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IPM电机驱动电动助力转向系统性能评价
阿肯迪 贾法尔·米利蒙法雷德 卡维姆马里凯
Amirkabir理工大学（德黑兰理工学院）
伊朗德黑兰哈菲兹大街424号电力系统卓越中心，15914。
摘要:随着微处理器、电力电子变换器和电动机驱动技术的发展，采用电动机的电动助力转向系统在几年前就开始使用了。与传统液压动力转向系统相比，电动动力转向系统在发动机效率、空间效率和环境兼容性方面具有许多优势。本文介绍了一种用于动力转向的内永磁电机的设计与优化。采用直接搜索法进行优化。对电动助力转向系统内部永磁电机和机械部分驱动进行了仿真，并对系统进行了性能评价。
指标术语:电动助力转向，内永磁电机，优化。
一、导言
由于电机、电源转换器、传感器和数字控制系统的最新进展，新型车辆中的电动动力转向（EPS）正成为液压动力转向（HPS）的替代品。在EPS中，电机通过齿轮机构连接到转向机架。一些传感器测量方向盘上的扭矩和手轮的角度位置。控制系统接收来自传感器的这些信号，以及车速和转弯率，并向电机驱动发出操作命令，控制转向方向和动力以及驾驶员的努力。控制单元确定所需的转向辅助系统的数量，还必须根据车速对其进行修改，以保持良好的转向性能感觉。
电动助力转向是一种先进的转向系统，无需在发动机上安装液压动力转向泵、软管、液压油、传动带和皮带轮，因此通过使用紧凑的系统单元，整个系统比同类液压系统更轻。此外，由于EPS是一个按需系统，只有在方向盘转动时才能工作，因此配备该系统的车辆的燃油效率比配备同等输出液压系统的车辆高出3%。因此，电动助力转向系统比传统的液压助力转向系统有许多优点。发动机效率、空间效率和环境兼容性方面的系统。这促使最近配备EPS的汽车的大幅增长。
电动助力转向系统基本上由扭矩传感器和电机执行器偶件组成。传感器连接在转向柱上，测量驾驶员移动方向盘时施加的扭矩。该转矩信号被传输到控制电源卡，控制电源卡将放大的比例功率信号发送给电机（本文中我们使用内部永磁（IPM）同步电机），该电机与转向齿条杆啮合。
EPS系统具有以下两个功能。首先，它可以降低转向扭矩，呈现出各种转向感觉。转向扭矩（或驾驶员扭矩）是指驾驶员在转动方向盘时所经历的扭矩（或驾驶员应用于转向柱）。当来自EPS系统的适当辅助扭矩以与驾驶员转向方向相同的方向施加时，驾驶员转向所需的转向扭矩量可以显著减少。此外，辅助扭矩特性的调整允许驾驶员体验各种转向感觉。
第二，EPS系统可以提高方向盘在转向时的回正性能。当方向盘在转弯时转动然后松开时，它会通过道路施加在轮胎上的所谓的自对准扭矩返回到中间位置。由于扭矩随车速增加而增大，因此在车速较高时，方向盘可能会出现过冲和随后的振荡。EPS系统可以通过提供主动阻尼能力来消除这一现象，从而增强返回能力特性。
本文介绍了一种采用IPM电机和驱动系统的电动助力转向系统，该系统在汽车上得到了广泛的应用。由于高功率密度和效率、维护和极宽的工作速度范围等因素，永磁同步电机（PMSM）是牵引驱动应用的发展方向。一种新型的电动轮驱动汽车动力转向技术。通过控制两轮牵引电机的驱动力矩，可以产生适当的动力转向助力力矩，用于补偿液压泵或直接动力转向电机产生的助力转向力矩，甚至完全不需要。因此，动力转向系统可以设计得更紧凑，操作效率高，维修要求少。开关磁阻电动机（SRM）作为电动助力转向（EPAS）应用的替代方案。新的42伏电源电压系统是一个非常有吸引力的设计转向电机，从成本和规模的角度来看。四相8/6开关磁阻电机驱动器是为机架式EPAS设计的，它应提供最大10千牛的力。采用二维有限元分析对设计进行了验证。
EPS系统实车实验室EPS系统常规开发手段，但是实验过程费时费力且研发人员的安全得不到保障。因此EPS系统试验台的开发显得特别重要。EPS系统实验能够为EPS系统提供与实车实验室相似的工况来进行实验研究，大大缩短EPS系统研发同期。试验台对于EPS系统机械接口插入模拟载荷，可以安全有效的对EPS系统进行全面测试及标识系统重要参数。
