羅 佳

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051)

汽車用微特電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及控制

羅 佳

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051)

汽車電機(jī)是微電機(jī)的一個(gè)重要分支。概述了傳統(tǒng)和發(fā)展中的汽車用微特電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)汽車向電子化汽車過渡的現(xiàn)代汽車中的微特電機(jī)應(yīng)用前景，最后對(duì)車用電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)與分析。

汽車；微特電機(jī)；車用電機(jī)控制系統(tǒng)

0 引言

汽車電機(jī)作為微特電機(jī)領(lǐng)域一個(gè)種類，由于應(yīng)用環(huán)境的不同，其結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的永磁直流電機(jī)相比有其鮮明的特點(diǎn)，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電機(jī)的品種規(guī)格也越來越多，無刷化、智能化、高效化已成為現(xiàn)代汽車電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 汽車中微特電機(jī)的應(yīng)用

汽車微特電機(jī)行業(yè)是一個(gè)技術(shù)密集型與勞動(dòng)密集型的行業(yè)，綜合了電機(jī)、微電子、電力電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、精密機(jī)械、新材料等多門學(xué)科的高新技術(shù)行業(yè)。電子技術(shù)和新材料技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)了汽車微特電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。

電動(dòng)機(jī)的種類繁多，從供電電源角度區(qū)分可以分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、交直流兩用電機(jī)；從工作原理區(qū)可以分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、新原理電機(jī)(指非電磁原理)。對(duì)汽車而言，由于采用蓄電池供電，汽車電機(jī)的門類基本集中在永磁直流有刷電機(jī)上，為傳統(tǒng)汽車用電機(jī)。典型產(chǎn)品包括了汽車起動(dòng)電機(jī)、雨刮電機(jī)、車窗電機(jī)、門鎖電機(jī)、座椅電機(jī)、車燈調(diào)節(jié)電機(jī)、油泵電機(jī)、ABS用電機(jī)等，而怠速調(diào)節(jié)電機(jī)則采用了永磁爪極步進(jìn)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)采用爪極結(jié)構(gòu)[1]。

近年來，隨著微電機(jī)無刷化的發(fā)展和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路專用芯片的問世，永磁直流無刷電機(jī)、永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也開始逐漸在汽車中得到應(yīng)用。如EPS系統(tǒng)、汽車新型空調(diào)系統(tǒng)、油泵系統(tǒng)、電動(dòng)汽車主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，部分用于角度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)也采用步進(jìn)電機(jī)。相對(duì)各類微電機(jī)而言，汽車電機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)惡劣：環(huán)境溫度大、顛簸振動(dòng)大、沖擊負(fù)荷大、蓄電池電壓波動(dòng)大等，因此滿足惡劣環(huán)境下可靠工作是汽車電機(jī)設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。汽車電機(jī)在汽車各系統(tǒng)中的分布見表1。

表1 電機(jī)在汽車各系統(tǒng)的分布

2 汽車用微特電機(jī)的特點(diǎn)

(1) 低電壓、大電流。 汽車上的電源由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)向蓄電池充電獲得，電壓一般為直流14V， 所以汽車微特電機(jī)大部分是低電壓直流電動(dòng)機(jī)，其工作電流都較大。

(2)工作電壓波動(dòng)大。汽車上使用了種類繁多的電器和電子系統(tǒng)，都由蓄電池供電。在不同時(shí)間內(nèi)蓄電池供電的電壓變化范圍大，所以要求電機(jī)在電源電壓8V～16V范圍內(nèi)都能正常地工作。

(3)環(huán)境條件苛刻。汽車微特電機(jī)與工業(yè)、家用電器用微特電機(jī)相比較，環(huán)境條件更為苛刻，應(yīng)滿足耐熱、 耐沖擊振動(dòng)、防水，防腐蝕等要求。

(4)“三防”及防塵性能好。 汽車作為一種交通工具，要求電機(jī)具有良好的防潮、防霉、防塵的性能。

(5)效率高。 隨著耗電量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載也增加，從而使耗電量上升。為了減少耗油量，要求汽車微特電機(jī)效率高。

3 傳統(tǒng)汽車電機(jī)的起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)

