汽車電子燃油泵中無刷無位置傳感器直流電機(jī)控制研究

符欲梅， 戚　晉， 昝昕武

(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

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汽車電子燃油泵中無刷無位置傳感器直流電機(jī)控制研究

符欲梅， 戚晉， 昝昕武

(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

摘要:針對(duì)現(xiàn)有汽車電子燃油泵電機(jī)油品適應(yīng)性差、噪聲大、壽命短等問題，設(shè)計(jì)了一種無刷無位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng),并應(yīng)用于電子燃油泵中。在分析無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理的基礎(chǔ)上，利用反電動(dòng)勢法在控制程序中構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)電壓來確定反電動(dòng)勢過零點(diǎn)信號(hào)，并結(jié)合預(yù)定位啟動(dòng)法進(jìn)行啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了無刷無位置傳感器電機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷電機(jī)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)信號(hào)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，且輸出油量滿足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞:電子燃油泵； 無刷直流電機(jī)； 反電動(dòng)勢法； 虛擬中性點(diǎn)

0引言

汽車保有量的增加導(dǎo)致能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)燃油向著多元化和新型化能源方向發(fā)展[1]，按照一定的比例摻入甲醇、乙醇的摻醇燃油甚至純醇類燃料已經(jīng)在國內(nèi)一些地區(qū)廣泛使用。醇類燃油具有的化學(xué)特性使得浸入燃油的電子燃油泵中有刷電機(jī)的換向器極易受到腐蝕，大大降低了電子燃油泵的使用壽命和可靠性。同時(shí)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車在使用過程中的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度(noise，vibration and harshness，NVH)的要求也越來越嚴(yán)格[2]，而有刷電機(jī)在換向時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)大大降低了駕乘人員的使用舒適度。

在汽車電子燃油泵中采用無刷無位置傳感器電機(jī)不僅能夠有效地降低電機(jī)在換向過程中的振動(dòng)和噪聲，而且由于無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中無機(jī)械換向部件，因而在復(fù)雜的多元化燃油中具有廣泛的適應(yīng)性。然而，由于汽車零部件成本控制嚴(yán)苛，可靠性要求極高，而無刷無位置傳感器電機(jī)用電子換向器代替?zhèn)鹘y(tǒng)有刷電機(jī)的機(jī)械換向器進(jìn)行換向，增加了成本；而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的無刷無位置傳感器電機(jī)由于沒有使用位置傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測，極易出現(xiàn)啟動(dòng)失效，因而,對(duì)于控制器的要求很高[3]。這些問題都大大限制了無刷無位置傳感器電機(jī)在汽車電子燃油泵中的應(yīng)用。

本文針對(duì)無刷無位置傳感器電機(jī)在汽車電子燃油泵中存在的以上問題，采用高性價(jià)比單片機(jī)作為主控芯片，利用反電動(dòng)勢法獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性的無刷無位置傳感器電機(jī)的控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文實(shí)驗(yàn)研究的有效性。

1無刷無位置傳感器電機(jī)控制原理

1.1無刷直流電機(jī)的換相原理

圖1為無刷直流(BLDC)電機(jī)的主電路與等效電路圖，以兩兩導(dǎo)通為例，電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)HA,HB和HC上升沿和下降沿(如圖2)控制相應(yīng)的功率器件導(dǎo)通和截止。如轉(zhuǎn)子位置信號(hào)HA為上升沿時(shí)，功率器件VT1和VT6導(dǎo)通。在一個(gè)周期內(nèi)，3個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)相位相差120°、脈沖寬度為180°(均為電角度，下同)。

圖1　無刷直流電機(jī)主電路和等效電路圖(VT6，VT1導(dǎo)通)Fig 1　Main circuit and equivalent circuit of BLDC motor(VT6，VT1 conducted)

圖2　轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與相電流的關(guān)系Fig 2　Relationship between rotor position and phase current

1.2無刷無位置傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測與換相策略

由上述無刷直流電機(jī)換相原理分析可知，如果獲知轉(zhuǎn)子的位置即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的換相。但由于使用的是無刷無位置傳感器電機(jī)，因而,它的控制關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確地獲知轉(zhuǎn)子位置信息。目前,轉(zhuǎn)子位置獲取的方法有多種，包括反電動(dòng)勢法、磁鏈法、電感法和人工智能法等[4]。其中,反電動(dòng)勢位置檢測方法原理簡單、成本低廉、可靠性高，本文擬采用該方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的檢測。

基于反電動(dòng)勢法檢測電路在硬件上通常需要對(duì)三相端電壓進(jìn)行濾波處理，但濾波后的端電壓信號(hào)會(huì)發(fā)生相移滯后，并且隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，反電動(dòng)勢頻率越高，信號(hào)滯后越明顯。因此,需要在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行相位補(bǔ)償，相位補(bǔ)償需要仿真和實(shí)際測試，整個(gè)過程非常繁瑣。

結(jié)合被控對(duì)象無刷無位置傳感器直流電機(jī)燃油泵的實(shí)際需求，本文采用軟件的方式構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)電壓以此獲取反電動(dòng)勢信號(hào)的過零點(diǎn)，其原理如圖3所示。三相繞組的端電壓分別引出并分壓，再由主控芯片的A/D轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)讀取，在程序中計(jì)算出三相端電壓的平均值并作為中性點(diǎn)電壓，將構(gòu)造的中性點(diǎn)電壓與三相端電壓比較判斷是否發(fā)生過零。

圖3　虛擬中性點(diǎn)硬件組成Fig 3　Composition of hardware of virtual neutral-point

1.3轉(zhuǎn)子的初始啟動(dòng)與定位

電機(jī)在啟動(dòng)階段時(shí)轉(zhuǎn)速較低，反電動(dòng)勢信號(hào)很小且不穩(wěn)定，無法獲取轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置信息，因此,在利用反電動(dòng)勢法之前需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)。為了盡可能減少硬件的復(fù)雜性，本文采用二次預(yù)定位啟動(dòng)法啟動(dòng)電機(jī)。先給電機(jī)固定的兩相繞組通電，轉(zhuǎn)子磁極會(huì)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的預(yù)定位。為了避免轉(zhuǎn)子的磁極位置與合成磁場的夾角為180°，電磁轉(zhuǎn)矩為0而導(dǎo)致定位失敗，以同樣方式再給另外的兩相繞組通電確保電機(jī)轉(zhuǎn)到設(shè)定的位置。同時(shí)，在每次定位中，采用逐漸增加PWM占空比的方式給電機(jī)繞組通電，以免瞬間電流過大引起電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大慣性導(dǎo)致轉(zhuǎn)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)無刷無位置傳感器電機(jī)控制原理的分析，設(shè)計(jì)了無刷無位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由燃油泵電機(jī)本體、主控電路、三相逆變電路、反電動(dòng)勢檢測電路及過流過壓保護(hù)電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,主控芯片為Microchip公司生產(chǎn)的高性價(jià)比dsPIC30F系列單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子位置的檢測、轉(zhuǎn)速的估算和電機(jī)實(shí)時(shí)控制等。三相逆變橋由6個(gè)MOSFET組成，其中，上半橋選用的MOSFET為P型，下半橋選用的為MOSFET為N型，這樣不需要自舉電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下半橋的控制，簡化硬件電路。在控制電機(jī)過程中，為了防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)堵轉(zhuǎn)或者過載等引起過流過壓而損壞驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)生，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了過流過壓保護(hù)電路對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。

圖4　主控電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 4　Structure of main control circuit system

2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無刷無位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位、轉(zhuǎn)子開環(huán)加速、反電動(dòng)勢法的切換3個(gè)部分，如圖5所示。其中,初始化包括時(shí)鐘頻率、PWM模塊初始化、ADC初始化、定時(shí)器初始化等。燃油泵電機(jī)在啟動(dòng)階段，采用預(yù)定位啟動(dòng)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)主控芯片的ADC不斷地讀取分壓后的端電壓信號(hào)，并且判斷反電動(dòng)勢信號(hào)的過零點(diǎn)，當(dāng)連續(xù)讀取到穩(wěn)定的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)則認(rèn)為滿足切換要求，并切換到無刷無位置傳感器電機(jī)的閉環(huán)控制。

圖5　控制系統(tǒng)流程圖Fig 5　Flowchart of control system

3實(shí)驗(yàn)

