电动助力转向用无刷直流电机控制系统的建模和仿真论文

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1、电动助力转向用无刷直流电机控制系统的建模和仿真摘要：在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型的基础之上，提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。在Matlab/Simulink环境之下，利用无刷直流电机的电压方程、电磁转矩方程和运动方程构建了无刷直流电机本体的仿真模型。系统采用三闭环控制:速度环采用经典PID控制，电流控制采用滞环电流跟踪型PWM。仿真实验结果表明:系统具有良好的静、动态特性，验证了该方法的有效性，为实际电机控制系统的设计和调速提供了新的思路。1引言无刷直流电动机因卓越的性能和不可替代的技术优势倍受人们

2、的关注，特别是自70年代后期以来伴随着永磁材料技术、计算机及控制技术等支撑技术的快速发展及微电机制造工艺水平的不断提高，无刷直流电动机在高性能中、小伺服驱动领域获得广泛应用并日趋占据主导地位。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证系统的控制算法，同时可以充分利用计算机仿真的优越性，很方便的改变系统的结构，加入不同的扰动和参数变化，可以更好的考察系统在不同结构和不同工况下的静、动特性。因此如何建立无刷直流电机控制

3、系统的仿真模型成为迫切需要解决的关键问题。汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的重要装置，直接影响汽车的操纵性和稳定性。为保证汽车在转向时获得良好的助力及回正等性能．动力转向系统得到了广泛的应用，从最初的液压助力转向系统(HydraulicPowerSteering)，到现在的电动助力转向系统(EctricPowerSteerin)。与HPS相比，EPS具有诸多的优点：效率高、能耗少、路感好、回正性好、对环境污染小，因此EPS成为汽车转向系统的热门课题。本文通过分析电动助力转向控制系统和无刷直流电机控制系统，对其电机控制系统进行建

4、模、仿真分析。2车用电动助力转向系统组成及工作原理2.1　EPS系统的组成EPS系统由电机、离合器以及减速机构组成执行机构。传感器主要包括了扭矩传感器、车速传感器以及无刷电机位置传感器和采样电流电路，电控单元主要包括控制用的单片机及其相关的电路，其结构如图1所示。图1EPS结构示意图2.2　EPS系统的工作原理转向时，控制单元根据检测到的转矩信号、车速信号以及电机的反馈电流，判断汽车的转向状态，并向驱动单元发出指令(助力的大小和方向)，使驱动单元的MOSFET按一定的占空比导通，从而使电机按方向盘转动的速度和方向产生适当的助力。

5、汽车转向时，转矩传感器检测到转向盘的力矩和转动方向，将这些信号输送到电控单元，电控单元根据转向盘的转动力矩、转动方向和车辆速度等数据向电动机控制器发出信号指令，使电动机输出相应大小及方向的转动力矩以产生助力，图2为工作原理示意图。3　EPS控制系统的仿真3.1直流无刷电机控制系统的数学模型由于BLDCM的特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且直流无刷电动机的电感为非线性，因此，在这里采用dq变换理论已不是有效的分析方法。而直接利用电动机原有的相变量(即a-b-c坐标系)来建立数字模型却比较方便。以两相导通星形三相六状

6、态为例，分析无刷直流电机的数学模型及电磁转矩等特性。为简化分析，作如下假设:(1)相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；(3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗假定无刷直流电机工作在二相导通星形三相六状态下，反电势波形是平顶宽度为组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称，电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。无刷电机相电压方程为=+++(1)式（1）中，和为定子各相电压和中点电压，为各相定子反电动势，为各相定子电流

7、，为定子各相绕组电阻，，，为定子各相绕组自感，，，，，，为定子各相绕组互感。假设无刷直流电机三相绕组对称，忽略磁阻间的影响，则可以认为定子各相绕组间互感为常数，即===，=====M，==R，则式（1）改写为=+++(2)三相绕组为星形连接，且没有中线，则有，M，代入式(2)，整理可得=+++(3)理想情况下，当某相不通电时，该相电压为0，但在实际系统的换向时，电机绕组中的电流变化跟不上功率开关的变化，产生一定的滞后，这样在不通电的绕组中仍然残余一部分电压，因此产生中点电压Un，其方程为=-(4)简化后的电机等效电路如图3图3无

8、刷直流电机的等效电路无刷直流电机的电磁转矩由定子绕组中的电流与转子磁钢相互作用产生的，电磁转矩方程可表示为=()(5)设为负载转矩，J为电机的转动惯量，B为阻尼系数，ω为子机械角速度，则机械运动方程式可表示为:=J(6)3.2无刷直流电机控制系统模型的建立无刷直