汽車空調(diào)直流無刷鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊設(shè)計

龔曉慶

汽車空調(diào)直流無刷鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊設(shè)計

龔曉慶

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司創(chuàng)新研究開發(fā)院，上海 201803）

大多數(shù)使用換向控制算法的直流（DC）無刷鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊，會導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，使得電機(jī)輸出風(fēng)量穩(wěn)定性下降。文章使用恩智浦MC9S12XDP100單片機(jī)設(shè)計了一種直流無刷鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速模塊，開發(fā)系統(tǒng)硬件和軟件，設(shè)計矢量控制雙閉環(huán)算法，并運用專家系統(tǒng)模糊比例-積分-微分（PID）在轉(zhuǎn)速外環(huán)中進(jìn)行參數(shù)整定。通過對轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，實驗表明，本調(diào)速模塊有效解決了換向控制算法帶來的轉(zhuǎn)矩波動問題，提高了空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出穩(wěn)定性。

直流無刷鼓風(fēng)機(jī)；調(diào)速模塊；矢量控制（FOC）；專家系統(tǒng)；模糊比例-積分-微分（PID）

1 直流無刷電機(jī)的矢量控制

近年來，直流無刷鼓風(fēng)機(jī)在汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)中得到了廣泛使用，在國內(nèi)汽車空調(diào)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中使用直流有刷電機(jī)存在壽命短、電火花等問題，并且風(fēng)量通過按鈕只能調(diào)節(jié)4或6個擋位，其無法滿足用戶需求。國外空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)早已開始使用直流無刷鼓風(fēng)機(jī)，但是控制器中的算法以換向為主，然而換向?qū)е铝宿D(zhuǎn)矩波動影響轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性[1]。由于鼓風(fēng)機(jī)是小型汽車零部件，大部分國內(nèi)汽車廠家都是直接從外國廠商購買使用。因此，國內(nèi)在無刷直流鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動調(diào)速領(lǐng)域技術(shù)相對匱乏。

無刷直流電機(jī)外轉(zhuǎn)子的驅(qū)動是通過轉(zhuǎn)子在不同位置時，通過定子換向來形成旋轉(zhuǎn)磁場而使電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，然而普通的6步換向控制轉(zhuǎn)矩波動大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動、控制精確度低，很難滿足鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速要求[2]。本文以無刷直流鼓風(fēng)機(jī)為研究對象，使用矢量控制算法能降低轉(zhuǎn)矩波動、提高鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能，從而保證風(fēng)量穩(wěn)定。

直流無刷鼓風(fēng)機(jī)也是多磁路強(qiáng)耦合非線性復(fù)雜系統(tǒng)[3]，可使用Clark和Park變換解耦，解耦后使用I為零控制方法[4]。最終，直流無刷鼓風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為[5]

式中，e為電磁轉(zhuǎn)矩；為極對數(shù)；m為Ａ相繞組磁鏈幅值；i為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下軸電流；()為磁密分布；為轉(zhuǎn)子的角度。

由式（1）可知當(dāng)轉(zhuǎn)子的位置確定時，直流無刷鼓風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩僅與I大小有關(guān)。因此，只要控制I值就能控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小。本控制器使用矢量控制驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)，控制框圖如圖1所示。

鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)量的關(guān)系為

=kn+k（2）

式中，為風(fēng)量；K為轉(zhuǎn)速風(fēng)量比例系數(shù)；K為轉(zhuǎn)速風(fēng)量補(bǔ)償系數(shù)。

圖2 最小系統(tǒng)電路

由式（2）可知風(fēng)量和鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計

MC9S12XEP100是恩智浦公司汽車級單片機(jī)，它是基于S12X CPU 的16位單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示，主要包括時鐘電路，復(fù)位電路，調(diào)試電路等。復(fù)位電路為手動復(fù)位電路，可以隨時讓程序從頭開始執(zhí)行；調(diào)試電路用于調(diào)試的時候看單片機(jī)是否正常工作。

2.2 電源電路設(shè)計

電源電路對于控制器正常工作至關(guān)重要，首先通過摩托羅拉公司的LM2576開關(guān)電源芯片將電壓24 V降壓為15 V。LM2576輸出電流為3 A，效率高，并且有過熱過流保護(hù)，電源電路1如圖3所示。

圖3 電源電路1

再通過LM2576-5系列將15 V電壓降為5 V，電源電路2如圖4所示。

圖4 電源電路2

2.3 三相驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動直流無刷鼓風(fēng)機(jī)的為6個金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）管組成的三相橋，每個橋電路相同，因此，以U相為代表其電路如圖5所示。MOS管選用聯(lián)合技術(shù)公司的功率MOS7N75器件。其中7N75導(dǎo)通電阻為1.7 Ω；漏極至源極間可能承受的最大電壓為750 V，且有足夠的電壓余量，連續(xù)工作模式下最大漏極電流為7 A；驅(qū)動芯片選用美國國際整流器公司的IR2101。

