基于國(guó)產(chǎn)MCU電子水泵控制器的設(shè)計(jì)

馬西沛，何 鄭，張 琳，祝 宸

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.華域皮爾博格泵技術(shù)有限公司，上海 201900）

0 引 言

目前，市面上燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)依舊采用機(jī)械式的冷卻水泵，其驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接相連，在這種驅(qū)動(dòng)方式下，冷卻水泵的轉(zhuǎn)速與曲軸的轉(zhuǎn)速始終為固定比值，導(dǎo)致冷卻能力和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求不匹配，使得散熱效率低下[1?3]。因此，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的這一點(diǎn)不足，各大車(chē)企高校著手研發(fā)配合發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況的電子水泵。韓曉峰等人設(shè)計(jì)研發(fā)一種GDI發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵控制器系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制策略主要分為增壓氣體溫度冷卻和增壓器溫度冷卻[4]。徐方海等人設(shè)計(jì)研發(fā)的汽車(chē)電子水泵控制器以BLDC電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選擇MLX81207為主控芯片，采用基于反電動(dòng)勢(shì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的控制算法，實(shí)現(xiàn)電子水泵的無(wú)感控制，但該控制器算法在電機(jī)效率的問(wèn)題上優(yōu)勢(shì)不夠突出[5]。袁濤等人設(shè)計(jì)研發(fā)了一套發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵智能控制系統(tǒng)，選擇了STM32F103為主控芯片，通過(guò)傳感器讀取冷卻液溫度及時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)水量，并可以將實(shí)時(shí)溫度及故障狀態(tài)傳輸至手機(jī)APP，但該系統(tǒng)也同時(shí)增加控制器的成本[6]。朱瀟瀟設(shè)計(jì)研發(fā)的汽車(chē)電子水泵控制器實(shí)現(xiàn)了一種基于LIN協(xié)議通信的電機(jī)控制方法，但該控制器仍舊采用普通的PID控制算法，同時(shí)采用BLDC為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，容易產(chǎn)生震動(dòng)大、噪聲大等不足[7]。為解決以上所提到的問(wèn)題，本文采用國(guó)產(chǎn)芯片AC7811作為核心控制器，選擇PMSM電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)采用FOC控制算法設(shè)計(jì)研發(fā)了一種汽車(chē)電子水泵控制器，以此來(lái)解決芯片成本高昂、性能穩(wěn)定性不足等缺點(diǎn)。

1 電子水泵控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件采用國(guó)產(chǎn)MCU+DriverIC方案，該國(guó)產(chǎn)MCU滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)支撐DC 12～24 V的工作電壓，系統(tǒng)最高輸出功率為2 000 W，采用定速與PWM調(diào)速模式，與ECU的通信方式采用LIN通信模式。水泵位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，工作環(huán)境溫度通常高于100℃，在此環(huán)境中，霍爾傳感器容易失效，而且相較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)水泵，使用PMSM電機(jī)水泵效率提升30%~50%，且體積小，通過(guò)控制芯片容易實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)速、輸出功率等要求的控制[8]。因此，本文設(shè)計(jì)的硬件電路中不含有霍爾傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 電源轉(zhuǎn)換電路

電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)主要是為了各模塊電壓的不同需求而提供分層電壓。整個(gè)系統(tǒng)采用外置直流電壓12 V輸入，沒(méi)有內(nèi)置電池，所以外部電源急需要給電機(jī)供電，同時(shí)也需要給整個(gè)系統(tǒng)供電，經(jīng)電源模塊調(diào)節(jié)后輸出5 V電壓給MCU供電。因此根據(jù)IC需要，設(shè)計(jì)了5 V電源轉(zhuǎn)換電路，其電路圖如圖2所示。該電路采用的降壓芯片型號(hào)為MPQ4420穩(wěn)壓芯片，完成12 V直流電壓向5 V直流電壓的轉(zhuǎn)換。額定輸出電壓為：

