式[6]。蜗轮蜗杆式的减速机构传动比大，结构简单，体积小，目前EPS系统的助力电机多用这种减速机构。行星齿轮式的减速机构比较复杂，成本高，用的是双排行星齿轮结构实现逆传动，这种减速结构在集成主动转向功能的EPS系统中可以发挥其优越性能。

减速机构减速比的选择，一般要和助力电机的参数进行匹配，包括电机额定转速、额定转矩等。减速比过大，当转向盘快速转向时，为了跟上转向速度，电机的转速也必须提高，这一方面对电机要求较高，另一方面减速机构的尺寸也会加大；减速比过小，增扭小，当需要较大的转向助力转矩时，电机必须能提供较大的转矩，这使得电机尺寸和绕组结构的设计成本就会增加。

3.3 助力电机基本参数匹配设计

3.3.1 助力电机最大输出转矩

汽车EPS系统依靠助力电机来提供转向助力，助力转矩的大小和方向是根据驾驶员给予转向盘的转矩和车速信号来确定的。转向盘转矩越大，电机提供的助力转矩也越大，汽车在原地转向时具有最大的转向阻力矩，这个转向阻力矩的最大值与整车的性能参数有关，直流无刷电机的最大输出转矩的大小需参照最大转向阻力矩来匹配。

原地转向阻力矩可按经验公式计算[7]：

（1）

式中：Trmax为最大原地转向阻力矩，N・m；f为轮胎与路面的滑动摩擦系数，一般取0.7；G为前轴负荷，N；P为轮胎气压，Pa。

转向盘最大转矩可按下式计算：

（2）

式中：Tdmax为转向盘最大转矩，N・m；Fdmax为转向盘最大切向力，N；Rd为转向盘半径，m。

根据转向条件及EPS系统结构，助力电机的最大输出转矩可按下式计算（该公式适用于转向轴助力式）：

（3）

式中：Tmmax为直流无刷电机最大输出转矩，N・m；gm为电机减速机构传动比；ηm为电机及减速机构的传动效率；gr为齿轮齿条机械转向器传动比，mm/rad；ηr为机械转向器正向传动效率；gt为从转向横拉杆到转向轮主销之间的传动比，rad/mm。

3.3.2 助力电机最大转速

对于EPS系统，当驾驶员快速转动转向盘（比如急转向工况）时，电机不但要提供合适的助力转矩，而且电机转速也要能跟上转向盘的转速才可以。助力电机的最大转速可按下式

计算：

（4）

式中：nmax为电机最大转速；ndmax为转向盘最大转速。

3.3.3 助力电机最大功率

电机输出功率为电机轴头输出的机械功率，助力电机最大功率可按下式计算：

（5）

式中：Pmax为助力电机最大功率。

3.4 助力电机驱动方式匹配设计

直流无刷电机采用电子换向，带位置传感器的直流无刷电机中，用位置传感器检测主转子相对于定子绕组的位置，控制器利用该位置信号确定换向时刻，并控制功率开关管的导通和截止，在定子电枢绕组中形成步进式的旋转磁场，驱动转子旋转。三相无刷直流电机中，常用的驱动方式有半桥驱动和全桥驱动，如图3所示。半桥驱动方式所用的功率开关管少，状态数少，转矩波动大，这种方式不适合EPS系统助力电机的驱动。对于三相星接绕组，最优的方式是采用全桥驱动，需六个开关管组成逆变桥，如果转子一对磁极，有三个位置传感器，则转子每转一圈的过程中，有六个换向点，每个状态持续60°电角度，整体上电流波动小，转矩波动也低，满足EPS系统的要求。

（a）半桥驱动 （b）全桥驱动

图3 电桥驱动方式

在通电方式上，有二二导通和三三导通，二二导通方式，每一状态只有两相绕组通电，每个开关管持续导通120°电角度；三三导通方式，每一状态三相绕组均通电，每个开关管持续导通180°电角度，相比之下三三导通的开关管损耗较多，因此，二二导通方式可作为直流无刷助力电机的通电方式。

（a）H_PWM-L_ON （b）H_ON-L_PWM

（c）PWM_ON （d）ON_PWM

图4 半桥调制方式

在PWM调制方式上，通常有全桥调制和半桥调制两种[8]。全桥调制在每一通电状态下对逆变桥的上下管均采用PWM控制，半桥调制只对上管或下管采用PWM控制。全桥调制相对于半桥调制，其开关管的损耗增加了一倍，并且转矩波动也大，实际中较少采用。半桥调制方式一般有四种，即上管PWM控制下管常开（H_PWM-L_ON）方式、上管常开下管PWM控制（H_ON-L_PWM）方式、在120°电角度导通期间内前60°PWM控制后60°常开（PWM_ON）方式、在120°电角度导通期间内前60°常开后60°PWM控制（ON_PWM）方式，如图4所示。在这四种调制方式中，PWM_ON方式的换向转矩波动最低[9]，该控制方式作用于EPS系统的直流无刷助力电机，可获得良好的助力特性和路感，但控制起来略有复杂。实际上，H_PWM-L_ON方式的转矩波动较小，控制也方便，在初期开发时可以采用。

4 总结

为了较好地实现助力电机转矩波动小、助力特性平滑、运行稳定的目标，通过对直流无刷电机与EPS系统进行匹配设计，得出了以下结论。

1）直流无刷电机在结构上定子易采用分数槽绕组，绕组星形连接，转子磁极采用表贴式。

2）减速机构上可以采用蜗轮蜗杆式，减速比需和电机基本参数进行匹配。

3）总结了电机基本参数的匹配计算公式。

4）驱动方式上可以选择三相全桥驱动，二二导通，PWM_ON调制方式。

基金项目

天津市科技支撑计划项目（12ZCZDGX04400）；

天津职业技术师范大学研究生创新基金资助项目（YC13-16）。

参考文献

[1]申荣卫，林逸，台晓虹，施国标.电动助力转向系统建模与补偿控制策略[J].农业机械学报，2007，38（7）：5-9.

[2]胡培俊.电动助力转向电机的应用[J].汽车电器，2014（2）：42-44.

[3]汤蕴，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]谢卫.控制电机[M].北京：中国电力出版社，2008.

[5]谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]申荣卫，台晓虹，赵剑锋，施国标.纯电动客车电动助力转向系统匹配设计理论研究[J].拖拉机与农用运输车，2009，36（4）：63-68.

[7]韩炯刚，申荣卫，邰晓虹，何泽刚，蒋平.混合动力客车电动助力转向系统设计与仿真研究[J].现代制造工程，2014（1）：49-53.

[8]孙立军，孙雷，张春喜，等.无刷直流电机PWM调制方式研究[J].哈尔滨理工大学学报，2006，11（2）：120-123.

[9]齐蓉，周素莹，林辉，等.无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究[J].微电机，2006，39（1）：58-98.

作者简介

何泽刚（1981-），男，硕士研究生，研究方向：汽车电子控制技术。

申荣卫（1971-），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向：汽车新能源与电子控制技术。