崔 巍，孫 杰，范洪偉，章躍進(jìn)，徐美華

(上海大學(xué)，上海200072)

0 引 言

冷卻風(fēng)機(jī)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分。由于傳統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱要求準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳溫度進(jìn)行工作，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和工作的可靠性。電動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和負(fù)荷的不同工況實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能，具有明顯的節(jié)能效果，是冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。

無(wú)刷直流冷卻風(fēng)機(jī)使用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用電子換向，省去了電刷，大大改善了有刷直流風(fēng)機(jī)存在的可靠性問(wèn)題。同時(shí)，高性能永磁材料的應(yīng)用也大大提高了電機(jī)性能，因此無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)，特別是三相無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，也成為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)模式主要有半橋和全橋兩種基本類(lèi)型?？紤]到冷卻風(fēng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)以及汽車(chē)工業(yè)對(duì)可靠性和控制器體積的嚴(yán)格要求，半橋驅(qū)動(dòng)模式具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，是目前無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主流驅(qū)動(dòng)方案［2］。

三相半橋無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)行時(shí)，每相繞組只需通電1/3電周期，其余時(shí)間則處于關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管PWM斬波調(diào)壓的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于繞組中的電流不能突變，通常在電機(jī)繞組兩端反向并聯(lián)二極管來(lái)進(jìn)行續(xù)流(如圖1所示)。由于繞組能量以轉(zhuǎn)換為熱能的形式最終消耗在繞組和二極管上，因此對(duì)于提高系統(tǒng)效率是不利的。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文實(shí)現(xiàn)了一種四相半橋無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其中電機(jī)繞組采用雙線并繞設(shè)計(jì)［3］。其獨(dú)特之處在于，當(dāng)一相繞組進(jìn)行PWM斬波調(diào)制時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間利用兩相繞組之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)在另一相繞組中感應(yīng)出較高幅值的互感電勢(shì)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)反并聯(lián)二極管構(gòu)成的續(xù)流通路在另一相繞組中形成負(fù)半波電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組能量至蓄電池的回饋。與常規(guī)半橋控制無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相比，該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的效率，同時(shí)也保持了低成本的特點(diǎn)。在考慮驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)及其具體電機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性和準(zhǔn)確性。

圖1 三相半波無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主電路

1 系統(tǒng)工作原理和特性分析

如圖2所示，該四相電機(jī)繞組采用雙線并繞工藝，即A相繞組和C相采用雙線一起繞成，只是極性相反，兩相繞組間完全耦合，互感與自感值相等，B相和D相的關(guān)系也一樣。另外，磁路系統(tǒng)的特點(diǎn)使得任意其它兩相之間的互感近似為零，可以忽略不計(jì)。本文控制系統(tǒng)采用半橋控制模式，主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4所示。采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的斬波控制，通過(guò)調(diào)節(jié)每相繞組上所加電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

圖2 四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組原理圖

圖3 四相半橋無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路

圖4 半橋結(jié)構(gòu)的功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

基于電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)A、C相的電路方程和B、D相的電路方程分別求解分析。以0°～90°電角度區(qū)間為例，此時(shí)電機(jī)A、C等效電路模型如圖5所示。采用分時(shí)段線性電路的思想對(duì)如圖5電路在每一個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)的工作特性進(jìn)行分析。

圖5 0°～90°電角度區(qū)間A、C相等效電路

由圖4的功率開(kāi)關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)可知，在t=t0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)A相開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，蓄電池Ed向繞組供電，電流ia按指數(shù)曲線上升。對(duì)于t0＜t≤t1，忽略功率開(kāi)關(guān)器件的管壓降，A相能量釋放回路電壓方程為:

由于C相關(guān)斷，且La=Lm=L，故上式可進(jìn)一步寫(xiě)成:

當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制A相功率管關(guān)斷。由于電機(jī)A、C兩相繞組完全耦合，A相繞組中存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間將在C相繞組中產(chǎn)生幅值較高的互感電勢(shì)。該電勢(shì)通過(guò)C相開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)二極管構(gòu)成的續(xù)流通路形成負(fù)半周電流ic。對(duì)于t1＜t≤T，忽略開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降，有:

由于A相關(guān)斷，故上式可進(jìn)一步寫(xiě)成:

設(shè)此階段電流初值為Ic0，解上式得:

由于電機(jī)A、C兩相繞組耦合系數(shù)為1，磁鏈不能突變，可認(rèn)為在一個(gè)PWM周期內(nèi)A相繞組進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的電流初值與C相繞組通過(guò)續(xù)流二極管向蓄電池充電結(jié)束時(shí)的電流終值相等，而C相繞組進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)進(jìn)行能量回饋時(shí)的電流初值就是A相繞組導(dǎo)通階段結(jié)束時(shí)的電流值，故有:

而Ia0、Ic0的值可由下式確定:

