任金波，胡冰樂，張 翔，施火結(jié)

（1.福建農(nóng)林大學 機電工程學院，福州 350002；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044）

0 引言

新能源汽車電池在大電流工作或充電的過程中會因蓄電池的內(nèi)阻而產(chǎn)生大量的熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液的汽化，如不對其進行強制散熱，溫度過高后可能導致蓄電池爆炸而產(chǎn)生危險。受布置空間和整車質(zhì)心位置的限制，蓄電池無法布置在前艙通風處以充分利用汽車行駛過程中的空氣流進行散熱，在充電過程中，也缺少流動空氣帶走大量熱量，因此需要采用散熱風扇進行強制散熱以抑制蓄電池在汽車行駛或充電過程中的溫升[1]。永磁同步電機（PMSM）具有電磁兼容性好、體積小、噪聲小、可靠性高、壽命長、效率高和工作轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點、且能克服無刷電機存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題，常被采用作為電池散熱風扇的驅(qū)動電機。PMSM控制技術是一個復雜的工程問題，主要分為矢量控制（Field Orientation Control，F(xiàn)OC）技術和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）技術[2,3]。FOC具有良好的中、低速性能，雖然其轉(zhuǎn)速及扭矩的瞬態(tài)響應較慢，但其目標轉(zhuǎn)速和扭矩的響應時間可以通過算法改進；DTC雖然具有瞬態(tài)響應良好、受電機參數(shù)變化影響小等優(yōu)點，但其起動和低速性能差，電流和轉(zhuǎn)矩有很大的脈動。由于帶觀測器的FOC算法對電機的控制更準確，電機模型對實際電機的參數(shù)更不敏感，能適應電機負荷的突變工況，因而本文采用帶觀測器的FOC控制算法對電池散熱風扇PMSM驅(qū)動器進行設計。

1 帶觀測器的FOC算法模型

1.1 FOC算法框圖

電機驅(qū)動器采用帶狀態(tài)觀測器的磁場定向矢量控制技術（FOC算法）。FOC算法的框圖如圖1所示[4～6]。

圖1 FOC算法框圖

1.2 FOC算法數(shù)學模型

如圖1所示，系統(tǒng)通過Clarke變換將電機的三相電流變換為定子坐標系下的兩相電流，Clarke變換如式(1)所示：

式(1)中： iα、iβ為定子坐標系下兩相電流，ia、ib為電機三相繞組中A相和B相的工作電流。

將iα和iβ經(jīng)Park變換轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子坐標系下的電機交直軸工作電流iq和id，Park變換如式(2)所示：

式(2)中，θ為轉(zhuǎn)子的位置角度。

控制器根據(jù)設置的目標轉(zhuǎn)速，并由速度PI控制所產(chǎn)生的目標交軸電流，將目標交軸電流和經(jīng)Park變換得到的電機工作實際交軸電流送給PI控制器計算得到轉(zhuǎn)子坐標系下的交軸控制電壓vq；將直軸目標電流和經(jīng)Park變換得到的電機工作實際直軸電流送給PI控制器計算得到轉(zhuǎn)子坐標系下的直軸控制電壓vd；通過觀測器計算電機轉(zhuǎn)子的負角速度，并對電機模型進行修正，根據(jù)角速度估算電機轉(zhuǎn)子的下一工作位置，將vd、vq和估算的轉(zhuǎn)子位置θ按式(3)進行Park逆變換，得到定子坐標系下的兩相控制電壓vα和vβ。

將定子坐標系的兩相控制電壓vα和vβ按式(4)進行Clarke逆變換轉(zhuǎn)換為定子坐標下三個繞組的三相正弦控制信號：

將計算所得的定子線組控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂迫郒橋6個功率器件的開關控制信號，實現(xiàn)對定子三相繞組工作電流的控制。