3.1 起動(dòng)機(jī)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在以自身動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)之前，必須借助外力旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)借助外力由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到能自行運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方式有人力起動(dòng)、輔助汽油機(jī)起動(dòng)和電力起動(dòng)三種。人力起動(dòng)采用繩拉或手搖的方式，簡(jiǎn)單但不方便，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，只適用于一些小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，在一些汽車上僅作為后備方式保留著；輔助汽油機(jī)起動(dòng)主要用在大功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上；電力起動(dòng)方式操作簡(jiǎn)便，起動(dòng)迅速，具有重復(fù)起動(dòng)能力，并且可以遠(yuǎn)距離控制，因此被現(xiàn)代汽車廣泛采用[2]。

起動(dòng)機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的飛輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。起動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成，如圖1所示[3]。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)使起動(dòng)齒輪能正確嚙入發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒環(huán)，將起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，并在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后使起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒環(huán)自動(dòng)脫開；控制裝置用來接通或切斷電動(dòng)機(jī)與蓄電池之間的電路。

圖1 汽車起動(dòng)系統(tǒng)的組成

3.2 汽車發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是汽車的主要電源，其功用是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，向除起動(dòng)機(jī)之外的所有用電設(shè)備供電，同時(shí)給蓄電池充電。汽車用發(fā)電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，由于交流發(fā)電機(jī)的性能在許多方面優(yōu)于直流發(fā)電機(jī)，所以目前直流發(fā)電機(jī)已被淘汰，汽車都采用三相交流發(fā)電機(jī)，內(nèi)部帶有二極管整流電路，將交流電整流為直流電，所以，汽車交流發(fā)電機(jī)輸出的是直流電。交流發(fā)電機(jī)必須裝配電壓調(diào)節(jié)器，對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其保持基本恒定，以滿足汽車用電器的需求。交流發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、蓄電池的連接如圖2所示[4]，電路如圖3所示。

圖2 交流發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、蓄電池的連接

圖3 交流發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、蓄電池的連接電路

4 發(fā)展中的汽車用微特電機(jī)

除傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)之外，汽車微特電機(jī)是汽車的配套電器與電子零部件產(chǎn)品，品質(zhì)優(yōu)良、成本低廉，是發(fā)展汽車工業(yè)必不可少的條件。隨著汽車向著舒適化、人性化的要求發(fā)展，雨刮器總成玻璃升降器總成、門鎖總成、電動(dòng)座椅、散熱器風(fēng)扇、洗滌器、汽車空調(diào)器、燃油泵、后視鏡、電動(dòng)天窗、電動(dòng)門鎖、電動(dòng)天線、音響等配套總成產(chǎn)品大量應(yīng)用。

汽車微特電機(jī)使用數(shù)量多少與汽車檔次成正比，乘用車需要的汽車電機(jī)數(shù)量較多，如每輛經(jīng)濟(jì)型汽車至少配備微特電機(jī)5臺(tái)以上，普通轎車至少配備 20～30臺(tái)，而豪華型轎車則需要配備60～70 臺(tái)甚至上百臺(tái)，商用車通常也需要 10臺(tái)以上(數(shù)據(jù)來源于安信證券研究報(bào)告)。從世界汽車的發(fā)展趨勢(shì)來看，傳統(tǒng)零部件不斷電子化，單車電子部件不斷增多，微特電機(jī)在汽車環(huán)保、節(jié)能、舒適等方面扮演的角色越來越重要，都使得未來微特電機(jī)在汽車制造上的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。由于不同類型汽車中微特電機(jī)數(shù)不同，假設(shè)平均每個(gè)汽車配備 25 臺(tái)微特電機(jī)，同時(shí)根據(jù)《“十二五”汽車電機(jī)電器行業(yè)規(guī)劃》 ，汽車售后市場(chǎng)需微特電機(jī)數(shù)與主機(jī)配套數(shù)之比為 0.6:1，由此推出我國(guó)近年來汽車市場(chǎng)微特電機(jī)需求量見表2[5]。

表2 2011～2014 年我國(guó)汽車用微特電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模

4.1 汽車用有刷直流電動(dòng)機(jī)