3.1真實(shí)位置換相信號(hào)與過零信號(hào)之間的關(guān)系

為了驗(yàn)證本文換相策略的正確性，利用位置傳感器來測試電機(jī)的真實(shí)位置換相信號(hào)并與應(yīng)用反電動(dòng)勢法獲取的位置信號(hào)比較。圖6(a)為利用外接位置傳感器獲得的真實(shí)位置信號(hào)HA和HB的關(guān)系，它們的周期相同、相位各相差120°，寬度為180°，在一個(gè)周期內(nèi)共有6個(gè)換相狀態(tài)，與圖2的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)完全一致。圖6(b)為通過構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)電壓獲取反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)信號(hào)，其過零點(diǎn)共變化6個(gè)換相狀態(tài)，且與真實(shí)位置信號(hào)HA相位相差30°。實(shí)驗(yàn)表明:結(jié)合反電動(dòng)勢法并采用電阻構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在主控芯片內(nèi)部構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)電壓來獲取反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的方法能夠準(zhǔn)確地獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。

圖6　真實(shí)換相信號(hào)與過零點(diǎn)關(guān)系Fig 6　Relationship between real commutation signal and zero-crossing point

3.2燃油泵流量測試

模擬電子燃油泵在實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行性能測試，測試的儀器設(shè)備主要有：直流電源、壓力表、流量計(jì)和調(diào)壓閥等，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥模擬燃油泵中真實(shí)壓力環(huán)境，用流量計(jì)測試燃油泵的泵油量，整個(gè)測試儀器的連接示意圖如圖7所示。

圖7　電子燃油泵測試連接圖Fig 7　Connection diagram of electronic fuel pump test

將調(diào)壓閥調(diào)至300 kPa模擬真實(shí)環(huán)境壓力，使用該裝置對(duì)電子燃油泵的啟動(dòng)及輸出流量進(jìn)行測試。圖8為電子燃油泵啟動(dòng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速圖，從圖中可以看到:電子燃油泵啟動(dòng)后迅速加速到達(dá)設(shè)定值6 300 r/min并在該轉(zhuǎn)速附近平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)穩(wěn)定過程約720 ms。圖9為轉(zhuǎn)速與流量曲線圖，從圖中可以看出:電機(jī)轉(zhuǎn)速越高流量值越大，在轉(zhuǎn)速為6 300 r/min時(shí)燃油泵的輸出流量為80 L/h，能夠滿足微車發(fā)動(dòng)機(jī)供油量需求。

圖8　電子燃油泵負(fù)載轉(zhuǎn)速測試圖Fig 8　Load rotating speed test of electronic fuel pump

圖9　300 kPa下轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系圖Fig 9　Relationship between rotating speed and flow in 300 kPa

4結(jié)論

1)利用外接位置傳感器獲取的轉(zhuǎn)子真實(shí)位置信號(hào)與過零點(diǎn)信號(hào)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:利用反電動(dòng)勢法并在軟件中構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)電壓的方法能夠準(zhǔn)確地獲取過零信號(hào)并據(jù)此控制換相，從而實(shí)現(xiàn)了無刷無位置傳感器電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)燃油泵流量測試結(jié)果表明:無刷電機(jī)電子燃油泵能夠在汽車實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下工作，輸出流量滿足微車發(fā)動(dòng)機(jī)供油量要求。

參考文獻(xiàn):

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Study on control of sensorless BLDC motor in vehicle fuel pump

FU Yu-mei， QI Jin， ZAN Xin-wu

(Key Laboratory for Optoelectronic Technology & Systems,Ministry of Education,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Abstract:Aiming at problem of poor adaptability to fuels,large noise and short service life that existing vehicle fuel pump has,sensorless brushless DC motor (BLDC motor) control system is designed and applied in electronic fuel pump.Based on analysis on BL motor rotation principle of,virtual mid-point voltage of back electromotive force is utilized in control program to estimate zero-crossing point signal,and combined with pre-positioning method,control of sensorless BLDC motor is realized.The experimental results show that this control system can accurately detect the zero-crossing points of back EMF,the motor works smoothly,the flow rate of fuel also meets the actual demands of vehicle.

Key words:electronic fuel pump; BLDC motor; back electromotive force method; virtual neutral point

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0033—03

收稿日期：2015—04—28

中圖分類號(hào):TM 33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)02—0033—03

作者簡介:

符欲梅(1972-)，女，重慶人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾畔@取與處理，汽車電子。