汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)選擇及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的創(chuàng)新，操控性能好，操作輕便，轉(zhuǎn)配迅速，消耗動(dòng)能少，燃油經(jīng)濟(jì)。分析比較了幾種常見(jiàn)的電動(dòng)助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了相應(yīng)的電機(jī)選擇原則，并進(jìn)一步做出了相應(yīng)的電機(jī)控制方案。關(guān)鍵詞：電機(jī)；助力；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；功率Abstract:electricpowersteeringsystemisonthetraditionalmechanicalsteeringsysteminnovation,controlgoodperformance,convenientoperation,ZhuanPeirapidly,lesskineticenergyconsumption,fueleconomy.Analysisandcomparisonofseveralcommonelectricpowersystemandtheadvantagesanddisadvantagesofthestructure,thecorrespondingmotorselectionprinciple,andfurthermakethecorrespondingmotorcontrolscheme.Keywords:motor;Power;Steeringsystem;power1.引言電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(ElectricPowerSteering)是在傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。與傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接通過(guò)電動(dòng)機(jī)的輸出給駕駛員提供助力，電動(dòng)機(jī)只有在轉(zhuǎn)向時(shí)才工作，在不進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)幾乎沒(méi)有動(dòng)力消耗，使汽車具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)具有輕型小巧，轉(zhuǎn)配迅速，易于調(diào)整，噪聲及廢油、廢氣污染小等優(yōu)點(diǎn)。本文參考已有的研究成果，在分析比較幾種常見(jiàn)電動(dòng)助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，給出了助力系統(tǒng)的電機(jī)選擇原則，并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的電機(jī)控制方案，這對(duì)于開(kāi)展電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究具有一定的參考價(jià)值。2電機(jī)選擇2.1電動(dòng)機(jī)布置位置選擇根據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置不同，EPS可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式3種。這3種方案各有特點(diǎn)，具體車型采用何種型式依據(jù)前軸的空間大小、前軸的軸荷、電動(dòng)機(jī)的特性等來(lái)確定。轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動(dòng)機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱上，并通過(guò)減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。該方案的助力輸入將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器傳遞，因此要求電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩相對(duì)?。浑妱?dòng)機(jī)常布置在駕駛室內(nèi)，工作環(huán)境較好，對(duì)密封要求低；但是安裝位置離駕駛員近，對(duì)電動(dòng)機(jī)的噪聲要求高，且其力矩波動(dòng)易直接傳到轉(zhuǎn)向盤上。齒輪助力式EPS的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪助力轉(zhuǎn)向。該方案的助力輸入也要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器傳遞，因此要求電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩也相對(duì)小;電動(dòng)機(jī)安裝位置在地板下方，工作環(huán)境差，對(duì)密封要求較高;其力矩波動(dòng)也易傳到轉(zhuǎn)向盤上。由于離駕駛員較遠(yuǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的噪聲要求相對(duì)較小。齒條助力式EPS的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與齒條相連，直接驅(qū)動(dòng)齒條助力轉(zhuǎn)向。該方案的助力輸入點(diǎn)在齒條上，要求電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩相對(duì)大；電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境差，對(duì)密封要求高;安裝位置離駕駛員較遠(yuǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的噪聲要求相對(duì)較小，且其力矩波動(dòng)不易傳到轉(zhuǎn)向盤上。2.2電動(dòng)機(jī)的力矩匹配汽車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩最大，該值主要取決于前軸荷的大小。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸助力式EPS，為了滿足動(dòng)力轉(zhuǎn)向的力隨動(dòng)要求，Tmmax需滿足下述條件：(1)式中，Tmmax為滿足轉(zhuǎn)向輕便性要求的電動(dòng)機(jī)最大輸出力矩;Tmax為最大轉(zhuǎn)向阻力矩;gp為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比;gm為電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。gp越大轉(zhuǎn)向越輕便，但靈敏度越差。以往沒(méi)有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，gp的選擇常常在轉(zhuǎn)向輕便性與靈敏度之間進(jìn)行折中，安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向后，可以更多地兼顧靈敏度要求。gm的選擇應(yīng)充分考慮與電動(dòng)機(jī)的匹配，gm越大要求Tmmax越小，這樣可減小電動(dòng)機(jī)尺寸，降低電動(dòng)機(jī)的制造成本，并且易于在車上布置。但是gm越大，要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)機(jī)的力矩波動(dòng)也易傳到轉(zhuǎn)向盤上，同時(shí)減速機(jī)構(gòu)尺寸也越大。2.3電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配要獲得最大的工作效率，電動(dòng)機(jī)應(yīng)盡量工作在最大轉(zhuǎn)速一半的狀態(tài)，即式中，為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為滿足一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向輕便性要求，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足(3)式中，為設(shè)定的轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)的減速比對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩起到放大作用，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)也起到放大作用，因此影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;減速比還影響減速機(jī)構(gòu)的尺寸、布置空間和傳動(dòng)效率等。2.4電動(dòng)機(jī)的功率匹配及驗(yàn)算選擇電動(dòng)機(jī)額定功率一般分為計(jì)算電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率、預(yù)選電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱驗(yàn)算和過(guò)載驗(yàn)算三步。由于汽車的駕駛情況及行使工況的不同，電動(dòng)機(jī)的工作負(fù)載也表現(xiàn)出不同的負(fù)載類型。匹配選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種不同的負(fù)載情況，選擇略大的電動(dòng)機(jī)功率。2.4.1電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率要根據(jù)具體的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載功率及效率來(lái)進(jìn)行計(jì)算，是選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的依據(jù)。電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率可采用下式來(lái)估算:(4)式中，入為考慮電動(dòng)機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般X的取值范圍為1.2?2.5。由式(4)可得(5)考慮到電動(dòng)機(jī)的連續(xù)工作制運(yùn)行工況，電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)滿足(6)式(6)條件下，可同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)短時(shí)工作制運(yùn)行工況的條件為⑺式中，tg為電動(dòng)機(jī)的短時(shí)工作時(shí)間；T為電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)a為電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)不變損耗與可變損耗的比值。2.4.2過(guò)熱