1.3 電池散熱風扇電機模型

電池散熱風扇電機模型依據(jù)式(5)估算電機轉(zhuǎn)子坐標系下的交直軸控制電壓vqs和vds：

式(5)中：rs為繞組電阻，Ls為繞組電感，ω為電機角速度，λ、φ為磁鏈。

電機的估算力矩Te為：

式(6)中：p為電機極對數(shù)。

將PMSM的電壓方程變換到α、β坐標系，并把a軸定位在α軸上得式(7)、式(8)：

把磁鏈方程式(8)代入電壓方程得：

將式(9)變換后得到電機模型的狀態(tài)方程：

簡化方程，引入兩個新的狀態(tài)變量，分別為α軸和β軸的反感應電動勢：

假設機械變量相對于電變量變化緩慢得多，則式(10)可簡化為式(11)：

與式(11)電機模型相對應的觀測器模型為：

式(12)中：K1、K2為模型修正增益。將式(12)按控制周期T離散化得差分方程(13)：

電機轉(zhuǎn)子位置根據(jù)式(14)計算得到，由轉(zhuǎn)子位置微分即可得到轉(zhuǎn)子運動的角速度。

因此，將iα、iβ、vα和vβ分別按電機模型式(11)和觀測器模型式(13)計算，比較二者輸出結(jié)果的差異，并根據(jù)差值大小，乘以修正增益來修正觀測器模型參數(shù)，從而有效保證二者在控制過程中始終保持一致。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

PMSM驅(qū)動器由穩(wěn)壓模塊、過欠壓保護模塊、過熱保護模塊、逆變模塊、FOC計算控制模塊、過流保護模塊和接口通訊模塊組成，各模塊間的關系如圖2所示。

圖2 硬件模塊

電源穩(wěn)壓模塊：將供電電壓穩(wěn)壓為三種電壓，即單片機MCU使用的3.3V、外圍電路使用的5V和逆變橋驅(qū)動使用的15V；

過欠壓保護模塊：通過MCU（微控制單元）對電機母線電壓進行實時采集，并經(jīng)濾波處理后進行過電壓或欠電壓判斷，超出正常工作范圍后，系統(tǒng)進入保護狀態(tài)；

過熱保護模塊：用于設置溫度傳感器和控制熱敏保護開關，當溫度逼近設定閾值時，通過控制風扇的功率以控制發(fā)熱量；同時，熱敏開關對PCB板和環(huán)境溫度設置第二重保護，當超過閾值時，電路斷電以仿造成損壞；

驅(qū)動逆變模塊：采用6片N型功率MOS管構成三相H橋，并由專用的MOS管驅(qū)動芯片構成驅(qū)動電路，實現(xiàn)對MOS管開或關的控制；將FOC計算控制模塊送來的六路PWM信號轉(zhuǎn)變?yōu)镸OS管的開關狀態(tài)，實現(xiàn)母線電壓與控制電壓的硬件隔離；

FOC計算控制模塊：由32位ARM單片機構建，完成信號的采集、處理、PID環(huán)計算、三相PWM逆變信號的產(chǎn)生，以及接口及保護數(shù)據(jù)的采集與處理；

接口通訊模塊：將電池管理系統(tǒng)發(fā)送的控制轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)為電機工作的目標轉(zhuǎn)速，同時將控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、保護狀態(tài)通過接口傳給電池管理系統(tǒng)。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

電機啟動參數(shù)設置模塊：采用無傳感器的FOC算法，電機達到一定轉(zhuǎn)速后才能進行閉環(huán)FOC控制，當系統(tǒng)運行啟動時，電機啟動控制模塊基于升頻升壓的控制方式，控制系統(tǒng)開環(huán)起動，同時，對電機的轉(zhuǎn)速及FOC閉環(huán)控制模塊估算的電機轉(zhuǎn)速進行統(tǒng)計，得到二者的收斂誤差后，切換到閉環(huán)控制狀態(tài)，使系統(tǒng)的啟動轉(zhuǎn)速和電流可控升高，即實現(xiàn)軟啟動。

