趙 婷

（濱州學院，山東濱州 256600）

0 引言

汽車作為日常生活和工程中不可或缺的商品，正朝著低功耗、節(jié)能方向發(fā)展，進而促使了新能源汽車的發(fā)展和應(yīng)用。電動機作為汽車的重要元件，其控制策略對于汽車的穩(wěn)定運行和節(jié)能效果均有著關(guān)鍵的影響[1]。車載無刷直流電機的控制因素主要包括速度和電流兩方面。在閉環(huán)反饋的條件下，可實現(xiàn)較為穩(wěn)定的控制[2]。但在某些特殊條件下，控制器的電信號仍可能會出現(xiàn)顯著的波動性，進而使得電機的扭矩出現(xiàn)異常[3]，造成電機驅(qū)動出現(xiàn)劇烈抖動、過熱等問題。

為了解決該問題，本文以車載供水控制器為研究對象，對電機的控制方案進行研究，以便獲取最佳的速度和電流控制策略。

1 車載電機啟動控制策略

對于電機的精確控制，要求對轉(zhuǎn)子位置進行實時監(jiān)測。一般情況下，有的無刷直流電機裝有位置傳感器，可獲取車載電機啟動時的相關(guān)工作參數(shù)。對于沒有位置傳感器的電機，其轉(zhuǎn)子運動學特性的監(jiān)測也是必要的。但是，由于車載電機在啟動過程中，其初始轉(zhuǎn)速和反向電壓均為非常小的值[4]。因此，若采用反向電壓檢測的方法來確定電機轉(zhuǎn)動特性難以實現(xiàn)。在該種情況下，只有達到一定轉(zhuǎn)速后才能獲取準確的電壓信號。為此，可采用過零點反電動勢的三段式啟動方法。

當電動機輸入啟動信號時，初始時刻的轉(zhuǎn)子位置處于未知狀態(tài)，因此需要設(shè)置一個參考點位置，當轉(zhuǎn)子處于該位置（轉(zhuǎn)子對齊）時確定其后續(xù)的運動特性，此外，還需確保電機正常啟動，即保持一定的電磁轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)子對齊需要一定的通電流程，即需要先對兩相繞組輸入電流，第三相繞組暫時斷路。這兩相被通電的繞組在電流作用下，將產(chǎn)生一定的電樞磁動勢，此時，轉(zhuǎn)子在該作用效果下，將自動實現(xiàn)磁勢相對對齊，整個過程如圖1所示。轉(zhuǎn)子的運動受兩相繞組的影響，在繞組的通電瞬間，磁勢方向和轉(zhuǎn)子位置具有明顯的偏差，經(jīng)過特定的時間間隔后（一般不超過1 s），兩者位置達到一致。

當電機轉(zhuǎn)子的對齊和定位操作完成以后，其本身所產(chǎn)生的反電動勢和自身轉(zhuǎn)速均為較小的數(shù)值，若采用零點反電動勢方案進行數(shù)據(jù)檢測，進而完成換向調(diào)節(jié)尚不能保證其可靠性。因此，需要保持一段時間，在經(jīng)歷這段時間后，電機可以穩(wěn)定輸出反電動勢。為此，可在轉(zhuǎn)子端設(shè)定一個計時器，通過開環(huán)控制以確保電機轉(zhuǎn)速的控制。比如，當電機開始執(zhí)行啟動任務(wù)時，計數(shù)器進行遞減計數(shù)，待轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和自身產(chǎn)生的電動勢達到設(shè)定值時，即可檢測出穩(wěn)定數(shù)值，并立刻進行換向動作。

圖1 轉(zhuǎn)子對齊原理

車載無刷直流電動機在啟動時，某些情況下會遇到啟動失敗現(xiàn)象。一般地，產(chǎn)生啟動故障的主要原因有兩個：一是轉(zhuǎn)子的阻力力矩（負載）過大，繞組線圈產(chǎn)生的驅(qū)動力矩無法完成電機啟動；二是繞組電流出現(xiàn)問題，無法實現(xiàn)換向操作。在工程上，若由于負載問題造成的驅(qū)動故障，可調(diào)節(jié)PWM占空比的數(shù)值。合理的數(shù)值有利于電機一定程度的軟啟動效果，確保電機工作穩(wěn)定性。

2 速度電流閉環(huán)控制策略

2.1 工作原理

在電機控制策略中，PID已經(jīng)具備良好的應(yīng)用條件。目前，PID 控制策略經(jīng)過多方面和層次的發(fā)展，逐漸趨于框架簡單化、參數(shù)易控制化等方向，在當代的控制策略中屬于柔性較高的算法，在工業(yè)和工程控制中具備較高的應(yīng)用率[5]。在車載無刷直流電動機的PID控制策略中，其控制流程如圖2所示。可以看出，整個PID控制的主要內(nèi)容要求明確目標參數(shù)值和被采集數(shù)值之間的差值。根據(jù)PID 控制的工作原理，可得出不同環(huán)節(jié)的控制方法。

