论文总字数：24343字

摘 要

汽车转向系统在保证汽车正常行驶和保护驾驶员安全方面起着重要作用。电动助力转向系统（EPS）采用电机作为动力源帮助转向盘转向。与传统的液压转向系统相比，它具有性能高、能耗低、可靠性高等优点。本文主要选用无刷直流电动机（BLDCM）代替传统电动助力转向系统中常用的永磁直流电动机。在此基础上，为了提高电动助力转向系统的性能和可靠性，本文还对电动助力转向系统的控制系统进行了研究。

本文主要研究了电动助力转向系统（EPS）的工作原理，同时通过比较和分析了电动助力转向系统的控制策略的实现方法，确定三种不同情况下的控制策略。在这三种不同的控制原理的基础之上，本文还提出了一种新型的PWM调制技术，用以降低PWM调制过程中因功率管发热所造成的损耗，从而提高控制系统的效率以及可靠性。

为了达成上述无刷直流电机控制系统的控制目的，本文选用TMS320C2000系列的TMS320LF2407作为核心控制单元，并且选用了IR2130芯片作为前置驱动电路，来驱动功率管来进行EPS无刷直流电机控制器的设计，并绘制出相应的硬件电路图。此外，本文还将对编程所需的语言进行分析比较，以得出最佳的软件设计思路，并对无刷直流电机控制系统的各个过程进行分析，绘制出相应软件设计的流程图，在此基础上提出更好的软件抗干扰策略，来保证软件长期可靠运行。

本文设计控制系统具有快速的反应能力以及较高的稳定性，并且控制过程中拥有较低的能量损耗以及具有能够检测自身故障并作出反应的能力，很好的满足了对EPS电机控制器的基本要求。

关键词：电动助力转向系统，无刷直流电机，控制策略，TMS320LF2407，IR2130

Abstract

The vehicle steering system plays an important role in ensuring the normal driving of the vehicle and protecting the safety of the driver.The electric power steering system (EPS) uses motor for power, which has higher performance, lower energy consumption and higher reliability than traditional hydraulic steering system.Brushless DC motor (BLDCM) is chosen to replace the traditional EPS common permanent magnet DC motor .

This paper mainly studies the working principle of the electric power steering system. By comparing and analyzing the implementation method of the control strategy of the electric power steering system, the control strategy of the EPS control system is determined in three different cases: the power control, the return control and the damping control.On the basis of these three different control principles, a new PWM modulation technique is proposed to reduce the loss caused by heating the power tube during the PWM modulation.

This paper selects TMS320C2000 series of TMS320LD2407 as the core control unit, and selects the IR2130 chip as the front drive circuit to drive the power tube to carry on the EPS brushless DC motor controller design. In addition, this paper will analyze and compare the language needed for programming and draw the flow chart of corresponding software design.

A control system is designed in this paper, which has rapid response capability and high stability, and has low energy loss and the ability to detect and respond to its own faults in the control process, which meets the basic requirements of EPS motor controller.

Keywords: Electric Power Steering System,BLDCM,TMS320C2000，IR2130

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 主要研究内容 3

第2章 EPS电机控制器方案设计 4

2.1 EPS电机控制器需求分析 4

2.2 EPS简介 4

2.2.1 EPS的组成 4

2.2.2 EPS的工作原理 5

2.3 EPS电机控制策略研究 6

2.3.1 电动助力转向系统电机控制的目的 6

2.3.2 各模式下控制策略分析 6

2.4 EPS电机控制器电流控制原理研究 12

2.4.1 EPS电机控制器PWM调制基本原理 12

2.4.2 EPS电机控制系统运行原理 13

2.4.3 EPS无刷直流电机的阻尼控制方法 14

2.5 EPS电机控制器低能耗PWM控制策略研究 15

2.5.1 EPS低能耗PWM控制策略原理 15

2.5.2 低损耗PWM控制策略的具体应用 16

2.6 本章小结 19

第3章 EPS控制系统硬件设计 20

3.1 TMS320LF2407功能简介 20

3.1.1 TMS320LF2407芯片的特点 20

3.1.2 TMS320LF2407模块介绍 21

3.2 系统硬件开发 21

3.2.1 系统控制电路 21

3.2.2 控制系统驱动电路 23

3.2.3 控制系统逆变电路及采样电路 23

3.3 本章小结 24

第4章 EPS控制系统软件设计 25

4.1 C语言软件设计 25

4.1.1 C语言软件开发流程 25

4.1.2 混合编程方法 25

4.2 程序流程图 26

4.3 软件防干扰技术 27

4.4 本章小结 28

第5章 EPS电机控制系统仿真 29

5.1 无刷直流电机原理说明 29

5.2 无刷直流电机控制系统仿真模块搭建 30

5.3 仿真结果及分析 35

5.4 本章小结 37

第6章 全文总结及展望 38

6.1 全文总结 38

6.2 展望 39

参考文献 40

附录 42

致谢 46

第1章 绪论

1.1 引言

汽车的转向系统是控制汽车自由转向的重要装置，确保了驾驶员能按照自己想法自由操控汽车的运行方向。转向系统的性能好坏直接影响了汽车的操作稳定性，一个高性能的转向系统对于提升驾驶员手感，确保车辆的安全行驶具有重要作用。现代我们常见的转向系统主要有机械式转向系统、液压转向系统以及本课题重点研究的电动助力转向系统（EPS）^[1]。