由于0°～90°電角度區(qū)間只有A相功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，因此式(6)解得的ic并非C相繞組導(dǎo)通的電流，而是C相繞組能量通過(guò)與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的反向二極管和蓄電池構(gòu)成釋放回路的回饋電流。因此一個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)，蓄電池直流輸入電流可表示:

一個(gè)周期T結(jié)束后，將再驅(qū)動(dòng)A相功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，重復(fù)上一PWM周期的過(guò)程。一個(gè)電周期內(nèi)的其他電角度區(qū)間的情況也相同。

四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁功率可表示:

瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

輸出平均轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:T為周期;T0為電機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩。

2 無(wú)位置傳感器控制的實(shí)現(xiàn)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需要位置傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信息，位置傳感器的存在不但增加了電機(jī)系統(tǒng)體積和成本，而且很大程度上成為電機(jī)的故障源之一。為了進(jìn)一步提高該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性，本文采用基于軟件實(shí)時(shí)采樣反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步提高了可靠性。

圖6給出了本文四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的相反電勢(shì)和相電流波形對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可知，當(dāng)斷開(kāi)相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零之后，再經(jīng)過(guò)45°電角度，就是該相的換相點(diǎn)。因此，只要檢測(cè)到各相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和下次繞組換相的時(shí)間。

圖6 四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和相電流波形

本文所采用的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法通過(guò)微處理器內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換單元在功率開(kāi)關(guān)管PWM開(kāi)通時(shí)刻對(duì)斷開(kāi)相繞組的端電壓進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)此時(shí)斷開(kāi)相繞組的電壓方程，可得具體反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)策略為:

式中:up為斷開(kāi)相繞組的端電壓;ep為斷開(kāi)相繞組的反電勢(shì)。

假定T1表示從換相到采樣到電壓up的時(shí)間間隔。隨著反電勢(shì)的增加，不斷將采樣得到的電壓up與蓄電池直流電壓Ed進(jìn)行比較。如果up＞Ed，則繼續(xù)采樣比較。當(dāng)up＜Ed的瞬間，記下時(shí)間T2，則T2為從換相到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的45°電角度時(shí)間，然后與上一次的90°電角度時(shí)間進(jìn)行平均，得出新的90°電角度時(shí)間作為換相周期。

四相無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括8位低成本微處理器、驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路。與傳統(tǒng)反電勢(shì)法相比，由于只在PWM開(kāi)通時(shí)刻對(duì)端電壓進(jìn)行檢測(cè)，所以檢測(cè)到的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)不存在與速度相關(guān)的相位延時(shí)，因而不需要相位延遲補(bǔ)償電路。此外，該方法基于軟件實(shí)時(shí)采樣反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，省略了模擬比較器等硬件，大大簡(jiǎn)化了硬件電路。

圖7 無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖

3 系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在結(jié)合電機(jī)參數(shù)和具體電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了四相無(wú)刷直流冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，并研制了樣機(jī)和無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。冷卻風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具體技術(shù)參數(shù)為:額定功率400 W，額定電壓12 V，最大輸入電流38 A，轉(zhuǎn)速范圍600～2 450 r/min，極對(duì)數(shù)為4，相數(shù)為4。

圖8給出了四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電流的仿真波形。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，盡管控制系統(tǒng)采用半橋結(jié)構(gòu)，但結(jié)合電機(jī)的特點(diǎn)，實(shí)際上達(dá)到全波電流的控制效果。此外，可以發(fā)現(xiàn)本文四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電流波形具有特殊性，由于雙線并繞兩相之間存在強(qiáng)耦合特性，某一相的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，該相繞組的電流相應(yīng)立即達(dá)到相應(yīng)值或降為零，呈突變狀。

圖9給出了功率管采用60%占空比進(jìn)行PWM斬波時(shí)蓄電池輸出至逆變器的電流仿真波形?？梢园l(fā)現(xiàn)，功率管導(dǎo)通時(shí)，蓄電池正向輸出電流。在功率管關(guān)斷時(shí)，繞組能量利用互感電勢(shì)通過(guò)續(xù)流通路回饋蓄電池，此時(shí)蓄電池反向輸入電流。這表明，本文實(shí)現(xiàn)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)方案較常規(guī)三相半橋無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有較高的能量利用率。

圖8 四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電流波形仿真波形

圖9 蓄電池直流輸入電流仿真波形

圖10和圖11給出的實(shí)驗(yàn)波形和上述仿真波形相符，較好地驗(yàn)證了本文風(fēng)機(jī)系統(tǒng)方案的可行性和正確性。

圖10 四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電流實(shí)驗(yàn)波形

圖11 蓄電池直流輸入電流實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種四相半橋無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。該四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組采用雙線并繞設(shè)計(jì)，A、C和B、D兩相繞組間完全耦合，而任意其它兩相之間的互感近似為零?；谶@一特點(diǎn)，控制系統(tǒng)可以利用功率管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的較高幅值互感電勢(shì)將繞組中存儲(chǔ)的能量回饋電源，從而實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，采用基于軟件實(shí)時(shí)采樣反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了該四相半波無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

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