曾鷹

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

自動變速器以油液為傳動媒介，驅(qū)動離合器和撥叉完成各種動作。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)采用的機械式油泵效率低下，并且在某些對油壓需求較小的工況，仍然滿功率運行，造成能源浪費、油耗高。因此新式的以電子油泵代替機械油泵的液壓系統(tǒng)得到發(fā)展應(yīng)用。電子油泵以無刷直流電機(Brushless Direct Current，BLDC)作為驅(qū)動，具有效率高、響應(yīng)快和功率可調(diào)等優(yōu)點。BLDC是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機，具有體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長、效率高、慣量小和控制精度高等優(yōu)點,同時還保留了普通直流電動機優(yōu)良的機械特性。應(yīng)用于汽車的產(chǎn)品要求控制系統(tǒng)設(shè)計簡易、成本低廉、控制算法合理、開發(fā)周期短。

1 無刷直流電機工作原理

圖1展示了BLDC電機的橫截面，可以看出它主要由永磁轉(zhuǎn)子、定子繞組和轉(zhuǎn)子位置檢測器(霍爾傳感器)3個部分組成。無刷直流電機的設(shè)計思想來源于有刷直流電機，與有刷直流電機相比，除了沒有機械電刷之外，其定子和轉(zhuǎn)子的位置也互調(diào)了。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子由永磁體組成，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的恒定磁通。無刷直流電機的定子中有多相繞組，常常為三相。其運行原理與有刷直流電機一樣，即都是在一個恒定的磁通密度分布的磁極下，由電流總量是恒定的繞組導(dǎo)條切割由磁極產(chǎn)生的磁力線，感應(yīng)出恒定大小的電磁轉(zhuǎn)矩(同一轉(zhuǎn)速下)。只是無刷直流電機產(chǎn)生磁通的磁極是旋轉(zhuǎn)的，而切割磁力線的導(dǎo)條是不動的，但是這兩者之間還是保持著相對運動的關(guān)系。

圖1 BLDC電機結(jié)構(gòu)示意圖

無刷直流電機驅(qū)動有多相結(jié)構(gòu)，可分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，全橋驅(qū)動又分成星形和角形連接以及不同的通電方式。如圖2所示，采用的方式為三相星形全橋驅(qū)動，該方式以繞組利用率高、轉(zhuǎn)矩的波動較小和電路成本較低的優(yōu)勢而使用最多。

圖2 電子油泵電機三相星型全橋電路示意圖

2 電子油泵電機的控制方法

2.1 直流無刷電機控制方式

無刷直流電動機控制方式通?？梢苑譃槿嗔鶢顟B(tài)120°雙極性、三相六狀態(tài)180°雙極性、三相三狀態(tài)120°單極性、三相六狀態(tài)180°單極性4種方式。三相六狀態(tài)雙極性控制方式每次至少兩相繞組導(dǎo)通，可以保證導(dǎo)通繞組處于較大的磁通密度下，對比三相三狀態(tài)控制方式，更加充分地利用了永磁體磁極產(chǎn)生的磁通。而三相六狀態(tài)180°雙極性控制方式在任意時刻都有三相繞組導(dǎo)通合成的電磁轉(zhuǎn)矩比三相六狀態(tài)120°雙極性方式下的要大，使得電機的耗電量上升，因此較常用的控制方式為三相六狀態(tài)120°雙極性控制方式。

2.2 三相六狀態(tài)120°雙極性控制方式

圖3 聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖

如圖4所示，每個狀態(tài)下，均有兩相繞組被導(dǎo)通，即每個狀態(tài)下，有兩相導(dǎo)通繞組切割磁力線。其感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力將是兩相繞組產(chǎn)生的電磁力的合成。由于在轉(zhuǎn)子磁極邊緣磁通很小，在兩極的中間位置，磁通為零。為了充分利用轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁通，獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩，在每次兩相繞組導(dǎo)通的情況下，使用60°電角度換相的方法，一共有6個狀態(tài)。