汽車尤其是轎車中的微特電機(jī)，80%屬于永磁直流電動(dòng)機(jī)，如刮水、暖風(fēng)、電動(dòng)搖窗、電動(dòng)座椅、電動(dòng)天線、空調(diào)散熱及液壓動(dòng)力裝置等等。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部件。定子由主磁極、機(jī)座、換向器、端蓋和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子是機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的裝置，它主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。由于有刷直流電動(dòng)機(jī)采用機(jī)械換向，不需要位置反饋進(jìn)行電子換向，控制器相對(duì)簡(jiǎn)單。

有刷電機(jī)的使用壽命主要取決于電刷的壽命。隨著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，電刷對(duì)整流子表面的磨損增大，電刷形成和修正氧化膜的能力減弱或空氣污染造成氧化膜破壞，或因其它原因都會(huì)造成滑動(dòng)接觸變壞而影響使用。長(zhǎng)壽命電刷的研制成功和實(shí)際應(yīng)用使得有刷電機(jī)的實(shí)際連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)幾千小時(shí)而無需維護(hù)，新材料電刷是使有刷電機(jī)進(jìn)步的一個(gè)重要原因。產(chǎn)品質(zhì)量提高的關(guān)鍵在于提升其零部件和材料的品質(zhì)，解決這一問題的措施是實(shí)現(xiàn)汽車微特電機(jī)零部件的專業(yè)化生產(chǎn)。

直流電機(jī)系統(tǒng)的重量大、效率低，而且電刷和滑環(huán)的存在， 阻礙了其在電動(dòng)車中的進(jìn)一步應(yīng)用[6]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新材料的應(yīng)用，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本上已經(jīng)被其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)所取代。

4.2 汽車用無刷直流電動(dòng)機(jī)

隨著汽車微特電機(jī)產(chǎn)品向智能化、小型化、長(zhǎng)壽命、高可靠、節(jié)能、環(huán)保、電磁兼容等方向的發(fā)展，在迅速發(fā)展的電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料技術(shù)、精密加工技術(shù)的支持下，作為微特電機(jī)技術(shù)含量高的新品種-無刷直流電動(dòng)機(jī)，以其特有的不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的重視。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與有刷直流電動(dòng)機(jī)控制特性相似，結(jié)構(gòu)不同。其定子是由電樞繞組、位置傳感器和機(jī)殼構(gòu)成，而轉(zhuǎn)子主要由永久磁鋼組成。對(duì)比有刷直流電動(dòng)機(jī)，無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與它基本相同，所不同的是電樞繞組的換相方式不同(通過電子來換相)。它是一種先進(jìn)的電子驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用現(xiàn)代先進(jìn)的控制技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)，較一般的有刷直流電動(dòng)機(jī)有無可比擬的優(yōu)越性能。無刷直流電動(dòng)機(jī)由位置傳感器知道該相繞組的通電時(shí)間，定子繞組產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子永久磁鋼產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)，在運(yùn)行的過程中始終保持在∏/2的電角度，因而使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。隨著汽車高效節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)時(shí)間可靠工作以及舒適化、個(gè)性化的要求不斷提高，用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)替代永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)發(fā)展方向。

4.3 感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)是指利用定轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)是異步電機(jī)的一種。感應(yīng)電機(jī)具有簡(jiǎn)單、可靠，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被較早地應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

4.4 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)與無刷直流電機(jī)有著類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而永磁同步電機(jī)需要一個(gè)精確度和可靠性很高的位置傳感器，以實(shí)現(xiàn)在電樞繞組上產(chǎn)生正弦波電流。除了擁有永磁電機(jī)和無刷電機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)外，相對(duì)于無刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)運(yùn)行非常穩(wěn)定平滑，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，通過一定的算法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)大范圍的調(diào)速。近些年對(duì)于新興位置傳感器的開發(fā)、電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制策略的深入研究，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)在EPS系統(tǒng)上的應(yīng)用有了更為快速和廣泛的發(fā)展。

4.5 開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種單邊勵(lì)磁的雙凸極電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、成本低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和低速性能好等優(yōu)點(diǎn)[7]。開關(guān)磁阻電機(jī)現(xiàn)己成為現(xiàn)代汽車交流驅(qū)動(dòng)的又一個(gè)新支，它是由磁阻電開關(guān)電路控制器組成的機(jī)電一體化新型牽引電機(jī)。它具有可控相數(shù)多、實(shí)現(xiàn)四象限控制方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上無繞組、 滑環(huán)，適合用于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊的負(fù)載。能夠?qū)崿F(xiàn)寬調(diào)速、低速大轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)能量反饋等特性，主要用作電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有高度的非線性，多變量，變參數(shù)等，所以很難用常規(guī)的控制方法。

4.6 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種可由脈沖電信號(hào)來控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的電機(jī)，有多種類型，常見的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)。主要用于對(duì)位移量精度要求比較高的場(chǎng)合，比如：儀表、控制閥等。目前，國(guó)內(nèi)外通過對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)矢量控制的理論研究，建立了考慮電機(jī)非線性并充分利用電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了混合式步進(jìn)電機(jī)直軸和交軸電流的協(xié)調(diào)控制。并研究了如何采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，以克服電機(jī)參數(shù)時(shí)變控制效果的影響，提高系統(tǒng)魯棒性，使系統(tǒng)具有更高性能。

4.7 超聲波電機(jī)[8]

超聲波電機(jī)是二十世紀(jì)80年代中期迅速發(fā)展起來的新型電機(jī)，它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)化電機(jī)定子的機(jī)械振動(dòng)能，又通過定、轉(zhuǎn)子間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)沒有磁極和繞組，它一般由振動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)的定子)和移動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子)組成。在壓電材料兩端加上超聲波頻率的交變電壓，使壓電材料發(fā)生周期性的形變，從而產(chǎn)生幾十千赫茲的超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)體的表面借助于摩擦力推動(dòng)與其接觸的移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。

5 現(xiàn)代汽車中的微特電機(jī)

汽車線控電子化一直為國(guó)際上各主要汽車制造商所關(guān)注，是現(xiàn)代汽車開發(fā)的重點(diǎn)之一。線控電子化技術(shù)將汽車各種電子轉(zhuǎn)向、牽引、制動(dòng)懸掛等各種獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行線控電子化連接，實(shí)行一體化底盤控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，使車輛整體性能和穩(wěn)定性達(dá)到最佳水平，減少顛簸和快速轉(zhuǎn)向時(shí)離心力造成的沖擊作用。

信息技術(shù)正在把未來汽車變成一個(gè)可以移動(dòng)的多媒體終端；汽車電子化技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)汽車向電子化汽車過度，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)向電子驅(qū)動(dòng)發(fā)展。許多傳統(tǒng)的汽車機(jī)械部件逐漸減少，汽車零部件將進(jìn)行脫胎換骨的更新與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，汽車用微特電機(jī)也處在變化和發(fā)展中[9]。

5.1 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是控制其行駛路線和方向的主要裝置，直接影響到汽車的操縱性和穩(wěn)定性，其技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向、真空助力轉(zhuǎn)向、電控液壓助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等發(fā)展階段。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過電子控制的方式使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)向輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。

EPS主要優(yōu)點(diǎn)

高效率：由于有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，效率高達(dá)90%；

低能耗：僅在轉(zhuǎn)向時(shí)才起動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力，具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益；

污染小：采用電子控制，取消了液壓裝置，不存在滲油問題，可降低保修成本，避免污染環(huán)境；

可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作：以電池為電源、電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，無論發(fā)動(dòng)機(jī)處于何種工作狀態(tài)，都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力；

應(yīng)用廣泛：各類轎車和客車，特別適用于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)車；

EPS基本包括：機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、位置傳感器及ECU控制器(包括控制單元和驅(qū)動(dòng)單元)。EPS是一個(gè)微控制系統(tǒng)，方向盤的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)由位置傳感器換成電信號(hào)輸入ECU控制器接口，ECU運(yùn)算比較后發(fā)出指令，控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流和電磁離合器的吸合或分離，以達(dá)到轉(zhuǎn)向助力目的。

EPS系統(tǒng)中電機(jī)是提供轉(zhuǎn)向力矩的主要?jiǎng)恿υ?，是EPS系統(tǒng)的核心部件，直接關(guān)系到EPS系統(tǒng)所能提供助力的大小、系統(tǒng)響應(yīng)的快慢、轉(zhuǎn)向盤力矩抖動(dòng)、系統(tǒng)占空間的大小等。常用的EPS電機(jī)有永磁有刷直流電機(jī)，永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等也被用作EPS電機(jī)。

5.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)

ABS系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)的重要組成部分，目前隨著家用轎車的普及，ABS系統(tǒng)在汽車制造上得到了廣泛應(yīng)用，成為汽車的基本電子配置系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)車輛的各車輪的制動(dòng)力，縮短制動(dòng)距離且保障操作的穩(wěn)定性和車輛的安全性，是重要的車輛安全系統(tǒng)。ABS系統(tǒng)可以有效縮短制動(dòng)距離。緊急制動(dòng)的穩(wěn)定性。由于汽車制動(dòng)時(shí)，四輪的制動(dòng)力是不一樣的，某一車輪的抱死將很難控制汽車的行駛方向，從而出現(xiàn)側(cè)滑、追尾，甚至掉頭等危險(xiǎn)情況。ABS系統(tǒng)可避免上述情況發(fā)生，提高車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。

ABS按結(jié)構(gòu)和原理可以分為液壓制動(dòng)系統(tǒng)ABS和氣壓制動(dòng)系統(tǒng)ABS。前者廣泛應(yīng)用于轎車和輕型載貨汽車上，后者主要應(yīng)用于中、重型載貨汽車上。

汽車ABS的類型較多，隨車型而異，但基本都由輪速傳感器、電子控制單元和制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器三部分組成，除此之外，還包括制動(dòng)警告燈和防抱死警告燈等部件，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 ABS系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

5.3 電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)(EBD)[10]

EBD能夠根據(jù)由于汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生軸荷轉(zhuǎn)移的不同，而自動(dòng)調(diào)節(jié)前、后軸的制動(dòng)力分配比例，提高制動(dòng)效能，并配合ABS提高制動(dòng)穩(wěn)定性。汽車在制動(dòng)時(shí)，四只輪胎附著的地面條件往往不一樣。EBD的工作原理恰恰就是用高速計(jì)算機(jī)在汽車制動(dòng)的瞬間，分別對(duì)四只輪胎附著的不同地面進(jìn)行感應(yīng)和計(jì)算，得出不同的摩擦力數(shù)值，使四只輪胎的制動(dòng)裝置根據(jù)不同的情況用不同的方式和力量制動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中不斷保持調(diào)整，使制動(dòng)力與摩擦力相匹配，從而保證車輛的平穩(wěn)。

從工作原理來講，它是ABS的一個(gè)附加作用系統(tǒng)，可以提高ABS的效用。所以在安全指標(biāo)上，汽車的性能又多了“ABS+EBD”。 值得一提的是，即使車載ABS失效，EBD也能保證車輛不會(huì)出現(xiàn)因甩尾而導(dǎo)致翻車等惡性事故的發(fā)生。同時(shí)它還能較大地減少ABS工作時(shí)的振噪感，不需要增加任何的硬件配置，成本比較低，不少專業(yè)人士更是直觀地稱之為“更安全、更舒適的ABS”。 在車輪輕微制動(dòng)時(shí)，電子制動(dòng)力分配(EBD)功能就起作用，轉(zhuǎn)彎時(shí)尤其如此，速度傳感器記錄4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速信息，電子控制單元計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)速。如果后輪滑移率增大，則調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，使后輪制動(dòng)壓力降低。電子制動(dòng)力分配(EBD)功能保證了較高的側(cè)向力和合理的制動(dòng)力分配。

由于現(xiàn)階段在汽車上安裝EBD系統(tǒng)的成本還很高，所以現(xiàn)在的汽車并沒有大量的裝配這種配置，只是在少數(shù)中高檔車上配備。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們安全意識(shí)的提高和其本身的重要性，不久的將來EBD系統(tǒng)定會(huì)是汽車上的一項(xiàng)基本配置，并得到廣泛的關(guān)注。

