汽車發(fā)動機(jī)冷卻用無位置傳感器無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

崔 巍，孫 杰，范洪偉，章躍進(jìn)，徐美華

(上海大學(xué)，上海200072)

0 引 言

冷卻風(fēng)機(jī)是汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分。由于傳統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不能根據(jù)發(fā)動機(jī)散熱要求準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，無法保證發(fā)動機(jī)在最佳溫度進(jìn)行工作，降低了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性和工作的可靠性。電動冷卻風(fēng)機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動方式，可以根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度和負(fù)荷的不同工況實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有效提高了發(fā)動機(jī)冷卻性能，具有明顯的節(jié)能效果，是冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢［1］。

無刷直流冷卻風(fēng)機(jī)使用永磁無刷直流電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，采用電子換向，省去了電刷，大大改善了有刷直流風(fēng)機(jī)存在的可靠性問題。同時，高性能永磁材料的應(yīng)用也大大提高了電機(jī)性能，因此無刷直流風(fēng)機(jī)，特別是三相無刷直流風(fēng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，也成為汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。永磁無刷直流電動機(jī)常見的驅(qū)動模式主要有半橋和全橋兩種基本類型。考慮到冷卻風(fēng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)以及汽車工業(yè)對可靠性和控制器體積的嚴(yán)格要求，半橋驅(qū)動模式具有明顯的綜合優(yōu)勢，是目前無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主流驅(qū)動方案［2］。

三相半橋無刷直流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)行時，每相繞組只需通電1/3電周期，其余時間則處于關(guān)斷狀態(tài)。通過功率開關(guān)管PWM斬波調(diào)壓的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。功率開關(guān)管關(guān)斷時，由于繞組中的電流不能突變，通常在電機(jī)繞組兩端反向并聯(lián)二極管來進(jìn)行續(xù)流(如圖1所示)。由于繞組能量以轉(zhuǎn)換為熱能的形式最終消耗在繞組和二極管上，因此對于提高系統(tǒng)效率是不利的。

針對這一問題，本文實(shí)現(xiàn)了一種四相半橋無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其中電機(jī)繞組采用雙線并繞設(shè)計(jì)［3］。其獨(dú)特之處在于，當(dāng)一相繞組進(jìn)行PWM斬波調(diào)制時，開關(guān)管關(guān)斷瞬間利用兩相繞組之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)在另一相繞組中感應(yīng)出較高幅值的互感電勢，通過功率開關(guān)管內(nèi)反并聯(lián)二極管構(gòu)成的續(xù)流通路在另一相繞組中形成負(fù)半波電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組能量至蓄電池的回饋。與常規(guī)半橋控制無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相比，該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的效率，同時也保持了低成本的特點(diǎn)。在考慮驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)及其具體電機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了四相無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性和準(zhǔn)確性。

圖1 三相半波無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主電路

1 系統(tǒng)工作原理和特性分析

如圖2所示，該四相電機(jī)繞組采用雙線并繞工藝，即A相繞組和C相采用雙線一起繞成，只是極性相反，兩相繞組間完全耦合，互感與自感值相等，B相和D相的關(guān)系也一樣。另外，磁路系統(tǒng)的特點(diǎn)使得任意其它兩相之間的互感近似為零，可以忽略不計(jì)。本文控制系統(tǒng)采用半橋控制模式，主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，功率開關(guān)管的驅(qū)動信號如圖4所示。采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的斬波控制，通過調(diào)節(jié)每相繞組上所加電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

圖2 四相無刷直流電動機(jī)繞組原理圖

圖3 四相半橋無刷直流電動機(jī)的主電路

圖4 半橋結(jié)構(gòu)的功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動信號

基于電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對A、C相的電路方程和B、D相的電路方程分別求解分析。以0°～90°電角度區(qū)間為例，此時電機(jī)A、C等效電路模型如圖5所示。采用分時段線性電路的思想對如圖5電路在每一個PWM調(diào)制周期內(nèi)的工作特性進(jìn)行分析。