在考虑EPS要求和约束条件的情况下，采用直接搜索法对IPM电机结构进行优化，得到电机参数。为此，本文对一种用于EPS系统的IPM电机进行了设计和性能评价。利用Simulink环境，将系统各组成部分，如IPMSM机电部分、电力电子变换器、转向机构、控制器等集成为EPS的整体模型，分析各组成部分之间相互作用的系统性能。带有IPMSM驱动系统的EPS的框图如图1所示。
图1。EPS系统总体框图。
二、IPM电机参数优化
IPM电机相较于其他电机的马达有许多优点。其中，它具有较高的扭矩密度，最小的尺寸和重量，良好的功率重量比，满足汽车应用的要求和高效率，即使在降低的负载下。此外，由于永磁同步电机简单地安装在转子上合适的孔中，并且电机具有在弱磁区工作的能力，因此制造简单。因此，对于永磁同步电动机，利用分析软件和有限元软件的优化方法，对其磁路进行了充分的设计。
在本设计中，要达到的目标是减少体积和总重量，以及减少磁铁的尺寸，以降低成本。为了将来的工业应用，必须记住制造过程的简单性。其他目标，如动态行为和转矩脉动将在未来与电力电子和控制相互作用进行检查。
考虑到设计变量的重要数量，选择了约束条件下的优化方法。变量分为离散变量和连续变量。如果离散变量是固定的（例如定子槽数），则可以使用非线性数学算法来优化具有几何约束的机器结构。选择多个标注u的优化变量，以便找到标注u*的最佳值，如下所示。
u*最小化目标函数f，并在约束条件下验证可行性域：
- 最小F(U)
U*U
- 约束
Hi(U*)=0
Gi(U*)0
UƐiUiUui
u*必须允许以最小化标准达到所需目标。它还必须在保持在允许值范围内的同时验证等式和不等式约束。例如，如果必须限制功率重量比，则必须选择：
电机参数（磁链和尺寸）
f（u）_功率重量比
g1（u）直径dmax
hellip;
Gi（U）_电机扭矩
该方法基于分析和优化部分。分析部分采用变量为U的参数化模型，根据设计规范计算机床的能量值。分析部分处理三个领域（图2）。磁畴是第一个和中心的，因为它与另外两个相耦合。它可以评估电感和反电动势。这就带来了机电性能。热域给出估算磁通密度和电阻的磁铁和铜的温度。电场域根据电压极限给出电流参考值与实际电流之间的关系。
图2。优化过程中的分析模块。
优化部分根据分析部分给出的F（U）和G（U）信息管理变量U。本文采用直接搜索法进行优化设计。因为搜索域受到EPS要求和约束的限制。用这种方法优化后的最终机器参数如表1所示。
在低端的EPS 中，有刷直流电机本省的运行是不需要传感器的，在转向系中则需要扭矩传感器，或者是扭矩和位置的合成传感器。但是，高端的EPS的BLAC电机本身的运行就需要一套高精度的位置传感器，而转向系是通过齿轮连接的，二者可以共用一套位置传感器以降低成本。现在常用的扭矩传感器是电阻式的，由于是接触式传感器，因此可靠性较差。所以发展趋势是使用电感式、光电式等非接触式传感器。
BLAC电机需要一套高精度的转子位置传感器。若位置测量不精确，就会造成电磁转矩的脉动，从而影响驾驶者对转向盘的手感。BLAC电机通常使用光电编码盘做位置传感器。但是光电编码盘体积大、价格很高、抗冲击振动能力差，因此无法在EPS中使用。所以目前的EPS的BLAC电机一般采用旋转变压器。宣战变压器设计困难，外围电子电路也比较复杂，样机试制费用高，但是在批量生产时成本可以显著降低。此外，在实际应用中旋转变压器对定子和转子的安装精度要求较高，否则会产生较大的位置测量误差。
业内还在研究更简单、更廉价的位置传感器甚至无传感器控制方法。
三、采用IPM电机和驱动器的EPS建模
典型的EPS系统如图3所示。主要的部件包括扭矩传感器、电机、减速齿轮和控制单元。扭矩传感器位于方向盘和转向柱之间，通过将扭转角差转换为电信号来测量施加的扭矩。电机通过减速齿轮箱与转向柱相连。控制单元根据扭矩传感器信号和车速计算电机目标扭矩和电流。因此，计算出的扭矩通过减速器由电机施加到转向柱上。
有四种不同类型的EPS、转向柱、小齿轮和齿条辅助或全钢丝转向。本文使用图3所示的柱辅助式EPS进行建模和仿真。方向盘、小齿轮、齿条和电机的平衡方程为：
