李 敏 陳付龍 胡 飛 陶玉貴

（1-蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與人工智能學(xué)院 安徽 蕪湖 241006 2-安徽師范大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院 3-光機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心）

引言

傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇電機(jī)采用有刷電機(jī)作為驅(qū)動部件，但有刷電機(jī)存在維護(hù)難、工作效率低等問題。目前，大部分整車廠也逐步采用BLDCM 作為汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇電機(jī)，因為BLDCM 具有效率高、噪聲低、電源污染小等優(yōu)勢，并且隨著電力電子技術(shù)、先進(jìn)控制理論、智能傳感器技術(shù)、嵌入式處理器的快速發(fā)展，大功率器件如MOSFET 和IGBT 的廣泛使用，使得BLDCM 控制系統(tǒng)越來越成熟，且設(shè)計方案很多[1-6]。但對于當(dāng)今競爭激烈的汽車產(chǎn)業(yè)，零部件企業(yè)會綜合考慮產(chǎn)品性能要求和成本兩方面因素，需設(shè)計性價比較高的產(chǎn)品。鑒于上述原因，同時根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇BLDCM 的技術(shù)要求，采用意法半導(dǎo)體的STSPIN32F0A 作為核心處理器，其內(nèi)部包括控制器，直流-直流變換器，集成運(yùn)放等，通過集成驅(qū)動器控制MOSFET 或IGBT，可設(shè)置死區(qū)時間，具備欠壓保護(hù)和互鎖功能，防止MOSFET 損壞[2]。為抑制輸入噪聲干擾，其內(nèi)部設(shè)有濾波電路[3]。同時，處理器提供PWM 控制引腳驅(qū)動BLDCM，而汽車傳動系控制模塊MSG 發(fā)出的即為PWM 信號[4]。將PWM信號通過光耦隔離后輸入處理器的GPIO 接口，按照PWM 占空比與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行[5]，采用六步換向算法通過轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)的PI 調(diào)節(jié)實(shí)時控制BLDCM 運(yùn)行，并檢測BLDCM 參數(shù)判斷其運(yùn)行情況，從而更加有效提高汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇工作效率。

1 BLDCM 六步換向算法原理

BLDCM 的三相繞組一般采用星形接法，并連接三相橋式逆變電路，通過檢測電機(jī)工作時產(chǎn)生的BEMF 過零信號實(shí)時控制逆變電路中MOSFET 的導(dǎo)通順序，以達(dá)到電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩要求[6]。目前六步換向、FOC、DTC 等控制算法已應(yīng)用于BLDCM 控制系統(tǒng)，六步換向法的基本原理是將母線電壓施加BLDC 電機(jī)的一相繞組，另一繞組接地，其余繞組不通電，按60 度的電角度依次改變?nèi)嗬@組通電順序，驅(qū)動轉(zhuǎn)子工作，控制系統(tǒng)多數(shù)采用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)傳感器位置實(shí)時控制PWM 信號[7]。但需考慮傳感器在BLDCM 中的安裝位置，因此從通用化電機(jī)控制系統(tǒng)的可移植性考慮，則采用無位置傳感器檢測方案更為實(shí)用。BLDCM 在運(yùn)行過程中電機(jī)三相繞組感應(yīng)反向電動勢（BEMF），根據(jù)不同電機(jī)特性，該反向電動勢的波形有正弦波、梯形波等，通過采集BLDCM 的BEMF 過零檢測信號，以控制三相全橋逆變電路PWM 信號時序。通過將該控制算法應(yīng)用于BLDCM 系統(tǒng)，能有效提高汽車風(fēng)扇電機(jī)的工作效率和降低轉(zhuǎn)矩脈動[8]。

2 控制器總體架構(gòu)

控制器硬件由STSPIN32F0A 主控芯片、三相全橋逆變電路、單電阻電流采樣電路、母線電壓檢測電路、BEMF 過零檢測電路、PWM 輸入信號隔離電路、直流穩(wěn)壓濾波電路等構(gòu)成，系統(tǒng)控制框圖和電路圖分別如圖1、2 所示。STSPIN32F0A 產(chǎn)生6 路PWM 信號，經(jīng)過內(nèi)部預(yù)逆變電路后，輸出至三相逆變?nèi)珮螂娐?，分別控制上、下橋臂MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷，根據(jù)三相PWM 信號的采樣要求，當(dāng)占空比在50%以上時，要求采樣時間在PWMON 的時間段，而在50%以下時，則在PWMOFF 時間段采樣。OUTU、OUTV、OUTW 三路信號是作為三相繞組BEMF 過零采樣信號，并經(jīng)過處理電路與STSPIN32F0A 的PA0、PA1、PA2 連接，系統(tǒng)采用單電阻形式電流采樣，以檢測BLDCM 是否發(fā)生過流堵轉(zhuǎn)等故障，并反饋至STSPIN32F0A 的PB1 引腳，實(shí)時控制電機(jī)運(yùn)行。VM是直流母線電壓檢測信號，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過壓故障，根據(jù)BEMF 過零信號檢測BLDCM 轉(zhuǎn)子位置，從而輸出六步換相PWM 信號。通過BEMF 過零信號檢測電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，采用PI算法調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。通過改變STSPIN32F0A 輸出的PWM 占空比調(diào)節(jié)電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為確保電路的穩(wěn)定性和抗干擾性，外部模擬MSG 發(fā)出的PWM 信號經(jīng)光耦隔離再接入到PA5 引腳，如圖2所示。為保證嵌入式系統(tǒng)可靠復(fù)位，采用阻容串聯(lián)電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位，通過電阻分壓電路間接獲得母線VM 電壓值，并送至嵌入式處理器的GPIO 接口PB1。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇BLDCM 控制系統(tǒng)框圖

2.1 三相橋式逆變電路

BLDCM 控制系統(tǒng)中三相全橋逆變電路使用較為廣泛，在許多文獻(xiàn)中均有介紹，電路原理以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也大致相同[8-9]。本系統(tǒng)也是采用通用的六管逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載特性，采用CRTD077 MOSFET 設(shè)計逆變電路。如圖2 所示以一相電路為例，HSV，LSV 分別為電機(jī)三相中V 相MOSFET 的上、下橋臂驅(qū)動信號，OUTV 是中性點(diