摘 要

随着汽车行业的进步与发展，电动助力制动系统逐渐成为了当代机动车的标准配置。电动助力制动系统不仅能够改进机动车的制动性能，而且其所拥有的高效的制动能量回收功能和作为智能驾驶的重要底层执行机构，这些特点都使电动助力系统在21世纪的汽车行业发展中起到了至关重要的作用。但是我国国内对电动助力制动系统的研究目前仍落后于德、日、美等发达国家。

在电动助力制动系统的助力电机选择方面，目前市场中所占份额较高的电动助力系统大都采用了永磁同步电机作为其动力产生单元。永磁同步电机凭借其轻量化、效率高、可靠性优秀等优异性能与矢量控制技术的不断成熟，目前已成为工业和汽车行业的主流电机类型，在各种工程应用领域都已得到广泛应用。因此，对永磁同步电机的数学模型和控制策略进行研究很有必要。

在以上背景下，本文做了以下研究：

（1）在对永磁同步电机及其矢量控制进行研究的基础上，对控制领域中以强鲁棒性为特点的滑模变结构控制以及其趋近律的优化方法进行了研究。

借助Simulink将滑模控制应用到永磁同步电机矢量控制模型中，在设定转速、增加负载的情况下对其控制效果进行了验证，并与传统的PI控制器的结果进行了对比分析。

研究结果表明，基于优化趋近律滑模控制的永磁同步电机矢量控制，相对于传统趋近律的滑模控制和PI控制器，拥有更好的鲁棒性，在面对负载变化时具有良好的抗干扰能力，从系统初始状态进入切换面的速度更快，超调量也更小，更适合用于电动助力系统的永磁同步电机控制。

（2）基于恩智浦公司的汽车应用微处理器MPC5744P进行了针对永磁同步电机控制系统的硬件与软件设计。

硬件设计分为了控制电路和驱动电路两部分，控制电路主要为MCU及人机交互外设电路；驱动电路主要包含了相电流检测电路、三相逆变电路、旋转变压器激励及信号处理电路、故障检测电路，采用PCI-E接口与控制电路相连接。

软件设计采用了状态机编程思想，将整个系统分为7个有限状态来对电机实时监测与控制。

关键词：电动助力制动；永磁同步电机；矢量控制；滑模变结构控制

Abstract

With the advancement of modern motor vehicles industry, new-energy vehicles have become the main research key of the present age. Therefore, more and more attention has been paid to the matching brake system. Electronic brake system can improve the braking performance of motor vehicles, so it has become a key role in the revolution of automobile industry. However, domestic research on electric power-assisted braking systems is still lagging behind in developed countries such as Germany, Ben, and the United States.

With its light weight, high efficiency, excellent reliability and other excellent performance and the continuous maturity of vector control technology, permanent magnet synchronous motors have become a high-end product in the field of electrical machinery. Most of the electric power-assisted systems in China use permanent magnet synchronous motors as their power generating units. However, permanent magnet synchronous motor as a complex system, It needs to develop new control methods.

Therefore, this paper is mainly based on the sliding mode variable structure control characterized by strong robustness in the field of control, and applies it to the vector control of permanent magnet synchronous motor with the help of Simulink In the model, the control effect is verified on the basis of setting the speed and increasing the load, and the results are compared and analyzed with the traditional PI controller.

The results show excellent robustness and fast response on the optimal reaching law sliding mode controller. It has good anti-interference ability in the face of load changes, and the speed of entering the switching surface from the initial state of the system Fast, the amount of overshoot is also smaller.

Finally, physical hardware and software design based on NXP's automotive application microcontroller MPC5744P was carried out.