圖5 0°～90°電角度區(qū)間A、C相等效電路

由圖4的功率開關(guān)器件的柵極驅(qū)動信號可知，在t=t0時刻驅(qū)動A相開關(guān)管導(dǎo)通，蓄電池Ed向繞組供電，電流ia按指數(shù)曲線上升。對于t0＜t≤t1，忽略功率開關(guān)器件的管壓降，A相能量釋放回路電壓方程為:

由于C相關(guān)斷，且La=Lm=L，故上式可進(jìn)一步寫成:

當(dāng)t=t1時刻，控制A相功率管關(guān)斷。由于電機(jī)A、C兩相繞組完全耦合，A相繞組中存儲的能量在開關(guān)管關(guān)斷瞬間將在C相繞組中產(chǎn)生幅值較高的互感電勢。該電勢通過C相開關(guān)管反并聯(lián)二極管構(gòu)成的續(xù)流通路形成負(fù)半周電流ic。對于t1＜t≤T，忽略開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降，有:

由于A相關(guān)斷，故上式可進(jìn)一步寫成:

設(shè)此階段電流初值為Ic0，解上式得:

由于電機(jī)A、C兩相繞組耦合系數(shù)為1，磁鏈不能突變，可認(rèn)為在一個PWM周期內(nèi)A相繞組進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時的電流初值與C相繞組通過續(xù)流二極管向蓄電池充電結(jié)束時的電流終值相等，而C相繞組進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)進(jìn)行能量回饋時的電流初值就是A相繞組導(dǎo)通階段結(jié)束時的電流值，故有:

而Ia0、Ic0的值可由下式確定:

由于0°～90°電角度區(qū)間只有A相功率開關(guān)管導(dǎo)通，因此式(6)解得的ic并非C相繞組導(dǎo)通的電流，而是C相繞組能量通過與開關(guān)管并聯(lián)的反向二極管和蓄電池構(gòu)成釋放回路的回饋電流。因此一個PWM調(diào)制周期內(nèi)，蓄電池直流輸入電流可表示:

一個周期T結(jié)束后，將再驅(qū)動A相功率開關(guān)管導(dǎo)通，重復(fù)上一PWM周期的過程。一個電周期內(nèi)的其他電角度區(qū)間的情況也相同。

四相無刷直流電動機(jī)的瞬時電磁功率可表示:

瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

輸出平均轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:T為周期;T0為電機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩。

2 無位置傳感器控制的實(shí)現(xiàn)

無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行需要位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子位置信息，位置傳感器的存在不但增加了電機(jī)系統(tǒng)體積和成本，而且很大程度上成為電機(jī)的故障源之一。為了進(jìn)一步提高該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性，本文采用基于軟件實(shí)時采樣反電勢過零點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器控制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步提高了可靠性。

圖6給出了本文四相無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的相反電勢和相電流波形對應(yīng)關(guān)系。由此可知，當(dāng)斷開相繞組反電動勢過零之后，再經(jīng)過45°電角度，就是該相的換相點(diǎn)。因此，只要檢測到各相繞組反電動勢的過零點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和下次繞組換相的時間。

圖6 四相無刷直流電動機(jī)的反電動勢和相電流波形

本文所采用的反電勢過零點(diǎn)檢測方法通過微處理器內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換單元在功率開關(guān)管PWM開通時刻對斷開相繞組的端電壓進(jìn)行檢測。根據(jù)此時斷開相繞組的電壓方程，可得具體反電勢過零點(diǎn)檢測策略為:

