基于無傳感器無刷直流電動機的節(jié)流控制方法

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0150-03

AThrottle Control Method Based on Transducorless BrushlessDCMotor

WANGAixian1，PengYan2，WangSen3 （1.Research Institute of Technology，Jiangsu Chaoli Electric Appliances Co.，Ltd.，Danyang 212321，China; 2.Jingjiang College，Jiangsu University，Zhenjiang212O18，China; 3.Sinomach Automobile Co.，Ltd.，Beijing 100190，China）

【Abstract】Traditional brushless DC motor control methods usualy require the use of sensors to measure the rotor positionand speedof the motor.However，theuseofthesensors increases thecomplexityandcostof thesystem.Based onthis，this paper proposes athrotle control method basedon transducerbrushless DC motoris proposed，sothat the motorcan achieve accurate throtle control without thesensor.This method is basedon thein-Fand current information of themotortoitsderipositionand modeling.First，themotoriscalculatedusingthecurent information.Then，therotor positionofthemotor isestimatedbythewaveformcharacteristicsand thecurrentinformation.Finally，therotorspeedof themotorisobtainedbydistinguishingtheestimatedvalueoftherotorposition.Basedontheobtainedrotorpositionand speed information，the throttling control of the motor can be achieved.

【Key words】 no sensor;brushless DC motor;throttling control

0 引言

從提高車輛操縱的穩(wěn)定性及改善車輛加速時的體感等要求出發(fā)，需要對發(fā)動機的輸出功率自由地進行控制，節(jié)流裝置就是一種向發(fā)動機氣缸內吸入空氣量的控制裝置。在實現這種控制方式的手段中，最有效的方法就是采用導線驅動技術的電子節(jié)流器。

電子節(jié)流裝置的驅動源采用了無刷直流電動機。汽車中通常使用的節(jié)流閥與駕駛室內的加速踏板和加速器索鏈形成了機械上的連接，踏下加速踏板時，由于這種機械上的連接而使節(jié)流閥動作。與機械節(jié)流裝置不同，電子節(jié)流裝置廢棄了上述的加速器索鏈2，采用導線驅動技術來控制節(jié)流閥，即把加速踏板的操作量變換成電量并進行檢測，然后由電動機驅動節(jié)流閥動作。如此，駕駛員在進行加速踏板操作時，可以獨立地驅動節(jié)流閥，因而可以實現對發(fā)動機輸出的自由控制[3]。

1電子節(jié)流系統(tǒng)的構成

電子節(jié)流系統(tǒng)設置了用于檢測駕駛員加速踏板操作量（變換成電信號）的加速踏板位置傳感器（AcceleratorPedalPositionSensor，APS），根據APS信號及其他控制信號（發(fā)動機轉速信號等）計算出節(jié)流閥的目標開度值，作為節(jié)流控制器和發(fā)動機控制器的給定信號，用節(jié)流調節(jié)器信號檢測出實際節(jié)流開度4，構成了反饋控制的節(jié)流控制器。最后根據節(jié)流控制器輸出的電動機控制信號來驅動節(jié)流閥，把節(jié)流閥的開度位置變換成電量并進行檢測的元件稱為節(jié)氣門位置傳感器（ThrottlePositionSensor，TPS）。電子節(jié)流系統(tǒng)構成的簡要框圖如圖1所示。

2節(jié)流閥驅動系統(tǒng)的構成

節(jié)流閥驅動系統(tǒng)的構成如圖2所示。節(jié)流閥控制器采用了三相電壓型PWM變頻器，對無刷直流電動機的三相線圈電流按正弦波形進行控制。三相電壓型PWM變頻器依靠三相PWM控制信號把直流電壓變成三相正弦波交流電壓，為電動機的三相（U相、V相、W相）線圈供電。電動機的三相線圈中流過與各相電壓成比例的電流，產生與電流值成比例的轉矩，并通過減速齒輪傳遞到節(jié)流軸，與在節(jié)流軸上配置的返回環(huán)路的附加力矩相平衡，來驅動節(jié)流閥，使之處于一個平衡位置。

3無刷直流電動機的控制

圖3為無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖。將來自發(fā)動機控制器的節(jié)流目標開度信號和由TPS輸出的實際開度信號送人節(jié)流控制器，由于需要進行實際開度跟蹤目標開度值的控制，可根據位置反饋控制運算，計算出電動機控制Duty（與電動機電流成比例關系）的值。另外，還需要根據轉子磁極位置學習值、TPS輸出信號及電動機相位角初值等，計算出電動機的相位角。再根據上述電動機控制Duty值和電動機相位角計算出三相電壓控制Duty值。

3.1電動機控制Duty值計算

電動機控制Duty（電流）值可以根據節(jié)流開度的位置反饋控制計算式算出。若節(jié)流目標開度為 V₀ 節(jié)流實際開度為 V_r ，則由式（1）算出開度偏差 V_er