控制模塊：控制模塊是對電機的轉(zhuǎn)速、換相相位、FOC計算的交直軸電流進行控制，將電機監(jiān)控參數(shù)、電流信號、FOC算法參數(shù)、FOC算法結(jié)果上傳給上位機，同時接收上位機傳來的設置參數(shù)，實現(xiàn)通過上位機與系統(tǒng)聯(lián)機的在線調(diào)試。

3 實驗測試

電池散熱風扇硬件結(jié)構主要由風輪、PMSM、PMSM逆變驅(qū)動控制器組成。PMSM逆變驅(qū)動控制器如圖3所示，驅(qū)動器安裝在電池散熱風扇的基座底部，如圖4所示。

圖3 PMSM逆變驅(qū)動控制器

圖4 驅(qū)動器安裝位置

3.1 調(diào)速實驗

實驗時，設置風扇的轉(zhuǎn)速為1600r/min，得到風扇轉(zhuǎn)速隨時間的實測響應曲線如圖5所示。從圖5可以看出，驅(qū)動器控制系統(tǒng)具有良好的啟動效果，可以快速準確的達到設定目標轉(zhuǎn)速。

圖5 轉(zhuǎn)速為1600r/min時調(diào)速響應曲線

當驅(qū)動器控制電機啟動穩(wěn)定后，將電池散熱風扇的轉(zhuǎn)速調(diào)到2600r/min；穩(wěn)定后，在此轉(zhuǎn)速基礎上，調(diào)高散熱風扇的轉(zhuǎn)速至3200r/min，得到圖6所示的響應曲線圖，調(diào)低散熱風扇的轉(zhuǎn)速至2600r/min，得到圖7所示的響應曲線圖。從圖6、圖7中可以看出，驅(qū)動器控制電池散熱風扇調(diào)速時，具有良好的速度調(diào)節(jié)能力。

圖6 調(diào)增速度響應曲線

圖7 調(diào)減速度響應曲線

3.2 應用性能測試

為檢測驅(qū)動器的穩(wěn)定性和可靠性，對電池散熱風扇進行部分應用性能參數(shù)測試，如圖8所示。

圖8 電池散熱風扇性能測試

實驗表明：風扇在DC12V電壓下可正常工作；欠壓時，在DC8.7V電壓時進入保護狀態(tài)，DC10V時恢復工作；過壓時，在DC16.2V電壓時進入保護狀態(tài)，DC10V恢復工作；且能適應-40℃～85℃的工作環(huán)境溫度，超出范圍后即進入保護狀態(tài)；當風扇電機進行溫升試驗至熱穩(wěn)定后，測取電機輸入功率和輸出功率，測試時選輸出轉(zhuǎn)矩點0.1～0.45N·m，每點間隔0.1N·m測量輸出功率和輸入功率；風扇轉(zhuǎn)速從800～3200rpm每隔800rpm取點，得到電池散熱風扇的電機效率如表1所示。

表1 電池散熱風扇電機效率

從表1中可以看出，在驅(qū)動器控制下，電機可以在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，當轉(zhuǎn)速在3200轉(zhuǎn)/分時，電機最高效率達88%，可以驅(qū)動電池散熱風扇正常工作。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新能源汽車電池散熱風扇驅(qū)動器，控制系統(tǒng)采用了帶狀態(tài)觀測器的FOC算法，可對電機的工作狀態(tài)進行實時跟蹤比較，根據(jù)比較結(jié)果對算法中的電機模型參數(shù)進行修正，使算法中的電機模型參數(shù)與電機實際運行狀態(tài)保持一致，能更準確實現(xiàn)對電機的實時控制，并通過實驗測試了驅(qū)動器的調(diào)速性能、驅(qū)動電機運行時的穩(wěn)定性和可靠性，從而保證電池散熱風扇安全可靠工作。