圖5 三相驅(qū)動電路

2.4 采樣電路設(shè)計

由于系統(tǒng)需要母線電壓和相電流值才能實現(xiàn)直流無刷鼓風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制，因此，設(shè)計采集電路采集相電流和母線電壓。使用的運放芯片為美國微芯公司的軌至軌運放MCP6024。在此基礎(chǔ)上，為了提高采集的精度使用差分放大電路如圖6所示。其中，由于三相電流之和為零，因此，只需要采集兩相電流，通過計算能得到第三相電流。

圖6 采集電路

2.5 報警電路設(shè)計

當(dāng)電機(jī)工作異常發(fā)生過流、過壓、過熱時，程序會先停止電機(jī)的運行再通過蜂鳴器報警提醒使用者，并將故障信息通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）通訊發(fā)送至總線。報警電路由無源蜂鳴器、S8050NPN型三極管和限流電阻組成，如圖7所示。

圖7 報警電路

2.6 通訊電路設(shè)計

本主控芯片具有內(nèi)置的CAN通信控制器，并且可以通過CAN總線收發(fā)器與其他設(shè)備通訊，選用恩智浦公司的JTA1050高速CAN收發(fā)器。具體電路如圖8所示。

圖8 CAN通訊電路

2.7 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計

為了使鼓風(fēng)機(jī)正常運轉(zhuǎn)，必須時刻知道鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子位置檢測電路主要連接主控芯片的三個外部中斷引腳，通過三個外部中斷時刻檢測霍爾傳感器狀態(tài)，通過內(nèi)部程序計算確定鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)。轉(zhuǎn)子位置檢測電路如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

3 軟件設(shè)計

3.1 雙閉環(huán)設(shè)計

為了提高調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性，調(diào)速系統(tǒng)采用串級雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)、外環(huán)為速度環(huán)、控制方式為異步采樣控制[6]?？紤]到電流內(nèi)環(huán)頻率高，因此，電流內(nèi)環(huán)使用傳統(tǒng)比例-積分（Proportional Integral, PI）控制器；速度外環(huán)運行頻率慢而使用專家模糊PID控制器。

3.2 專家系統(tǒng)模糊PID

3.2.1專家系統(tǒng)設(shè)計

整個調(diào)速系統(tǒng)需要3個PID控制器，考慮到PID參數(shù)整定的繁瑣性，因此，提出專家系統(tǒng)模糊PID控制器。專家系統(tǒng)設(shè)計具體如下：

（1）當(dāng)誤差和變化率乘積大于零并且誤差絕對值大于1時，說明誤差較大使用模糊PI控制。

（2）當(dāng)誤差和變化率乘積大于零并且誤差絕對值小于1時，使用模糊比例-微分（Proportional Differentiation, PD）控制器，一方面可以快速減小誤差；另一方面防止過量超調(diào)。

（3）誤差和誤差變化率都比較小時，使用PI控制器。

（4）當(dāng)處于極值時，說明此時絕對值誤差很大，使用模糊P控制快速減小誤差。

專家系統(tǒng)PID輸出為

3.2.2模糊PID規(guī)則表

在專家經(jīng)驗下確定不同誤差與誤差變化率下使用哪種類型PID控制器后，設(shè)置模糊規(guī)則表，以誤差或誤差變化率作為輸入，整定p，i，d[7]，模糊控制框架如圖10所示。

圖10 模糊控制框架圖

在3.2.1中的（1）（3）情況下使用模糊PI控制器，將誤差和誤差變化率作為模糊控制器的輸入，輸出為p，i。模糊PI采用{NB、NS、ZO、PS、PB}，5個模糊狀態(tài)論域為{-2、-1、0、1、2}，隸屬度函數(shù)使用三角函數(shù)，規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊PI控制器規(guī)則表

在3.2.1中（2）情況下使用模糊PD控制，其輸入為誤差和誤差變化率，控制器輸出為p，d。模糊PD采用{NB、ZO、PB}，3個模糊狀態(tài)論域為{-1、0、1}，隸屬度函數(shù)使用三角函數(shù)，規(guī)則表如表2所示。

表2 模糊PD控制器規(guī)則表

在3.2.1中（4）情況時，僅使用模糊P控制器，快速減小誤差，模糊P采用{NB、NS、ZE、PS、PB}，3個模糊狀態(tài)論域為{-2，-1，0，1，2}，隸屬度函數(shù)使用三角函數(shù)，規(guī)則表如表3所示。

表3 模糊P控制器規(guī)則表

使用制定好的規(guī)則表通過Mamdani模糊推理，再通過加權(quán)平均法解模糊化得到相應(yīng)的p、id，實現(xiàn)PID的自適應(yīng)在線調(diào)節(jié)。

3.3 軟件整體設(shè)計

軟件分為主循環(huán)、速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)三部分。由于速度外環(huán)使用專家系統(tǒng)模糊PID對中央處理器（Central Processing Unit, CPU）處理速度要求高，因此，將速度外環(huán)放到XGATE協(xié)同處理器中執(zhí)行，而電流內(nèi)環(huán)在S12X中正常運行。