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

電路中所使用的MPQ4420芯片的應(yīng)用場(chǎng)景中包含汽車(chē)這一場(chǎng)景，同時(shí)MPQ4420是一個(gè)內(nèi)置功率MOSFET的高頻同步整流降壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。它提供一個(gè)極其緊湊的方法來(lái)獲取一個(gè)連續(xù)的2 A輸出電流，在大范圍輸入電源范圍內(nèi)負(fù)載和線(xiàn)路調(diào)節(jié)十分出色。同時(shí)具備完善的保護(hù)特性，包括過(guò)流保護(hù)和熱關(guān)斷。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是電子水泵控制器硬件電路設(shè)計(jì)中最重要的電路之一，其設(shè)計(jì)好壞直接決定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率高低。在本控制器中，主控芯片輸出引腳產(chǎn)生的控制信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)MOS管，為了增大驅(qū)動(dòng)能力，選擇IR2101S芯片為功率驅(qū)動(dòng)器，該芯片的主要作用是結(jié)合外部電容，使電壓泵升，達(dá)到驅(qū)動(dòng)MOS管的電壓值。IR2101S的HIN和LIN引腳接收來(lái)自單片機(jī)的一對(duì)互補(bǔ)PWM控制信號(hào)，這一對(duì)PWM信號(hào)分別控制連接在HO和LO引腳的Q1MOSFET和Q2MOSFET，其打開(kāi)或關(guān)閉的反應(yīng)時(shí)間只有約150 ns，打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間分別為100 ns和50 ns；自舉電容C1選擇1μF/100 V；每個(gè)控制芯片能控制2個(gè)MOS管，因此總共需要6個(gè)MOS管，3個(gè)控制芯片。如圖3所示為本控制器的功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)電路

1.3 電流采樣電路

單片機(jī)無(wú)法采集電流信號(hào)，但具有ADC功能，能采集范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，所以需要采樣電阻把電流電信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。本控制器采用MCP6022芯片進(jìn)行電流采集，該芯片的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，符合汽車(chē)行業(yè)使用，同時(shí)該芯片具有雙運(yùn)放的特點(diǎn)，在PCB布局中有利于布局，集成度高。以U相電流模擬電壓采樣為例，U相電流模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放U4進(jìn)行增益放大后輸出至MCU模塊采樣。如圖4所示為電機(jī)U相電流的采樣電路原理圖，其他兩相同理。根據(jù)運(yùn)放輸入端“虛斷”和“虛短”原則進(jìn)行分析推導(dǎo)可知：

圖4 電流采樣電路

故運(yùn)放輸出與輸入兩端壓差之間的運(yùn)放增益系數(shù)OP_AMPLIFICATION_GAIN為12，其由計(jì)算得出。

1.4 LIN通信電路

LIN是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)（CAN總線(xiàn)）提供輔助功能。通過(guò)TJA1027將協(xié)議控制器生成的發(fā)送數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成優(yōu)化的總線(xiàn)信號(hào)，以使電磁輻射（EME）最小化。LIN總線(xiàn)輸出引腳通過(guò)內(nèi)部終端電阻拉高。對(duì)于主應(yīng)用，應(yīng)在引腳VBAT和引腳LIN之間連接一個(gè)與二極管串聯(lián)的外部電阻。接收器會(huì)檢測(cè)LIN總線(xiàn)輸入引腳上的接收數(shù)據(jù)流并通過(guò)引腳RXD將其傳送至微控制器。LIN通信電路如圖5所示。

1.5 PCB布局設(shè)計(jì)

電子水泵的結(jié)構(gòu)緊湊，集成度要求高，對(duì)于控制器PCB的大小要求高，因此本控制器采用四層板設(shè)計(jì)，將芯片控制線(xiàn)路與MOS管功率驅(qū)動(dòng)電路分開(kāi)布局，以此減少二者之間的干擾。頂層主要放置電流小、電壓小的電路，如控制電路、通信電路等；底層放置MOS管載流電路，該電路直接與電機(jī)相連，電流大、電壓高、線(xiàn)寬也大；中間兩層分別為電源層和地層。電子水泵控制器的PCB板布局如圖6所示。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程

