基于無傳感器FOC控制的電子水泵研究與實(shí)現(xiàn)

韓軍良　馮長虹　周相青

摘 要：采用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)了一款電子水泵。采用無位置傳感器的磁場定向控制方案，應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，給出了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的電子水泵系統(tǒng)合理可行，具有較高性價(jià)比。

關(guān)鍵詞：電子水泵；直流無刷電機(jī)；磁場定向控制；滑模狀態(tài)觀測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.109

1 引言

電子水泵具有控制靈活、節(jié)能和使用方便的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)汽車和新能源汽車中的應(yīng)用越來越廣泛。直流無刷電機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī)（BLDCM）作為電子水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了避免使用位置檢測傳感器帶來成本增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及傳感器本身可能發(fā)生的故障等問題，針對(duì)直流無刷電機(jī)采用基于無位置傳感器的磁場定向控制（FOC）方案，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)合理，控制精度高，穩(wěn)定性好，達(dá)到了電子水泵所要求的流量和揚(yáng)程指標(biāo)。

2 無傳感器FOC控制方法

FOC的基本思想是通過矢量變換將永磁同步。電動(dòng)機(jī)的定子電流分解到轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，對(duì)勵(lì)磁電流分量（d軸分量）和轉(zhuǎn)矩電流分量（q軸分量）分別加以控制，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)具有與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制特性。作為無位置傳感器FOC控制算法的核心，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)直接決定了電機(jī)的控制性能。常用的轉(zhuǎn)子位置估算方法主要有：自適應(yīng)觀測器法，直接或者間接從電機(jī)反電動(dòng)勢中提取位置信息，但是此種方式計(jì)算量大，對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)，此外在電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)速位置估算困難[1]；擴(kuò)展的卡爾曼濾波觀測器[2，3]法（EFK），由于系統(tǒng)的噪聲未知，濾波觀測器參數(shù)不易調(diào)整，該算法的計(jì)算量也比較大；高頻信號(hào)注入法[4]，這種辦法對(duì)信號(hào)檢測精度要求較高，且需要設(shè)計(jì)多個(gè)濾波器，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。本文應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器[5，6]來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度。

本文中使用的是反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī)，特性與表貼式永磁同步電機(jī)接近，因此采用表貼式永磁同步電機(jī)的控制策略。

3 系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括控制電路、功率電路和通信電路三部分?？刂齐娐酚芍骺匦酒捌渫鈬娐窐?gòu)成，主控芯片采用英飛凌公司的馬達(dá)控制芯片TLE9879QXA20，TLE9879QXA20是一款單芯片三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，集成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex M3內(nèi)核。它包含6個(gè)集成的N型MOSFET驅(qū)動(dòng)器，能夠通過6個(gè)外部功率MOSFET驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)，其電荷泵實(shí)現(xiàn)了低壓操作和可編程電流與電流斜率控制，從而實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)異的EMC性能。通信電路采用PWM/ LIN通信方式，用于電子水泵與整車控制器之間的通信。

電子水泵功率電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。蓄電池正極經(jīng)過EMC電路后，作為直流母線電壓給三相半橋電路供電，控制與驅(qū)動(dòng)電路與三相半橋電路的信號(hào)輸入端連接，提供正弦電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖中Rs是電流采樣電阻，電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成了一階RC濾波電路，輸出信號(hào)端OP2、OP1與TLE9879QXA20內(nèi)部的電流放大器輸入端相連，構(gòu)成了單電阻電流采樣方式，通過程序解算算法可以解算出直流無刷電機(jī)的三相電流值。MOSFET開關(guān)管Q1和電阻R3、R4構(gòu)成了蓄電池防反接保護(hù)電路，正常工作時(shí)MOSFET開關(guān)管Q1工作于同步整流方式，使得蓄電池防反接保護(hù)電路具有更高的效率。

4 FOC控制算法的實(shí)現(xiàn)

FOC控制算法主要有3大部分組成：PI控制器部分、SVPWM變換部分與位置和速度估算器部分構(gòu)成，如圖2所示。圖中，PI控制器部分包括外環(huán)的速度閉環(huán)控制和內(nèi)環(huán)的電流閉環(huán)控制，第一個(gè)PI控制器用于速度閉環(huán)控制，第二個(gè)PI控制器用于電流Iq的閉環(huán)控制，第三個(gè)PI控制器用于電流Id的閉環(huán)控制。由圖1中電流采樣電阻Rs采樣的電流值，通過程序解算算法得到abc三相坐標(biāo)系下的三相電流值、和，通過Clarke變換和Park變換轉(zhuǎn)換得到在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流值和。應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度θ，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。速度環(huán)PI控制就會(huì)根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)q軸的給定電流的大小。為了能夠達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制效果，采用“=0”的控制策略，即令=0，通過來控制電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小。在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，與、與的偏差值分別通過d、q軸PI控制器的調(diào)節(jié)得到d、q軸的輸出電壓和，最后通過Park逆變換將和轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓和，在SVPWM算法中，用于計(jì)算每路輸出電壓的占空比。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī)作為電子水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用TLE9879QXA20作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款額定功率為60W電子水泵。直流無刷電機(jī)的反電動(dòng)勢系數(shù)為1.27mV/rpm，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為2對(duì)極，定子繞組的電感為250μH，定子繞組的內(nèi)阻為0.2Ω。

對(duì)設(shè)計(jì)的電子水泵進(jìn)行了測試。圖3是使用的直流無刷電機(jī)的反電勢測試波形圖，從圖3可以看出，該直流無刷電機(jī)的反電勢波形為近似正弦波。

圖4是三相半橋MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，為調(diào)制頻率為20KHz的正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖5是電子水泵電機(jī)的線電流測試波形，線電流測試波形表明電子水泵電機(jī)的工作驅(qū)動(dòng)電流為正弦波

電流。圖6是60W電子水泵電機(jī)額定工作時(shí)的性能測試曲線，額定工作電壓為12V。測試結(jié)果表明，本文開發(fā)的電子水泵的流量與輸入電功率為近似線性關(guān)系，輸入電功率越大，流量越大。揚(yáng)程與流量的關(guān)系為非線性關(guān)系，當(dāng)流量較大時(shí)，隨著流量的加大，揚(yáng)程逐步減小，在流量不大時(shí)，揚(yáng)程基本保持不變。

6 結(jié)論

本文以直流無刷電機(jī)作為電子水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，給出了直流無刷電機(jī)的無傳感器FOC控制策略，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法。采用針對(duì)直流無刷電機(jī)的無位置傳感器FOC控制技術(shù)，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，系統(tǒng)噪聲低，不但能夠降低系統(tǒng)成本，還可以增加系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的電子水泵系統(tǒng)合理可行，穩(wěn)定性好，具有較高的性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊宇澄，徐慶.一種PMSM無位置傳感器FOC控制的滑模觀測器設(shè)計(jì)[J].家電科技，2013（05）：89-90.

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作者簡介：韓軍良（1979-），男，河南唐河人，博士，講師，主要研究方向：電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制。endprint