摘要：随着变频控制技术以及机电一体化技术的发展和整合应用，永磁同步电机得到快速发展和广泛应用，目前在机械、建筑等领域发挥了重要的作用。永磁同步电机具有体积小、节能、易控等特点，能够省去齿轮系统以低速直接驱动形式运行，借助输入频率变化进行速度控制，对于电动助力转向系统进行优化升级。本文主要就永磁同步电机的电动助力转向系统进行探讨分析，并提出一些个人观点，以供参考。
关键词：永磁同步电机；电动助力转向系统；系统优化；
1永磁同步电机原理
永磁同步电机与传统异步电机的定子结构类似，差别在于转子结构多了永磁体系统，根据永磁材料性能不同电机结构也有所不同，还可以结合应用环境设计电机结构，调配剩磁密度等技术参数来形成特定的磁极结构。
电梯系统的永磁同步电机多采用瓦片型永磁体，可以选择贴近转子表面或嵌镶在铁芯上形成外转子或内转子。
永磁同步电机的核心在于永磁材料，电机发展伴随着永磁材料的发展进程，近年来稀土、铁氧体等永磁材料被研制成功并得以应用，较早应用的铝镍钴材料剩磁密度高、感应强度高、热稳定性好，但价格昂贵、矫顽力不足、抗退磁能力不高，而铁氧体材料价格较低，矫顽力也较好，和铝镍钴材料相比剩磁密度与感应强度都比较一般。
稀土永磁材料兼具以上两种材料的优点，同时加工性能良好，资源储备充足，是永磁同步电机发展的主要方向。
2 电动助力转向系统概述
转向助力系统也是汽车很重要的一个组成部分，其性能好坏会直接影响车辆运行时的安全性和操纵稳定性。汽车转向系统最初采用的是简单的纯机械机构，后来出现了机械—液压助力转向系统HPS和电控—液压助动力转向系统EHPS，机械转向系统和传统的液压动力转向系统的固有特性决定了它们并不能同时满足低速转向轻便性和高速操纵稳定性的要求，随着技术的发展，采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统EPS应运而生。永磁同步电机的电动助力转向系统最早是在1988年由日本的铃木汽车公司研发的。目前现有的4种类型基于齿轮齿条转向系统的永磁同步电机的电动助力转向系统，分别是管柱式、齿轮式、双小齿轮式和齿条助力式。
永磁同步电机的电动助力转向系统能够提供各种行驶状态下的最佳助力，在停车或低速转向时可以提供足够的转向助力，在高速转向时减小助力并能够保持良好的路感。永磁同步电机的电动助力转向系统只是在汽车转向时才会提供助力，这点不同于传统的液压动力转向系统中的油泵一直工作，这就可以平均节省燃油3%，从而提高了汽车的燃油经济性。永磁同步电机的电动助力转向系统在结构上很紧凑，零件的数量也减少很多，同时便于安装和装配，提高了劳动生产率。并在空间上大为节省，便于其他零部件的布置。永磁同步电机的电动助力转向系统没有了液压回路，因而不存在漏油问题，减少了环境污染。另外，永磁同步电机的电动助力转向系统具有很好的低温工作性能，即使在零下40℃的极端环境下，永磁同步电机的电动助力转向系统也能正常工作。
3 EPS的结构
电动助力式转向系统EPS在不同车型上的结构部件会不尽相同，但基本组成大同小异。它一般是由转矩传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器、减速机构和齿轮齿条转向机构构成，如下图所示。
4 永磁同步电机电动助力转向系统基本工作原理
驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器将作用于方向盘上的发动机转速信号、车速信号、扭矩信号输入电子控制单元ECU，ECU则通过设定好的程序进行运算，计算出目标电流的大小和方向，输入电动机，电动机产生相应的助力扭矩和助力方向，再经过减速机构和离合器将扭矩传递给齿轮齿条转向机构，为驾驶员提供同向且合适的助力。
当汽车处于直线行驶状态时，永磁同步电机电动助力转向系统不提供助力，电动机停止工作，只有在汽车转向时，系统才提供助力控制作用。电动助力转向系统EPS可以实时地在不同的车速下为汽车转向提供相适应的助力，从而保证汽车可以在低速行驶时提供较大助力，使得轻便灵活，高速行驶时减少助力，使得操纵稳定可靠。
完整的 EPS 系统还会包括安全保护与故障诊断系统。当系统的某一部件发生故障时，可以断开离合器使助力系统与机械转向系统分开，相当于仅有机械转向系统工作，同时故障信号指示灯报警，保障了驾驶的安全性，同时在ECU中存储电子部件的异常如电动机工作异常、车速传感器异常、扭矩传感器异常、蓄电池异常等。
永磁同步电机电动助力转向系统可以在不改变系统结构的情况下，通过改变系统的控制程序来实现系统转向性能的改变，从而可以满足对不同工况、不同车型及不同驾驶员的转向助力特性，可以大大减低开发成本，提高开发效率。
（5）汽车在行驶过程中，方向盘是需要频繁转动的，也就是说，ECU要在各种工况下对电动机进行控制，另外，永磁同步电机电动助力转向系统在保证路感的前提下，要能够随车速等相关参数的变化提供相应的助力，并且可以提供良好的回正控制能力，这些都是要通过控制电动机的电流大小来实现。因此，永磁同步电机电动助力转向系统设计的关键是设计电动机的电流控制器。
5 永磁同步电机电动助力转向系统的电流控制过程
电流控制器接收包括车速传感器输出的车速信号和扭矩传感器输出的方向盘扭矩信号，根据设计需要的助力特性确定电动机的目标电流，输入到电动机的电流使电动机输出目标助力转矩。可见永磁同步电机电动助力转向系统控制时首先要解决确定助力特性和跟踪该助力特性这两个问题。其主要控制有：
助力控制：包括汽车原地转向助力控制和动态转向助力控制；
阻尼控制：提高汽车高速行驶时的转向稳定性；
回正控制：使方向盘能够更快、更准确地回正，避免方向盘产生不必要的抖动。
6 永磁同步电机电动助力转向系统的技术难点
6.1如何确定合理的助力特性
汽车助力特性的好坏决定了转向的轻便性和路感。助力特性对于不同的车型、不同的驾驶习惯都有不同的要求，而路感问题国内外还没有成熟的理论，研究手段主要是以试验为主。
6.2如何选配合适的电动机
电动机的性能是影响转向助力系统性能的重要因素，电动机与永磁同步电机电动助力转向系统的匹配，都将对转向操纵力、转向路感等重要问题产生影响。有资料表明开关磁阻电机将成为永磁同步电机电动助力转向系统电机发展的方向。
6.3如何加强控制性能
永磁同步电机电动助力转向系统能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有优质的控制软件做支撑。引入诸如转向盘转角、横摆角速度等量，加上车速和转向盘力矩作为控制量，并随着基于PID算法、神经网络算法等控制策略研究，越来越高效的控制策略将会得到应用。
结束语
综上所述，永磁同步电机电动助力转向系统以特有的优越性而得到广泛应用，代表着汽车动力转向技术的发展方向。永磁同步电机电动助力转向系统已经较多地应用在排量在1.6L以下的轿车上，其性能及可靠性得到了广泛的认可。但目前不能说该系统以发展成熟，相关人员仍要不断的提高永磁控制的稳定性，深入分析各种控制策略的优劣，以便于进一步提高控制系统的综合性能。
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作者简介：
王维坤 男，身份证号码：429006198****6XXXX
论文作者:王维坤
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/2
标签：永磁论文; 助力论文; 转向系统论文; 同步电机论文; 电动机论文; 汽车论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第11期论文;