V_er=V₀-V_r

按式（2）對開度偏差信號 V_er 作PID控制運算，就可以算出與電動機控制電流成比例關系的電動機控制 Duty 值 （D_m） 。

式中： K_p. ——比例增益; K_i ——積分增益； K_d 微分增益。

3.2轉子磁極位置學習

這里采用的無刷直流電動機不使用檢測轉子位置的專用傳感器（磁電傳感器或光電編碼器等），而是采用了檢測節(jié)流開度的TPS來檢測磁極位置并計算出電動機相位角的方式。為了使轉子磁極位置與TPS的輸出信號之間有一一對應的關系，需要進行轉子磁極位置學習。當發(fā)動機、鑰匙、開關OFF時，令無刷直流電動機按表1所示的通電狀態(tài) ①② ： 依次通電驅動，則節(jié)流閥將從全閉位置到全開位置依次動作。定子線圈位置和由幾何學的位置關系所決定的轉子磁極位置由TPS的輸出信號檢測[5，并與各通電狀態(tài)相對應地進行學習。另外，還要以第一步動作位置的電動機相位角作為初始相位角進行學習。

圖4為三相4極無刷直流電動機的轉子磁極位置的學習動作。當通電狀態(tài)從 ② 切換到 ③ 時，轉子向節(jié)流全開方向轉過 x/6rad ；當通電狀態(tài)從 ② 切換到 ① 時，轉子向節(jié)流全閉方向動作。

3.3電動機相位角計算

根據轉子磁極位置學習值、電動機相位角初值及TPS的輸出電壓，可以計算出電動機的相位角 θ_m （rad），如式（3）所示。這里的電動機位角是一個機械角度。

θ_m=θ_m0+

{（V_TPS-V_MPLN（i））/[V_MPLN（i+1）-V_MPLN（i）]+i}xπ/6

式中： V_MPLN（i） ， i=0～n-1） —轉子磁極位置學習值，這是以電動機步進驅動時的轉子位置作為TPS輸出值的學習值； θ_m0 ——電動機相位角初始值，rad，這是以第一步動作位置時電動機相位角作為初始相位的學習值； V_TPS ——電動機相位角計算用TPS輸出電壓，V，這是電動機相位角計算時使用的TPS輸出電壓的A/D值。電動機相位角與轉子磁極位置學習值的關系如圖5所示。

3.4 電動機相位控制

3.4.1 各相磁通計算（CW基準）

將上述電動機的相位角（機械角度）變換成電角度來計算各相的相位角，并對各相的磁通進行控制。通過式（4）＼～式（6）進行各相磁通的計算，此處各相磁通使用無量綱的相對值來表示。磁通的大小可由通過位置反饋控制運算所求得的電動機控制占空比 D_m 來確定。

Φ_v=sin（θ_E+π/2-2π/3）

Φ_w=sin（θ_E+π/2+2π/3）

轉子磁通波形 Φ_R 與各相磁通波形的關系如圖6所示。

3.4.2 三相電壓控制占空比的計算

為了產生如圖6所示的各相磁通，可根據各相磁通 （φ_U，φ_v，φ_w） 及在位置反饋控制運算時求得的電動機控制占空比，通過以下各式計算三相電壓控制占空比U、V、 W .

ΔU=0.5+0.5X（ΔD_Ω）Xφ_u

V=0.5+0.5X（D_m）Xφ_v

W=0.5+0.5X（D_m）Xφ_w

采用以上方法，可以把無霍爾傳感器的無刷直流電動機應用于汽車的電子節(jié)流裝置。未來，電子節(jié)流裝置在汽車中的應用將進一步擴大，電子節(jié)流技術將向著體積小、質量輕、結構進一步簡化以及低成本和采用非接觸式傳感器等方面進行技術開發(fā)。

4結論

本方法基于電動機的反電動勢和電流信息，通過推導和建模來估計電動機的轉子位置和速度。能夠在無傳感器的情況下實現準確的節(jié)流控制。與傳統(tǒng)的傳感器控制方法相比，該方法具有簡化系統(tǒng)結構、降低成本和提高可靠性的優(yōu)勢。具有潛在的應用前景。

參考文獻

[J].汽車工程，2000，22（3）：197-200，191.

[2]楊中林.電子加速器[J].汽車電器，1985（6）：39-40.

[3]張柏軍，杜峰，劉元偉.IMC耦合PID的節(jié)流閥控制的汽車穩(wěn)定性研究[J].機械設計與制造，2018（10）：127-130.

[4]田麗欣，劉正鵬.節(jié)流開度連續(xù)可變的發(fā)動機緩速器[C]//第八屆全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會，2015.

[5]賀曦.無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[6]楊健，楊淑英，李浩源，等.基于旋轉高頻電壓注入的永磁同步電機轉子初始位置辨識方法[J]電工技術學報，2018，33（15）：3547-3555.

[1]李顯生，高延齡，王云鵬.提高商用車操縱穩(wěn)定性的研究

（編輯楊凱麟）