基于無(wú)位置傳感器的電子水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱文龍 馬西沛 何鄭 王一鳴

摘要：在對(duì)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)（BLDCM）的工作原理分析后，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)位置傳感器的BLDCM控制系統(tǒng)。根據(jù)汽車(chē)用電子水泵對(duì)控制器功能的要求，該系統(tǒng)主要包括CAN通信電路、電流檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換電路等;采用速度和電流雙閉環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，提高了電機(jī)的響應(yīng)速度。最后利用以STM32系列微控制為核心的BLDCM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，適用于汽車(chē)、卡車(chē)或其它工業(yè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 無(wú)刷直流電機(jī); 矢量控制; 無(wú)位置傳感器; STM32

【Abstract】 After analyzing the working principle of the position sensorless brushless DC motor （BLDCM）， a BLDCM control system based on position sensorless is designed. According to the requirements of the controller for the electronic water pump of the automobile， the system mainly includes a CAN communication circuit， a current detection circuit， a motor drive circuit， a level conversion circuit， etc.; uses the double closed loop control of speed and current， stabilizes the output torque and improves the response speed of the motor. Finally， the BLDCM experimental platform based on STM32 series micro-control is used to verify. The experimental results show that the control system has good steady-state and dynamic performance， which is suitable for automotive， truck or other industrial fields.

【Key words】 ?brushless DC motor; FOC; positon sensorless; STM32

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用到電器、車(chē)輛、航天和軍事等領(lǐng)域。在無(wú)刷直流電機(jī)控制當(dāng)中，通常采用有位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子信號(hào)位置的方法。有位置傳感器控制方案具有控制程序相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高和易損壞的特點(diǎn)限制了其在振動(dòng)環(huán)境、高溫環(huán)境等惡劣工況下的應(yīng)用，例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙，因此本文擬采用無(wú)位置傳感器控制方案對(duì)汽車(chē)電子水泵控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在中小功率無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)中，常常采用轉(zhuǎn)矩分?jǐn)?shù)槽繞組，其反電動(dòng)勢(shì)波形比較接近正弦波[2]，本文討論的就是反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的無(wú)刷直流電機(jī)。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的無(wú)刷直流電機(jī)，通常具有方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)兩種控制方法。方波驅(qū)動(dòng)控制方法，系統(tǒng)噪聲大，運(yùn)行效率低，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大;相比之下，正弦波驅(qū)動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，正弦波驅(qū)動(dòng)控制下，電機(jī)不僅效率高，運(yùn)行噪聲也低，因此，本文采用正弦波的驅(qū)動(dòng)方法。

基于正弦波的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了各種正弦波驅(qū)動(dòng)方法[3-6]。簡(jiǎn)易正弦波（SPWM）方法由于無(wú)法獲得最大轉(zhuǎn)矩，因此需要調(diào)整電壓相位;磁場(chǎng)定向控制，簡(jiǎn)稱(chēng)矢量控制（FOC）方法雖然算法實(shí)現(xiàn)較為困難，但具有控制精度更高、輸出轉(zhuǎn)矩大和高效率等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用STM32F103RCT6微控制器作為電機(jī)控制系統(tǒng)主控芯片，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)的矢量控制;該方法不僅成本低，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，具有較好的應(yīng)用前景。

1 原理分析

1.1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制技術(shù)

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)由電源轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路和通信電路等共同組成，硬件系統(tǒng)各模塊如圖1所示。單片機(jī)采用ST公司的STM32F103C8T6為主控制芯片，主頻率達(dá)72 Mhz，滿足控制系統(tǒng)對(duì)性能的需求。

2.1 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，本文選用IR2101S作為MOS管開(kāi)關(guān)控制芯片，選用IR公司的IRF540N作為MOSFET開(kāi)關(guān)管。IR2101S控制芯片的反應(yīng)時(shí)間為150 ns左右，可以同時(shí)控制2個(gè)MOS管，性能優(yōu)異，滿足本文研究的需求;IRF540N在100°下最大能承受23 A電流，瞬間峰值電流為110 A。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

2.2 電流采集電路

為了得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，需要采集三相電流信息。電流采集電路如圖3所示。采用LM324芯片完成電流到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變，單片機(jī)再采集電壓信號(hào)，計(jì)算后完成電流的采集功能。

2.3 電源轉(zhuǎn)換電路

因?yàn)橄到y(tǒng)采用了24 V直流供電，但為了給各IC供電，還需要15 V、5 V和3.3 V直流電源，因此本文設(shè)計(jì)了電源轉(zhuǎn)換電路，見(jiàn)圖4。

2.4 通信電路

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器與上位機(jī)及ECU的通信，本文設(shè)計(jì)了串口通信和CAN通信網(wǎng)絡(luò)。以L9616CAN總線收發(fā)芯片作為該系統(tǒng)的CAN收發(fā)器，可以接受ECU命令請(qǐng)求或者向ECU發(fā)送轉(zhuǎn)速等電機(jī)工況信號(hào)。電機(jī)控制器CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。通過(guò)電流采樣得到電流信號(hào)，通過(guò)Clarke和Park變換后得到d、q軸電流iqs和ids;再經(jīng)過(guò)q、d軸電流PID調(diào)節(jié)器，Park反變換后，并由SVPWM調(diào)制后，轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀兤麟娐房刂菩盘?hào)輸入電機(jī)逆變電路中。外環(huán)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速環(huán)，由前文推論可知，由電流信號(hào)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置信息和轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相減得到速度偏差后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩及磁鏈控制器，得到q、d軸的電流參考信號(hào)，隨后系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)環(huán)處理程序。轉(zhuǎn)速控制原理圖見(jiàn)圖6。本文選擇TIM1高級(jí)定時(shí)器的CH1、CH2和CH3通道為三相逆變電路的上橋臂PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，選擇CH1N、CH2N和CH3N為逆變電路的下橋臂PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由STM32芯片的ADC1、ADC2的多個(gè)通道進(jìn)行采集電流信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)方波驅(qū)動(dòng)容易出現(xiàn)電磁噪聲大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問(wèn)題，本文基于無(wú)位置傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)了正弦波驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案獲得較好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到了比較理想的控制效果，并且具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為以后的程序優(yōu)化研究提供了支撐。

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