（1）比例環(huán)節(jié)。比例控制環(huán)節(jié)主要用于調(diào)整目標參數(shù)值和被采集數(shù)值之間的偏差。當控制系統(tǒng)通過反饋得出偏差數(shù)值時，在比例環(huán)節(jié)控制下，能夠增加或減小輸出。

（2）積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)主要用于靜態(tài)誤差的消除。在實際控制過程中，可通過積分作用大小的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)靜態(tài)誤差強弱的控制。

（3）微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的控制效果主要體現(xiàn)在誤差范圍的調(diào)整，這對于偏差的修正有著重要的作用，也是促進控制器快速工作的基本環(huán)節(jié)。在PID控制中，只有合理地選用各個環(huán)節(jié)才能獲取最佳的控制效果。這不但利于電機控制精度，還能確?？刂菩省?/p>

圖2 PID控制原理

2.2 溫度傳感器轉(zhuǎn)速控制

車載無刷直流電機的重要輸出端為水泵，實現(xiàn)空調(diào)溫度的調(diào)節(jié)。在不同的戶外溫度條件下，采用合理的控制策略實現(xiàn)電機的高效控制是節(jié)能降耗的重要手段[6]。汽車在不同的行駛狀態(tài)，車載無刷直流電動機所處的工作條件顯著不同。因此，車內(nèi)水泵的負載也需要隨著電動機的控制而發(fā)生變化。比如，當水泵處于持續(xù)的高負荷運行條件時，若電機轉(zhuǎn)速匹配不合理，將導致電機浪費大量的機械能。電機轉(zhuǎn)速的合理調(diào)節(jié)不但有利于車內(nèi)溫度的快速調(diào)節(jié)，同時也有利于水泵負載的合理運用，以便達到節(jié)能降耗的目的。為此，可采用溫度傳感器對轉(zhuǎn)速進行反饋控制。

若溫度傳感器檢測到車內(nèi)水泵的溫度較高時（超過50 ℃），此時的水泵需要提升其功率狀態(tài)，否則難以滿足功能需求。因此，可將水泵的轉(zhuǎn)速提升至4 000 r/min。這樣一來，能夠有效地確?？照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)的換熱器件穩(wěn)定運行。為實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，可根據(jù)溫度傳感器實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如當水溫開始下降，低于45 ℃時，可將水泵電機轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min。通過溫度的反饋控制，能夠在滿足空調(diào)系統(tǒng)正常工作的條件下，大大減少機械能的浪費。根據(jù)工程實踐可知，基于溫度控制轉(zhuǎn)速的方法，存在溫度的回滯現(xiàn)象。如圖3所示，當溫度檢測在42～44 ℃時，水泵的負載有一個相對明顯的突變。因此，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，需要考慮該回滯現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)速的控制需要存在一定的延遲，否則控制效果會不顯著。

圖3 溫度回滯特性圖

圖4 脈沖寬度調(diào)節(jié)原理

2.3 占空比轉(zhuǎn)速控制

占空比轉(zhuǎn)速控制主要基于PWM 的調(diào)節(jié)而實現(xiàn)。PWM 為脈沖寬度調(diào)制，其工作原理為通過中央處理器的數(shù)字化控制手段完成電子電路導通和斷開的控制[7]。在該控制策略條件下，便于根據(jù)輸入波形的占空比來實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。從本質(zhì)上講，占空比調(diào)節(jié)的主要目的為電機輸入波形的寬度控制，其控制原理如圖4所示。

脈沖寬度調(diào)制可通過脈沖極性差異性進行分類，主要包括單極性、雙極性等。兩者之間具有顯著的差別，特別是倒向電路的調(diào)整，雙極性模式可直接對三角波形進行調(diào)制。車載無刷直流電動機的PWM 控制易于實現(xiàn)，可通過電控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)各個電子器件的數(shù)字信號控制。在占空比控制條件下，輸入脈沖信號的寬度能夠約束對應(yīng)的電樞電壓，通過電壓大小的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。該控制策略具有特定的優(yōu)勢，比如，車載電機在不同的運行條件下，水泵的轉(zhuǎn)速可保持穩(wěn)定。由于占空比轉(zhuǎn)速控制易于實現(xiàn)，靈活性非常高，在很多新能源汽車上有著廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

車載無刷直流電動機在PID控制條件下，其啟動穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)子磁勢相對對齊的時間為100 ms，通過開放性速度調(diào)節(jié)，可使得電機快速完成啟動，零點反電動勢檢測的可靠性良好?；跍囟葌鞲衅骱驼伎毡瓤刂频霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在節(jié)能降耗方面均有著良好的控制效果。車載無刷直流電機在合理的控制策略下，不但能夠有效地保護電機自身的電子器件，避免電流超載，同時能夠?qū)崿F(xiàn)速度的準確、合理調(diào)節(jié)。