Design of permanent magnet actuator with a low torque ripple for automotive electric power steering.
Conception d'un actionneur à aimants permanents à faibles ondulations de couple pour assistance de direction automobile
Résumé
This study relates to the design of permanent magnet actuator for automotive electric steering assistance and has been supported by the CNRS and RENAULT.
The analysis of the specification schedule for automotive electric power steering reveals the need of a very low motor torque ripple. The minimisation of the torque ripple is treated according two ways : a first action consists in optimising the motor design and a second one in compensating the torque ripple by a control law.
Concerning the design, a study of the mechanical system links the torque sensor stiffness, integrated into the steering column, to the motor inertia brought back to the steering wheel. The low inertia and the high ambient temperature constitute strong constraints of design for a given size. Increasing the shaft stiffness reduces the constraints of design. Analytical electromagnetic and thermal models have been coupled and exploited according to a methodology defined by the specificity of the problem. Finite Element Analysis FLUX2D™ is used so as to validate the analytical design and to study torque ripple techniques. A solution based on a structure with a fractional slot number and an original winding is proposed. The realisation and the tests of a prototype have validated some aspects of the design.
In order to minimise the torque ripple by control laws, simulation models under Simulink were developed. They integrate the torque ripple which has been determined by Finite Element Analysis. Several observer structures taking into account the torque ripple are presented and compared. An original structure based on a Kalman’s filter coupled to a load torque observer based on Luenberger’s theory is updated. This structure enables to manage the control without position encoder while strongly reducing the torque ripple. A state feedback structure and a RST controller combined with load torque compensation were implemented on an experimental set-up designed and instrumented with the aim of reproducing the system of electric power-assisted steering.
Cette étude cofinancée par la société RENAULT et le CNRS porte sur la conception d’un actionneur à aimants permanents pour assistance de direction automobile.
L’analyse du cahier des charges montre la nécessité d’obtenir un moteur à très faibles ondulations de couple. La réduction des ondulations de couple est traitée de deux façons : une première action consiste à concevoir la structure du moteur et une seconde à compenser les ondulations de couple par une loi de la commande adéquate.
Concernant le dimensionnement du moteur, une étude du système mécanique a permis d’expliciter le lien entre la raideur du capteur de couple intégré à la colonne de direction et l’inertie du moteur ramenée au volant. Cette contrainte inertielle associée à une température ambiante élevée constituent des points forts du dimensionnement pour un encombrement donné. Il est montré que le choix d’un capteur de couple à raideur élevée permet de réduire ces contraintes de dimensionnement en réduisant la contrainte inertielle. Un modèle électromagnétique analytique et un modèle thermique couplés ont été développés et exploités suivant une méthodologie définie par la spécificité du cahier des charges. L’étude des différentes techniques de minimisation des ondulations de couple et la caractérisation électromagnétique ont été menées par calcul des champs avec FLUX2D™. Une solution basée sur une structure à nombre fractionnaire d’encoche par pôle et par phase et un bobinage original est proposée. La réalisation d’un prototype et les essais réalisés ont permis de valider certains aspects de ce dimensionnement.
Concernant la minimisation des ondulations de couple par la commande, des modèles de simulation sous Simulink intégrant les ondulations de couple définis à partir des calculs de champs ont été développés. Différentes structures d’observateurs de couple avec prise en compte des ondulations de couple sont présentées et comparées. Une structure originale basée sur un filtre de Kalman associé à un observateur de couple de type Luenberger est mise à jour. Cette structure permet un autopilotage sans capteur de position tout en réduisant fortement les ondulations de couple. Une loi de commande par retour d’état et une structure RST associées à un observateur de couple ont été implantées sur un banc mécanique conçu et instrumenté dans le but de reproduire le fonctionnement du système de direction assistée électrique.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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