6 車用電機(jī)的控制

作為車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常是在電機(jī)控制器所要求的各種控制模式和工況下進(jìn)行工作的。高功率密度集成電機(jī)控制器的核心技術(shù)是采用電力電子集成技術(shù)。集成主要分為3個(gè)不同的層次和形式：?jiǎn)纹?、混合集成和系統(tǒng)集成[11]。

單片集成：采用半導(dǎo)體集成電路的加工方法將電力電子電路中的功率器件、驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)電路制作在同一硅片上，體現(xiàn)了單片系統(tǒng)的概念。這種集成方式的集成度最高，適合大批量、自動(dòng)化制造，可以非常有效地降低成本，減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元件和其它低電壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱問題。因此單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用。隨著新型半導(dǎo)體材料和加工工藝的進(jìn)步，將來必然會(huì)向較大的功率等級(jí)發(fā)展。

混合集成：采用封裝技術(shù)手段，將分別包含功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和控制電路的多個(gè)硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能且相對(duì)獨(dú)立的單元。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，但目前還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術(shù)問題，并且尚不能有效地降低成本，達(dá)到較高的可靠性，因此目前仍以中等功率應(yīng)用為主，并正向大功率發(fā)展。

系統(tǒng)集成：將已有的實(shí)體經(jīng)過有機(jī)地組合及拼裝，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)集成一般指將多個(gè)電路或裝置有機(jī)地組合具有完整功能的電力電子系統(tǒng)。這種集成是功能集成，具有低的集成度，容易實(shí)現(xiàn)，因此是目前工程領(lǐng)域普遍采用的集成方案，但因集成度低，與獨(dú)立的裝置和電路相比，都無法明顯降低體積和重量，且構(gòu)成仍以分立元器件為主，設(shè)計(jì)、制造都比較負(fù)責(zé)，不能體現(xiàn)集成優(yōu)勢(shì)。目前，系統(tǒng)集成技術(shù)多用于功率很大，結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的系統(tǒng)。

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)必須有效診斷故障，并且在發(fā)生故障后通過容錯(cuò)手段保證車輛的基本性能不受影響，將損失降至最低。針對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期，仍是車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向[12]。

7 結(jié)語

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是汽車電子系統(tǒng)的應(yīng)用，車用電機(jī)控制系統(tǒng)將向著智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化(車載總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用)等方向發(fā)展。因此，我們應(yīng)當(dāng)把握歷史機(jī)遇，加大研發(fā)力度，在低碳經(jīng)濟(jì)和后危機(jī)時(shí)代的世界汽車工業(yè)布局中占得先機(jī)。同時(shí)，希望綠色交通技術(shù)穩(wěn)步前進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展，造福人類。

[1] 郭中醒，李國(guó)麗，張洲，等. 現(xiàn)代汽車電機(jī)技術(shù)[M]. 上海：上?？茖W(xué)出版社，2015.

[2] http://car.autohome.com.cn/shuyu/detail_8_56_669.html.

[3] http://wenku.baidu.com/view/11af5b3987c24028915

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[4] http://qcxs.hgpu.edu.cn/qcdq/kc/skja_show.asp? id=150.

[5] http://www.chyxx.com/industry/201601/376673.html.

[6] 柴海波，鄢治國(guó)，況明偉，等. 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 微特電機(jī)，2013(4):52-56.

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[10] http://v.autohome.com.cn/v-64273.html.

[11] 樊繼東. 車用電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及其控制技術(shù)[J]. 電機(jī)技術(shù)，2009(3):35-37.

[12] 羅建 . 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化，2012(7):49-52.

Current Application and Control Technology of Micromotor Used for Automobile

LuoJia

(School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Automobile motor is an important branch of micromotor. This paper describes current technical applications of traditional and developing micromotors used for automobile, briefly introduces future prospect of micromotor used in modern car of changing from traditional car to electronic car, and summarizes and analyzes development and trend of control system of automobile motor.

Automobile；micromotor；control system of automobile motor

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.06

TM38

A

1008-7281(2017)01-0020-007

羅佳 女 1981年生；碩士講師，主要從事汽車電子等相關(guān)領(lǐng)域研究.

2016-10-16