Key Words：Electric Power Braking System；Field Oriented Control；PMSM；Sliding Mode Control

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 电动助力制动系统的组成及发展现状 2

1.2.1 电动助力制动系统的组成与基本原理 2

1.2.2 电动助力制动系统国外发展现状 3

1.2.3 电动助力制动系统国内发展现状 4

1.3 PMSM的发展及基本控制策略 5

1.3.1 PMSM的发展现状 5

1.3.2 PMSM的基本控制策略 6

1.4 滑模变结构控制的发展现状 6

1.4.1 滑模变结构控制基本原理 6

1.4.2 滑模变结构控制抖振问题的研究进展 7

1.5本文研究工作 8

第二章 PMSM的矢量控制及Simulink模型搭建 9

2.1 常用坐标系与坐标变换 9

2.1.1 电机控制的常用三种坐标系 9

2.1.2 坐标变换 10

2.1.3 坐标变换的Simulink建模 10

2.2 PMSM的数学模型 11

2.2.1 PMSM在ABC三相静止坐标系下的数学模型 11

2.2.2 PMSM在α-β两相静止坐标系下的数学模型 12

2.2.3 PMSM在d-q两相旋转坐标系下的数学模型 12

2.2.4 三相PMSM的Simulink模型 13

2.3 PMSM的矢量控制 14

2.4 SVPWM调制技术 14

2.4.1 SVPWM基本原理 14

2.4.2 SVPWM实现方式 16

2.4.3 SVPWM的仿真模型 18

2.5 本章小结 21

第三章 基于滑模变结构的PMSM矢量控制研究及Simulink仿真 22

3.1基于指数趋近律的滑模速度控制器设计 22

3.1.1 滑模控制设计要求 22

3.1.2 基于传统指数趋近律的滑模控制器设计 23

3.1.3 优化指数趋近律的滑模控制器设计 24

3.2仿真建模及结果分析 25

3.3 本章小结 28

第四章 硬件和软件设计 29

4.1 PMSM控制系统总体设计 29

4.2 PMSM控制系统硬件设计 29

4.2.1 MPC5744P最小系统 30

4.2.2 MC33908电源管理 32

4.2.3 指示灯电路 33

4.2.4 上位机通讯电路 33

4.2.5 转速位置检测电路 33

4.2.6 含电流、电压检测的三相逆变电路 34

4.2.7 预驱动电路 35

4.2.8 故障检测电路 36

4.3 软件设计 37

4.3.1 主程序设计 37

4.3.2 中断函数设计 38

4.3.3 状态机设计 39

4.4 本章小结 41

第五章 结论 42

参考文献 43

附录A 电路设计 46

附A1 控制电路电路设计 46

附A2 驱动电路电路设计 50

附录B 主函数代码 57

致谢 61

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

随着科学技术的不断进步，汽车行业取得了快速的进步发展，我国汽车保有量每年都在大幅增长。据公安部统计^[1]，2019年我国大陆汽车保有量已达2.6亿辆，在我国居民出行得到了便利的同时，环境和能源方面也遇到了前所未有的恶劣挑战。这种情况下，新能源汽车成为了汽车行业在当代的发展方向，但在汽车行业进步与发展的同时，也给汽车的制动系统带来了许多新的问题。

首先，向电动化方向发展的新能源汽车，由于不再使用燃油发动机，失去了传统真空助力制动的真空源，目前的助力制动系统大部分采用外加电动真空泵以及真空储存装置来提供真空助力器所需的真空源。这样不仅增加了整车的重量以及能耗，而且由于真空产生系统的可靠性问题，由于真空力问题所引发的交通安全也带来了新的问题。因此，设计出适用于新能源汽车的新型助力制动系统目前十分重要，而电子液压助力制动系统无需任何真空源，十分适用于未来的电动汽车。

其次，向智能化方向发展所提出的汽车各种新型高端功能，无论是基础的自动泊车、主动防撞，还是更高层面上的智能驾驶、无人驾驶，都要求汽车有主动制动这个最基础的功能。汽车使用最传统的真空助力制动系统改装加成的主动制动功能安全性、可靠性都远远不能满足乘用车的安全要求，而电子液压助力制动系统采用电机进行助力制动，其控制器可直接接收汽车电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）的指令，从而实现主动制动的功能，可靠性和安全性远远超过了改装的真空助力制动系统。