电动助力转向系统(Electric Power Steering,EPS)是一种新型的汽车动力转向系统,它能够较好的解决转向系统中存在的“轻”与“灵”的矛盾,有利于提高汽车的转向性能和主动安全性,并且具有节能、环保、结构简单、便于安装布置等优点,因此一经推出便得到了迅速的发展。助力电机作为EPS系统的执行机构,其转矩的输出能力和品质对EPS系统的性能有着很大的影响。早期EPS系统主要采用直流电机作为助力电机,但直流电机存在噪声大、功率密度低和可靠性差等缺点,这限制了EPS系统性能的进一步提升。随着电力电子和电机控制技术的发展,性能更优的交流电机也越来越地应用到EPS系统中,其中永磁同步电机以其体积小、效率高、功率密度大、转动惯量小等优点正逐步取代直流电机和异步电机成为EPS助力电机的发展方向。目前国外主流EPS供应商都相继推出了各自的永磁同步电机EPS产品。但由于国内汽车电子技术发展的相对滞后,自主EPS产品仍以直流电机EPS为主且大多配套于国产小型乘用车,因此开发具有自主知识产权的永磁同步电机EPS系统对于拓宽自主EPS产品的应用范围打破国外厂商的市场垄断地位具有重要的意义。作为一种车载力矩伺服系统,EPS对助力电机的转矩响应性能有着较高的要求:一方面要求助力电机在各种转向工况下输出的助力转矩都能够快速、准确地跟踪目标转矩,无转向迟滞感;另一方面要求电机输出的转矩平滑、波动小,以保证良好的驾驶舒适性。为满足上述要求,本文主要从永磁同步电机的转矩控制策略、矢量控制下的预测电流控制、弱磁控制和转向盘力矩波动抑制等方面对永磁同步电机EPS系统的力矩控制进行了相关研究。本文的具体研究内容如下:(1)永磁同步电机的数学模型及其转矩控制策略首先介绍了不同坐标系下永磁同步电机的数学模型,并阐述了永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的原理及实现方法。然后,结合EPS系统对助力电机输出转矩的性能要求,对比两种转矩控制策略的特点,选取了力矩控制精度更高的矢量控制作为本文EPS系统的转矩控制策略。最后,分析了矢量控制下逆变器非线性对永磁同步电机转矩控制性能的影响,并采用一种在线补偿方法对逆变器非线性进行了补偿。(2)EPS用永磁同步电机预测电流控制算法矢量控制下,永磁同步电机的转矩控制就转化为对同步坐标系下两轴电流的控制。稳定快速的电流跟踪性能是EPS力矩控制的基础。相较于其他控制算法,预测电流控制以其优异的动态响应性能和较低的电流纹波,正越来越多地应用到永磁同步电机的控制中。但传统预测电流控制的性能易受电机参数变化的影响,鲁棒性较差。为此本文首先对传统预测电流控制进行了参数敏感性分析,在此基础上提出了一种自适应鲁棒预测电流控制算法。该算法采用龙伯格观测器预测电机电流,通过调整观测器增益提高系统的稳定裕度;同时采用扰动观测器实时估计系统扰动,以提高电流的预测精度和控制精度,实验结果表明该算法可以在不明显降低预测电流控制的无差拍性能前提下提高系统的鲁棒性能。为后续弱磁控制和转向盘力矩波动抑制奠定了良好的基础。(3)EPS用永磁同步电机弱磁控制算法本文针对永磁电机EPS系统快速转向时手感沉重的问题,采用了弱磁控制策略。首先讨论了考虑定子电阻压降时永磁同步电机的最优运行轨迹。介绍了前馈弱磁控制和反馈弱磁控制的原理,分析了反馈弱磁控制动态性能不佳的原因,提出了一种基于前馈的模糊PI弱磁控制方法。该方法由改进的前馈环节、模糊PI反馈环节和电流轨迹规划环节组成。前馈环节根据电机运行状态通过在线查表直接给出弱磁参考电流,可以提高弱磁控制的动态响应性能;模糊PI反馈环节通过P、I参数的在线自整定,以保证反馈环节在整个转速范围内都能够快速的消除前馈误差;电流轨迹规划环节对弱磁电流的幅值进行限制,并采用一种简单的交轴参考电流调整方法,实现了弱磁控制从调整直轴电流向调整交轴电流的平滑过渡,以拓宽反馈弱磁控制的弱磁深度。电机实验表明所提出的弱磁方法在较高转速下,仍可使电机输出较大转矩,且转速突变时两轴电流仍能跟踪其目标值,动态过程无明显波动,具有良好的动态响应性能。(4)EPS转向盘力矩波动的抑制方法针对造成转向盘力矩波动的两个主要因素:EPS系统稳定裕度不足和助力电机的转矩脉动,首先建立了EPS系统模型分析了影响系统稳定性的因素,介绍了常用的PD控制和测速反馈控制的原理及特点,根据永磁同步电机EPS的特点采用了测速反馈控制以提高中频段的相位裕度,但测速反馈控制在提高系统稳定裕度的同时会降低系统的动态响应性能。为此,本文提出了PD+测速反馈的控制方法,实验结果表明该方法在保证系统动态特性的同时增强系统稳定裕度。其次分析了导致电机转矩脉动的因素:齿槽转矩、反电动势波形畸变和电流检测误差,并采用谐波注入法抑制由前两者造成的6次谐波转矩。提出了一种基于相电流积分的误差补偿方法以在线校正电流检测误差,从而消除由电流检测误差造成的1次和2次脉动转矩。实验结果表明所提出的转矩抑制方法可以有效降低转向盘力矩波动,提高驾驶员转向手感。(5)EPS系统实验环境的开发及功能验证开发了永磁同步电机EPS控制器,优化了控制器的硬件设计和软件架构。搭建了永磁同步电机实验台用以验证电机控制算法,基于实车前悬架系统搭建了EPS原地转向试验台,并开发了相应的测控系统,最后对所提出的电流控制算法和弱磁控制算法进行了EPS台架实验验证。本文主要得到以下结论:(1)传统预测电流控制的稳定性主要受定子电感的影响,定子电阻、电感和永磁磁链的变化都会影响该算法的稳态性能,导致稳态跟踪误差。而本文提出的自适应鲁棒预测控制可以在不明显降低预测电流控制无差拍性能前提下增强系统的鲁棒性能,消除电流跟踪静差,更适用于EPS助力电机电流的控制。(2)反馈弱磁控制的电压环是一个非线性系统,定参数的PI调节器无法保证电压环在全速范围内都具有良好的动态性能。此外,PI调节器固有的滞后特性也是导致反馈弱磁控制动态性能较差的重要原因。而本文提出的基于前馈的模糊PI弱磁控制方法可以显著提高反馈弱磁控制的动态响应特性,避免了动态过程中反馈弱磁控制下存在的电流震荡,采用该算法在快速转向时助力电机仍能提供充足且平滑的助力转矩。(3)EPS系统的不稳定和助力电机的脉动转矩都会造成转向盘力矩波动。常用的PD控制和测速反馈控制都可以在一定程度上提高系统稳定性但各有不足。而本文提出的PD+测速反馈的控制方法可以在保证系统动态特性的同时增强系统稳定裕度。齿槽转矩和反电动势波形畸变导致了电机的6次谐波转矩,电流零漂误差和增益误差会造成1次和2次脉动转矩,采用本文提出的基于相电流积分的误差补偿方法结合谐波注入法可以有效降低转向盘力矩脉动。