電子水泵控制器在軟件系統(tǒng)層面需要實(shí)現(xiàn)的功能主要為：實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；根據(jù)ECU的控制指令實(shí)現(xiàn)“啟動(dòng)”“調(diào)速”“停止”等動(dòng)作；實(shí)時(shí)向ECU傳遞電機(jī)信息。同時(shí)控制器還承擔(dān)著對(duì)于水泵的運(yùn)行狀況的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象執(zhí)行水泵保護(hù)機(jī)制，向ECU發(fā)送診斷信息。電子水泵控制器軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化通信模式，將電機(jī)的初始狀態(tài)設(shè)置為“停機(jī)”。當(dāng)控制器通過(guò)LIN通信與ECU通信成功后系統(tǒng)開(kāi)始自檢，當(dāng)系統(tǒng)自檢發(fā)現(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題后，初始化控制器的保護(hù)策略，判斷水泵是否需要進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)并等待ECU的控制指令。當(dāng)控制器接收到ECU的“運(yùn)行水泵”命令后開(kāi)始運(yùn)行水泵，與此同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)保護(hù)機(jī)制發(fā)現(xiàn)水泵發(fā)生故障后，系統(tǒng)向ECU上傳錯(cuò)誤代碼，并停止水泵運(yùn)行。

2.2 FOC控制算法流程

本控制器采用無(wú)位置傳感器的FOC算法驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)OC算法由三相電流采樣、CLARK變換、PARK變換、速度環(huán)、電流環(huán)以及SVPWM調(diào)制等模塊構(gòu)成[9?12]。PMSM配合FOC算法在電機(jī)效率上相較于BLDC配合換向法能效高出15%。FOC控制算法流程如圖8所示。

圖8 FOC控制算法流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的電子水泵控制器控制策略的有效性和硬件功能的有效性，對(duì)使用該控制器組裝的電子水泵進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中主要包括水泵臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)架、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集卡、PC、數(shù)據(jù)采集軟件）及相關(guān)測(cè)試設(shè)備。

本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)通過(guò)節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)，測(cè)試位置為水平，測(cè)試介質(zhì)為一定容積比例的水/乙二醇混合液（混合比例為50：50），環(huán)境溫度為（23±5）℃，電壓為（13±0.2）V，檢測(cè)時(shí)刻從啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始[13]。電子水泵測(cè)試設(shè)置如圖9所示。

圖9 電子水泵測(cè)試設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)節(jié)流閥設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，分別為3 100 r/min、3 600 r/min、5 400 r/min、5 400 r/min，分別對(duì)每個(gè)工況測(cè)量流量、壓差、電壓、電流4個(gè)物理量。其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 電子水泵控制器實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

從表1中可以看出，該控制在所設(shè)置的4個(gè)節(jié)點(diǎn)中，功率均滿(mǎn)足60 W的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)依據(jù)上汽的《SMTC9 353 001發(fā)動(dòng)機(jī)輔助水泵》的標(biāo)準(zhǔn)，該控制器的流量和壓差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電子水泵控制器主要基于國(guó)產(chǎn)芯片AC7811，該芯片為車(chē)規(guī)級(jí)芯片，使用該芯片實(shí)現(xiàn)了電子水泵國(guó)產(chǎn)化的重要一步，該控制器外圍電路簡(jiǎn)單，成本低。使用了FOC的控制算法，可以免除傳感器在電子水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的尺寸影響，使得電子水泵結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性得到提高并且成本降低。本設(shè)計(jì)電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、拓展性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，可應(yīng)用與后續(xù)對(duì)于使用國(guó)產(chǎn)芯片所設(shè)計(jì)的電子水泵的開(kāi)發(fā)與研究。該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步完善，如在FOC算法中加入龍伯格觀測(cè)器可以使電子轉(zhuǎn)子位置估計(jì)更加準(zhǔn)確，同時(shí)在其低速啟動(dòng)階段，PMSM轉(zhuǎn)子位置偏差大，所以提高PMSM低速段的無(wú)位置傳感器算法估算精度是今后改進(jìn)完善的方向。

注：本文通訊作者為馬西沛。