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        基于無傳感器FOC控制的電子水泵研究與實現(xiàn)

        2017-10-17 12:24:30韓軍良馮長虹周相青
        山東工業(yè)技術(shù) 2017年20期

        韓軍良 馮長虹 周相青

        摘 要:采用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī),設(shè)計了一款電子水泵。采用無位置傳感器的磁場定向控制方案,應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度,給出了硬件電路設(shè)計和軟件算法設(shè)計。實驗結(jié)果表明了所設(shè)計的電子水泵系統(tǒng)合理可行,具有較高性價比。

        關(guān)鍵詞:電子水泵;直流無刷電機(jī);磁場定向控制;滑模狀態(tài)觀測器

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.109

        1 引言

        電子水泵具有控制靈活、節(jié)能和使用方便的特點(diǎn),在傳統(tǒng)汽車和新能源汽車中的應(yīng)用越來越廣泛。直流無刷電機(jī)具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī)(BLDCM)作為電子水泵的驅(qū)動電機(jī),為了避免使用位置檢測傳感器帶來成本增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及傳感器本身可能發(fā)生的故障等問題,針對直流無刷電機(jī)采用基于無位置傳感器的磁場定向控制(FOC)方案,設(shè)計了硬件電路和軟件實現(xiàn)算法。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計合理,控制精度高,穩(wěn)定性好,達(dá)到了電子水泵所要求的流量和揚(yáng)程指標(biāo)。

        2 無傳感器FOC控制方法

        FOC的基本思想是通過矢量變換將永磁同步。電動機(jī)的定子電流分解到轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中,對勵磁電流分量(d軸分量)和轉(zhuǎn)矩電流分量(q軸分量)分別加以控制,從而使永磁同步電動機(jī)具有與直流電動機(jī)相同的控制特性。作為無位置傳感器FOC控制算法的核心,轉(zhuǎn)子位置估計直接決定了電機(jī)的控制性能。常用的轉(zhuǎn)子位置估算方法主要有:自適應(yīng)觀測器法,直接或者間接從電機(jī)反電動勢中提取位置信息,但是此種方式計算量大,對電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng),此外在電機(jī)低速時轉(zhuǎn)速位置估算困難[1];擴(kuò)展的卡爾曼濾波觀測器[2,3]法(EFK),由于系統(tǒng)的噪聲未知,濾波觀測器參數(shù)不易調(diào)整,該算法的計算量也比較大;高頻信號注入法[4],這種辦法對信號檢測精度要求較高,且需要設(shè)計多個濾波器,實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。本文應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器[5,6]來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度。

        本文中使用的是反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī),特性與表貼式永磁同步電機(jī)接近,因此采用表貼式永磁同步電機(jī)的控制策略。

        3 系統(tǒng)電路硬件設(shè)計

        系統(tǒng)硬件電路包括控制電路、功率電路和通信電路三部分??刂齐娐酚芍骺匦酒捌渫鈬娐窐?gòu)成,主控芯片采用英飛凌公司的馬達(dá)控制芯片TLE9879QXA20,TLE9879QXA20是一款單芯片三相馬達(dá)驅(qū)動器,集成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex M3內(nèi)核。它包含6個集成的N型MOSFET驅(qū)動器,能夠通過6個外部功率MOSFET驅(qū)動三相馬達(dá),其電荷泵實現(xiàn)了低壓操作和可編程電流與電流斜率控制,從而實現(xiàn)了更優(yōu)異的EMC性能。通信電路采用PWM/ LIN通信方式,用于電子水泵與整車控制器之間的通信。

        電子水泵功率電路設(shè)計原理圖如圖1所示。蓄電池正極經(jīng)過EMC電路后,作為直流母線電壓給三相半橋電路供電,控制與驅(qū)動電路與三相半橋電路的信號輸入端連接,提供正弦電流的驅(qū)動信號。

        圖中Rs是電流采樣電阻,電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成了一階RC濾波電路,輸出信號端OP2、OP1與TLE9879QXA20內(nèi)部的電流放大器輸入端相連,構(gòu)成了單電阻電流采樣方式,通過程序解算算法可以解算出直流無刷電機(jī)的三相電流值。MOSFET開關(guān)管Q1和電阻R3、R4構(gòu)成了蓄電池防反接保護(hù)電路,正常工作時MOSFET開關(guān)管Q1工作于同步整流方式,使得蓄電池防反接保護(hù)電路具有更高的效率。