定子星形連接，三相繞組完全對稱，工作在二相導(dǎo)通、三相六狀態(tài)下；反電勢波形是平頂寬度為120°(電角度)的梯形波；電機在工作過程中磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗；氣隙均勻，磁場為方波,定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱,電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；忽略電樞效應(yīng)、齒槽效應(yīng)。

圖4 導(dǎo)通狀態(tài)圖

在以上假設(shè)條件下，可以得到無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型如下：

利用基爾霍夫電壓定律(KVL)可以得到三相繞組的電壓平衡方程：

其中：uA、uB、uC為定子相繞組電壓(V)；iA、iB、iC為定子相繞組電流(A)；eA、eB、eC為定子相繞組電動勢(V)；R為電機相電阻；L為每相繞組的自感(H)；M為每兩相繞組間的互感(H)。p為微分算子，p=d/dt。由繞組電壓方程可知，無刷直流電機的等效電路如圖5所示。

圖5 無刷直流電機的等效電路圖

2.3 電子油泵電機的位置傳感器

無刷直流電機采用霍爾式位置傳感器來完成轉(zhuǎn)子位置確定和轉(zhuǎn)速反饋?；魻柺轿恢脗鞲衅骼昧穗娏鞯拇判?yīng)原理，即通電的半導(dǎo)體介質(zhì)在外磁場的作用下會產(chǎn)生新的電場。如圖6所示，轉(zhuǎn)子帶動傳感器磁圈運動，在HALL IC中產(chǎn)生相應(yīng)電場。

圖6 霍爾傳感器原理圖

如表1所示：6個MOS管V1～V6按照傳感器反饋的霍爾信號值進行導(dǎo)通，從而實現(xiàn)BLDC電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)精準(zhǔn)換相。

表1 電子泵電機控制真值表

注：V1～V6 分別表示驅(qū)動電橋電路中對應(yīng)的6個MOS管。

2.4 電子油泵電機控制方式

基于液壓系統(tǒng)需求，需要電子油泵泵出足夠的油來平衡泄漏量以達到增加油壓的目的，所以對油泵電機采用轉(zhuǎn)速控制的方式。

假設(shè)某時刻，電機處于A+B-的導(dǎo)通狀態(tài)下，此時的電機電壓平衡方程為：

穩(wěn)態(tài)時，有：

iA=-iB=const

則有：

U-2ΔU=2RiA+Ken

根據(jù)上式，可得BLDC的調(diào)速方程：

其中:Ke為平均反電動勢系數(shù);ΔU為功率管壓降;KT為平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

2.5 電子油泵電機控制算法

控制算法中如果只采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在升速調(diào)節(jié)過程中電壓突然增加，而轉(zhuǎn)子由于慣性原因不會轉(zhuǎn)速突變，速度負(fù)反饋也不會突變，這樣驅(qū)動電流會突然快速上升，造成電流沖擊。因此，一般采用速度-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖7所示:以速度控制為外環(huán)、電流控制為內(nèi)環(huán)，以實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。

圖7 速度-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.6 電子油泵電機控制過程

電子油泵電機負(fù)載起動或負(fù)載突變(擾動)時，調(diào)節(jié)過程分為3個階段：(1)起動(或擾動)；(2)加速；(3)調(diào)節(jié)至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

調(diào)節(jié)過程中，電樞電流Id、轉(zhuǎn)速n、目標(biāo)轉(zhuǎn)速ng、負(fù)載電流IL如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程

在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器用于實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并在保障調(diào)速精度的同時，使得電機機械特性較硬，滿足負(fù)載需求，輸出限值取系統(tǒng)允許最大電流(過流保護)；電流調(diào)節(jié)器用于實現(xiàn)調(diào)速的快速動態(tài)特性，并滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求，限值取自觸發(fā)角的移相范圍。

3 結(jié)束語

電子油泵電機采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以極好地適應(yīng)液壓系統(tǒng)的擾動帶來的負(fù)載突變過程，能夠快速達到穩(wěn)態(tài)。而且應(yīng)用電路簡單，易于實現(xiàn)，體積小。在后續(xù)研究中還可加入油壓-電流特性控制，以達到液壓系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)主壓力的控制需求。