目前普遍使用的转向系统大多为液压转向系统。经过很长时间的发展，这种助力转向系统的技术已经越来越成熟。然而，在科技迅速发展的当今，世界各国对汽车的环保方面提出了新的要求。由于该系统耗能较大，且可能对环境产生不同程度的影响，显然已经不能适应当今世界对环保的规划的。电动助力转向系统（EPS）结合了当代先进的电子技术以及电机控制技术，在较大程度上解决了汽车行驶转向耗能以及环境污染等问题，并且能一定程度上改善驾驶员的操控舒适性以及保证驾驶过程中的安全，这使得电动助力转向系统逐渐成为当今世界汽车技术发展的一大亮点^[2]。

当下，市面上存在的电动助力转向系统最常使用的电机是有刷直流电机，因为此类电机通常安装有机械电刷，因此会存在所占空间较大、效率低、寿命短、容易产生火花、需要经常保养等缺点，某种程度上并不满足EPS电机控制系统的需要。无刷直流电机由于没有机械换向器，因此不但没有上述有刷直流电机的缺点，还具备了较高的运行效率、较低的功耗以及良好的调速能力等优点，是目前能应用于电动助力转向系统的最理想的电机。

1.2 课题研究意义

EPS在我国的发展仍然处于一种缓速增长的状态，相关方面的研究较发达国家仍然有较大差距。而且目前市面上生产的EPS电机控制器仍主要采用有刷直流电机，这种电机作为EPS的主要电机时，往往会出现诸多问题。因此使用一种性能更佳的助力电机来代替当前EPS常采用的有刷直流电机，对汽车EPS的发展有着至关重要的作用。

采用无刷直流电机作为电动助力转向系统的助力电机时，不但能够较大程度上改善电动助力转向系统的转向性能，还能够延长EPS电机控制器的寿命，在环保、节能、保护驾驶者的生命安全等方面也能起到较大的改善。因此，研究出一种EPS用无刷直流电机控制器具有重要的现实意义。

1.3 国内外研究现状

1）国外无刷直流电机发展状况

20世纪初，在研究无刷直流电机时，伯里克提出了能够用整流电路来取代无刷直流电机的传统换向器的想法，从此出现了无刷直流电机这一基本概念。但这一思想没有得到足够的重视。直到1955年，哈里森第一个将整流电路代替传统直流电机的机械换向器的想法付诸实践，并做出了第一台无刷直流电机。然而，随着科技的飞速发展，开关管等器件应运而生，给研制出更高效的无刷直流电机制造了先天条件。如今，无刷直流电机集成了电机模块、变速器模块、检测模块、软件部分和硬件部分，这使得电机的控制电路具有了更小的体积以及更简单化的设计^[3]。

由于无刷直流电动机具有低损耗、高性能、运行稳定等优点，在发达国家有着广阔的应用前景，各国因此加大了对无刷直流电动机的投入与研究使无刷直流电动机技术得到了迅速发展，诸多西方国家都拥有较为成熟的制造生产线。在21世纪初的国际电机大会上，众多国家科研人员普遍认识到永磁有刷直流电机将被直流电机取代的发展趋势，使无刷直流电机的地位更上一层楼^[4]。

2）国内无刷直流电机发展状况

相对于美国等西方国家及日本，我国的无刷直流电机的应用及发展起步较晚，最早的研究记录也只是在上世纪70年代，因此发展时间不长，加之我国的元器件制造水平相对较低，因此在无刷直流电机的技术领域我国仍较为落后。

中国是世界上最大的稀土生产国，稀土总储量占世界的80%。稀土是无刷直流电机的原材料之一，这意味着中国将成为世界上最大的无刷直流电机制造商。如今，我国无刷直流电机技术已广泛应用于许多重大领域，并在我国主要发达城市形成了一定范围的产业。中国汽车工业的发展拉动了以无刷直流电机为主体的汽车电机的崛起，中国将很快成为世界电动汽车制造业的主要供应商。总之，无刷直流电动机在我国的发展前景仍是一片光明。

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