陳天殷

（美國亞派克機(jī)電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）集成了電子控制系統(tǒng)，可方便地通過軟件的修改調(diào)整其助力特性，無需變更機(jī)械參數(shù)，極大地簡(jiǎn)化了整車調(diào)試。而對(duì)于用作動(dòng)力的可控制電機(jī)，業(yè)內(nèi)人士皆對(duì)直線步進(jìn)電機(jī)的前景最為看好。采用直線步進(jìn)電機(jī) （LSM）控制的汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS），是當(dāng)前國際上在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的新技術(shù)之一，其研發(fā)應(yīng)用對(duì)汽車轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活輕便、操縱穩(wěn)定可靠性和確保行車安全起著重要的作用。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）是直接依靠電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，又有操縱舒適性、穩(wěn)定性和安全性等優(yōu)越性能，成為動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流，適用于各種汽車。目前多用于轎車和輕型貨車。環(huán)保型的純電動(dòng)汽車不以內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，EPS更是最佳選擇。

1 直線步進(jìn)電機(jī)概述

從電機(jī)學(xué)的原理來闡述，把傳統(tǒng)圓柱狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)沿半徑方向切開展成平面狀的電機(jī)便是直線電機(jī)。構(gòu)成電機(jī)的定子、氣隙和轉(zhuǎn)子，變成靜子、氣隙和動(dòng)子；原來氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)成了直線行進(jìn)的行波磁場(chǎng)，驅(qū)使動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子 （或稱“動(dòng)件”）一般呈長方的六面體或圓管狀，常常是動(dòng)子就是伸展開的那個(gè)轉(zhuǎn)子；靜子 （或稱 “靜件”）則會(huì)根據(jù)行程的需要，由n個(gè)定子順著行進(jìn)方向連續(xù)地一字鋪展開。各種傳統(tǒng)電機(jī)的形式，如交流、直流，伺服、步進(jìn)等都能在直線電機(jī)中實(shí)現(xiàn)，無非是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。由軟件實(shí)現(xiàn)以一定方式和順序?qū)ο鄳?yīng)繞組通電，達(dá)到預(yù)定步距的直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。汽車EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力選擇了直線步進(jìn)電機(jī)，結(jié)構(gòu)上省卻了離合器、減速機(jī)構(gòu)，改變了運(yùn)動(dòng)方式 （旋轉(zhuǎn)→直線）。

三菱某款排量1.6L轎車采用的是一般的EPS，有減速機(jī)構(gòu)，EPS的電機(jī)參數(shù)是：額定功率180W，電機(jī)供電電壓DC 10~16 V，電機(jī)電流0~30 A連續(xù)可調(diào)，額定扭矩6.5Nm。

步進(jìn)電機(jī)可以準(zhǔn)確定位在已知的定轉(zhuǎn)子磁極對(duì)準(zhǔn)的起始位置，因而能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制而無需位置反饋，這是它無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí)通過計(jì)算步數(shù)，能運(yùn)動(dòng)至任何預(yù)設(shè)的合適位置，即使電機(jī)斷電也能具備定量的保持轉(zhuǎn)矩。

2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)有單極性和雙極性的區(qū)別：?jiǎn)螛O性 （unipolar）和雙極性 （bipolar）是步進(jìn)電機(jī)最常采用的兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。雙極性步進(jìn)電機(jī)是指步進(jìn)電機(jī)繞組中電流流通的方向不是單向的，可以通過H橋電路來改變繞組中電流的方向，使繞組中交替輪流呈雙向流動(dòng)的電流。與單極性步進(jìn)電機(jī)相比，雙極性步進(jìn)電機(jī)的繞組中每次都有電流流過，在整個(gè)工作過程中，電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是均勻的、連續(xù)的，從而系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)更大更穩(wěn)定。

單極性驅(qū)動(dòng)電路使用4個(gè)晶體管來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，驅(qū)動(dòng)電路如圖1a所示，包含兩組帶有中間抽頭的繞組，整個(gè)電機(jī)共有6條線與外界連接，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)，它同時(shí)使用單極性或雙極性驅(qū)動(dòng)電路。

雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖1b所示，它使用8顆晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)，雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動(dòng)電路，它卻會(huì)降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動(dòng)電路的2倍，其中4顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動(dòng)，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動(dòng)電路。雙極性驅(qū)動(dòng)電路的晶體管只需承受電機(jī)電壓，所以它不像單極性驅(qū)動(dòng)電路那樣需要鉗位電路。

3 H橋的驅(qū)動(dòng)方式

由于步進(jìn)電機(jī)是在脈沖通電狀態(tài)下運(yùn)行的，而繞組是電感性慣性負(fù)載，轉(zhuǎn)子也有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在通電運(yùn)行時(shí)脈沖的上升沿至繞組電流建立，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；脈沖下沿至繞組電流消失，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)都存在暫態(tài)過程。對(duì)于空載狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)其動(dòng)特性的影響主要表現(xiàn)在對(duì)繞組電流脈沖上升及下降時(shí)間的控制能力。好的驅(qū)動(dòng)器在保持步進(jìn)電機(jī)能輸出盡可能大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況下，使繞組儲(chǔ)能及釋能的時(shí)間盡可能短，避免出現(xiàn)衰減振蕩而引起失步，以達(dá)到最高運(yùn)行頻率，故選擇適配的驅(qū)動(dòng)器十分重要。模塊化的驅(qū)動(dòng)控制器多采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)恒流驅(qū)動(dòng)原理可放寬外供直流電源的電壓范圍。

如圖2a所示，H橋上橋臂一側(cè)導(dǎo)通，下橋臂另一側(cè)斬波，即為助力控制驅(qū)動(dòng)方式。把轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的力矩信號(hào)和車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)輸入控制器中，控制器根據(jù)助力曲線表，確定電機(jī)的助力電流作為目標(biāo)電流，電路中設(shè)置電流傳感器檢測(cè)控制電路中的電流作為實(shí)際電流。目標(biāo)電流和實(shí)際電流形成控制閉環(huán)進(jìn)行比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)回路以驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生合適的助力。圖2中M為直線步進(jìn)電機(jī)。

由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，故轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的性能。隨著車速提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，兩者綜合作用使回正性能提高，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向，可判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?（見圖2b），保持機(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時(shí)，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制，其控制電路見圖2c。阻尼控制的原理是當(dāng)電機(jī)繞組進(jìn)行短接時(shí)，電機(jī)將會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的反向轉(zhuǎn)矩，ECU就是利用這一特性對(duì)電機(jī)進(jìn)行阻尼控制的。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采用微步距控制 （又稱細(xì)分控制技術(shù)），這樣步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制可以獲得高的位置分辨率，減少不穩(wěn)定性。

有關(guān)細(xì)分控制技術(shù)及脈沖寬度調(diào)制的詳細(xì)敘述請(qǐng)參考 《汽車電器》2010年12期的 《儀表板步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制》一文。

圖3展示了直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的EPS。

一般步進(jìn)電機(jī)的空載最高啟動(dòng)頻率都有限制。所謂空載最高起動(dòng)頻率，是指電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地轉(zhuǎn)入同步 （即電機(jī)的每秒鐘轉(zhuǎn)速的角度和控制脈動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際使用中要提高起動(dòng)頻率及運(yùn)行頻率并改善其矩頻特性，應(yīng)改善流入步進(jìn)電機(jī)繞組脈沖電流的上升沿和下降沿。一般采用在各相繞組中串聯(lián)電阻的方法減少電路的時(shí)間常數(shù)，且電阻阻值必須足夠大才有顯著效果。這樣，為了維持步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電流，驅(qū)動(dòng)電壓必須相應(yīng)增高；運(yùn)行頻率的提高，運(yùn)行特性也可以進(jìn)一步改善。

［1］Tom Denton.Automobile Electrical and Electronic Systems［M］.Elsevies Butterworth-Heinemann Co.Ltd.， 2009.

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