        4 FOC控制算法的實現(xiàn)

        FOC控制算法主要有3大部分組成:PI控制器部分、SVPWM變換部分與位置和速度估算器部分構(gòu)成,如圖2所示。圖中,PI控制器部分包括外環(huán)的速度閉環(huán)控制和內(nèi)環(huán)的電流閉環(huán)控制,第一個PI控制器用于速度閉環(huán)控制,第二個PI控制器用于電流Iq的閉環(huán)控制,第三個PI控制器用于電流Id的閉環(huán)控制。由圖1中電流采樣電阻Rs采樣的電流值,通過程序解算算法得到abc三相坐標(biāo)系下的三相電流值、和,通過Clarke變換和Park變換轉(zhuǎn)換得到在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流值和。應(yīng)用滑模狀態(tài)觀測器來估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度θ,進(jìn)而計算出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。速度環(huán)PI控制就會根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速值與實際轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)q軸的給定電流的大小。為了能夠達(dá)到與直流電動機(jī)相同的控制效果,采用“=0”的控制策略,即令=0,通過來控制電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小。在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,與、與的偏差值分別通過d、q軸PI控制器的調(diào)節(jié)得到d、q軸的輸出電壓和,最后通過Park逆變換將和轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓和,在SVPWM算法中,用于計算每路輸出電壓的占空比。

        5 實驗及結(jié)果分析

        本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機(jī)作為電子水泵的驅(qū)動電機(jī),采用TLE9879QXA20作為主控芯片,設(shè)計了一款額定功率為60W電子水泵。直流無刷電機(jī)的反電動勢系數(shù)為1.27mV/rpm,電機(jī)的極對數(shù)為2對極,定子繞組的電感為250μH,定子繞組的內(nèi)阻為0.2Ω。

        對設(shè)計的電子水泵進(jìn)行了測試。圖3是使用的直流無刷電機(jī)的反電勢測試波形圖,從圖3可以看出,該直流無刷電機(jī)的反電勢波形為近似正弦波。

        圖4是三相半橋MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動信號波形,為調(diào)制頻率為20KHz的正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動信號。圖5是電子水泵電機(jī)的線電流測試波形,線電流測試波形表明電子水泵電機(jī)的工作驅(qū)動電流為正弦波

        電流。圖6是60W電子水泵電機(jī)額定工作時的性能測試曲線,額定工作電壓為12V。測試結(jié)果表明,本文開發(fā)的電子水泵的流量與輸入電功率為近似線性關(guān)系,輸入電功率越大,流量越大。揚(yáng)程與流量的關(guān)系為非線性關(guān)系,當(dāng)流量較大時,隨著流量的加大,揚(yáng)程逐步減小,在流量不大時,揚(yáng)程基本保持不變。

        6 結(jié)論

        本文以直流無刷電機(jī)作為電子水泵的驅(qū)動電機(jī),給出了直流無刷電機(jī)的無傳感器FOC控制策略,設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法。采用針對直流無刷電機(jī)的無位置傳感器FOC控制技術(shù),轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),系統(tǒng)噪聲低,不但能夠降低系統(tǒng)成本,還可以增加系統(tǒng)的可靠性。實驗結(jié)果表明了所設(shè)計的電子水泵系統(tǒng)合理可行,穩(wěn)定性好,具有較高的性價比。

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊宇澄,徐慶.一種PMSM無位置傳感器FOC控制的滑模觀測器設(shè)計[J].家電科技,2013(05):89-90.

        [2]Morimoto,S.,Kawamoto,K,Sanada,M.,Takeda,Y.Sensorless control strategy for salient-pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame.IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38(04):1054-1061.

        [3]J Kim,I Jeong,K Nam,J Yang,T Hwang.Sensorless Control of PMSM in a High-speed Region Considering Iron Loss.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(05):6151-6159.

        作者簡介:韓軍良(1979-),男,河南唐河人,博士,講師,主要研究方向:電機(jī)驅(qū)動與控制。endprint

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