式中:up為斷開相繞組的端電壓;ep為斷開相繞組的反電勢。

假定T1表示從換相到采樣到電壓up的時間間隔。隨著反電勢的增加，不斷將采樣得到的電壓up與蓄電池直流電壓Ed進(jìn)行比較。如果up＞Ed，則繼續(xù)采樣比較。當(dāng)up＜Ed的瞬間，記下時間T2，則T2為從換相到反電勢過零點(diǎn)的45°電角度時間，然后與上一次的90°電角度時間進(jìn)行平均，得出新的90°電角度時間作為換相周期。

四相無刷直流風(fēng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括8位低成本微處理器、驅(qū)動電路和轉(zhuǎn)子位置檢測電路。與傳統(tǒng)反電勢法相比，由于只在PWM開通時刻對端電壓進(jìn)行檢測，所以檢測到的反電勢過零點(diǎn)不存在與速度相關(guān)的相位延時，因而不需要相位延遲補(bǔ)償電路。此外，該方法基于軟件實(shí)時采樣反電勢過零點(diǎn)，省略了模擬比較器等硬件，大大簡化了硬件電路。

圖7 無位置傳感器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖

3 系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在結(jié)合電機(jī)參數(shù)和具體電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了四相無刷直流冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，并研制了樣機(jī)和無位置傳感器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。冷卻風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)具體技術(shù)參數(shù)為:額定功率400 W，額定電壓12 V，最大輸入電流38 A，轉(zhuǎn)速范圍600～2 450 r/min，極對數(shù)為4，相數(shù)為4。

圖8給出了四相無刷直流電動機(jī)相電流的仿真波形。從仿真結(jié)果可見，盡管控制系統(tǒng)采用半橋結(jié)構(gòu)，但結(jié)合電機(jī)的特點(diǎn)，實(shí)際上達(dá)到全波電流的控制效果。此外，可以發(fā)現(xiàn)本文四相無刷直流電動機(jī)相電流波形具有特殊性，由于雙線并繞兩相之間存在強(qiáng)耦合特性，某一相的功率開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷時，該相繞組的電流相應(yīng)立即達(dá)到相應(yīng)值或降為零，呈突變狀。

圖9給出了功率管采用60%占空比進(jìn)行PWM斬波時蓄電池輸出至逆變器的電流仿真波形?？梢园l(fā)現(xiàn)，功率管導(dǎo)通時，蓄電池正向輸出電流。在功率管關(guān)斷時，繞組能量利用互感電勢通過續(xù)流通路回饋蓄電池，此時蓄電池反向輸入電流。這表明，本文實(shí)現(xiàn)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)方案較常規(guī)三相半橋無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)具有較高的能量利用率。

圖8 四相無刷直流電動機(jī)相電流波形仿真波形

圖9 蓄電池直流輸入電流仿真波形

圖10和圖11給出的實(shí)驗(yàn)波形和上述仿真波形相符，較好地驗(yàn)證了本文風(fēng)機(jī)系統(tǒng)方案的可行性和正確性。

圖10 四相無刷直流電動機(jī)相電流實(shí)驗(yàn)波形

圖11 蓄電池直流輸入電流實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

針對汽車發(fā)動機(jī)冷卻應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種四相半橋無刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。該四相無刷直流電動機(jī)繞組采用雙線并繞設(shè)計(jì)，A、C和B、D兩相繞組間完全耦合，而任意其它兩相之間的互感近似為零。基于這一特點(diǎn)，控制系統(tǒng)可以利用功率管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的較高幅值互感電勢將繞組中存儲的能量回饋電源，從而實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，采用基于軟件實(shí)時采樣反電勢過零點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了該四相半波無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制，進(jìn)一步簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

［1]王小荷.電動冷卻風(fēng)扇在客車上的應(yīng)用［J］.客車技術(shù)與研究，2008(5):27－29.

［2]毛維杰，沈云寶.汽車空調(diào)無刷直流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動與保護(hù)［J］.汽車電器，1997(4):8－10.

［3]王宗培，陳敏祥.二相四繞組小容量無刷直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析模型［J］.電工技術(shù)學(xué)報，1997(4):20－24.