主循環(huán)當(dāng)中的首先初始化IO（Input/Output）口、定時器1和定時器2、CAN通訊、模擬信號（Analogsignal/Digitalsignal, A/D）采集、脈沖寬度調(diào)制（Pulse WidthModulation, PMW）通道和XGATE，之后啟動AD采集功能采集a，b和母線電壓等模擬量。之后，解析CAN總線上發(fā)來的報文，更新鼓風(fēng)機(jī)的運動狀態(tài)。當(dāng)解析完CAN報文后更新后將系統(tǒng)當(dāng)前基本信息發(fā)送到CAN總線上，后判斷故障，如果沒有繼續(xù)回到主循環(huán)第三步，如故障則停止鼓風(fēng)機(jī)工作，并將故障信息發(fā)送CAN總線上。

定時器2轉(zhuǎn)速外環(huán)控制20 ms執(zhí)行一次，其中斷在XGATE中運行。XGATE發(fā)生中斷時，首先判斷是CAN通訊接收中斷還是電流環(huán)中斷，運行喂狗程序保持單片機(jī)程序不跑飛，在喂狗程序運行完后檢測CAN通訊是否正常，如果不正常，則停止鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動報警提醒駕駛員并退出中斷；如果通訊正常判斷是否達(dá)到10 ms，如果沒有達(dá)到10 ms，通過霍爾傳感器計算當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速值與目標(biāo)值做差通過專家PID確定哪種PID比較適合，再通過轉(zhuǎn)速誤差與轉(zhuǎn)速變化率通過模糊控制器得到相應(yīng)p、i和d，最終輸出目標(biāo)I值。速度外環(huán)框圖如圖11所示。

圖11 速度外環(huán)框圖

4 測試過程及結(jié)果

4.1 實驗測試平臺搭建

圖12為實驗平臺搭建布置，最小系統(tǒng)板通過信號線與鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動板相連，鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動板與鼓風(fēng)機(jī)相連，系統(tǒng)板和驅(qū)動板的供電都由直流電源供電。

4.2 速度測試

通過上位機(jī)得到換向控制算法與改進(jìn)算法轉(zhuǎn)速圖像如圖13、圖14所示。在450 ms時通過CAN通訊向調(diào)速模塊發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速，兩種控制方法下都在150 ms時第一次到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并且換向控制算法超調(diào)量為110 r/min，而改進(jìn)算法的超調(diào)量僅為60 r/min，這體現(xiàn)專家系統(tǒng)模糊PID控制器的優(yōu)越性。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時改進(jìn)后的算法的波動在2%內(nèi)，而換向算法波動在4.5%以內(nèi)。因此，改進(jìn)后的算法轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定，這體現(xiàn)了矢量控制的優(yōu)勢。在225 ms時再次加速到2 000 r/min換向算法超調(diào)量依然比改進(jìn)算法大，速度穩(wěn)定性依然比改進(jìn)算法差。因此，本無刷直流鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速模塊轉(zhuǎn)速測試正常{張繼華, 2021 #5}。

圖12 實驗布置圖

圖13 換向算法鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速圖

圖14 改進(jìn)算法鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速圖

5 結(jié)論

（1）矢量控制雙閉環(huán)算法成功解決換向控制算法的轉(zhuǎn)矩波動帶來的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定問題，保證了風(fēng)量的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）轉(zhuǎn)速外環(huán)使用了專家模糊PID降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

（3）本調(diào)速模塊可以實現(xiàn)了風(fēng)量的全范圍調(diào)節(jié)，能夠滿足用戶需求。

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Design of Speed Regulation Module for Automobile Air-conditioning DC Brushless Blower

GONG Xiaoqing

( Innovation Research and Development Institute of Shanghai Automobile Group Company Limited,Shanghai 201803, China )

Most of the direct current (DC) brushless blower speed regulation module using the commutative control algorithm will lead to the torque fluctuation of the blower motor, which reduces the stability of the motor output air volume. MC9S12XDP100 is used to design the speed regulation module of DC brushless blower, and hardware and software systems are developed, and the vector control double closed-loop algorithm is designed in this paper,and the expert system fuzzy proportion integration differentiation(PID) is used to adjust the parameters in the speed outer loop.Through the test of speed, air volume and other related parameters, the experiments show that the speed regulation module solves the problem of torque fluctuation caused by the commutation control algorithm effectively and improves the output stability of air volume of air conditioning blower effectively.

Direct current(DC) brushless blower;Speed regulation module;Field oriented control(FOC); Expert system;Fuzzy proportion integration differentiation(PID)

U463.8

A

1671-7988(2023)03-100-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.019

龔曉慶（1991—），男，碩士，工程師，研究方向為汽車電子電氣，E-mail:1074500565@qq.com。