图3。EPS机构的简单描述。
一旦方程（3）和（4）重新排列约_p并代入方程（2），我们可以得到如下新方程：
然后我们得到如下方程：
车轮和轮胎载荷的方程式如下：
式中，cfw为车轮上的库仑摩擦爆发力。因此，最终方程表示为：
利用这些方程，对包含永磁同步电机机械部分的EPS的机械部分进行了建模。带有IPM电机和驱动器的EPS系统的框图如图4所示。在这个方框图中，电机参数是从前面提到的设计和优化过程中获得的。电压源逆变器采用IGBT结构，仿真更精确。采用一种简单的PI控制器的电流相位控制技术，包括一个脉宽调制模块进行仿真。SVPWM模型采用统一的电压调制技术[9]实现，采用延迟块实现死区功能。适用于IPM电机的控制策略是：达到额定转速时的每安培最大转矩和超过额定转速时的每电压（磁通量）最大转矩。
图4。带IPMSM驱动系统的EPS模型
四、系统仿真及结果
表一给出了用于EPS系统仿真的IPMSM参数。这些参数是通过优化过程中获得的电机结构、尺寸和材料信息得到的，并通过有限元分析得到参数。定子电阻取决于绕组匝数和材料。
在对机械式电动助力转向系统的仿真中，转矩控制器是一种简单的PI控制器，它利用相对角（转向角与转子角之差）、电机位置和车速来产生Q轴电流的参考值。D轴电流由Q轴电流和每安培最大扭矩或每磁通量（电压）最大扭矩产生。电流控制器使用该参考值生成D-Q参考电压。利用这些参考电压，构造了IGBT逆变器的开关信号，系统可以控制IPM电机。扭矩以产生所需的辅助扭矩。逆变器中的直流电压链路和车辆中的一样为12V。
表一 优化得到的电机参数
|
电机参数 |
价值 |
|
磁链（WB） |
0.105 |
|
定子电阻（_） |
0.02 |
|
d轴电感（mh） |
8.6 |
|
q轴电感（mh） |
22.5 |
在下面的仿真结果中，目标是控制机架的位移。图5显示了当齿条位移为20毫米时，驱动器转向扭矩为1.5N.M时的结果适用于方向盘。很明显，电机力矩是通过齿轮后施加在机架上的。
基准齿条位移=20 m m驾驶员转向扭矩=1.5 N.m
基准齿条位移=20 m m驾驶员转向扭矩=1.5 N.m
基准齿条位移=20 m m驾驶员转向扭矩=1.5 N.m
基准齿条位移=20 m m驾驶员转向扭矩=1.5 N.m
图5。当参考齿条位移为20 m m，驾驶员转向扭矩为1.5 N.m.（A）电机电流时的仿真结果。（b）电机角度位移（c）机架位移。（d）电机扭矩。
图6显示了我们想要评估系统返回能力时的结果。在此测试中，要求机架位移达到20毫米，然后返回到其主要位置。在所有的柱辅助式EPS仿真中，机架位移和电机角位移具有相同的形状。
回位能力评估
回位能力评估
回位能力评估
回位能力评估
图6。电机转矩作用下机架回位能力的评估
（a）电机电流。（b）电机角位移
（c）机架位移。（d）电机扭矩。
图7为机架左右移动的仿真结果。机架向右移动到20毫米，然后返回，向左移动到20毫米，最后返回到第一个位置。我们可以注意到，这个EPS系统的建模模仿了系统的特性和行为，这与我们想要和命令的非常相似。
齿条左右移动
齿条左右移动
齿条左右移动
齿条左右移动
图7。机架向右移动、返回、向左移动和最后回到初级位置：
- 电机电流 （b）电机角位移 （c）齿条位移 （d）电机扭矩
五、结论
本文对电动助力转向用内永磁电机的设计与优化进行了研究。讨论了IPM电机在汽车系统中的优势。优化是在不同的目标函数下进行的，如功率重量和磁铁体积。在获得电机参数后，通过不同的试验，对整个系统的性能进行了评价。仿真结果表明，采用永磁同步电动机和驱动器可以提高系统的性能，因为它具有较高的转矩密度和弱磁运行能力。通过EPS逻辑降低转向扭矩，驾驶员可以以显著降低的转向扭矩转动方向盘。通过对辅助电机的适当控制，使转向盘在转向后能快速响应而不产生过冲
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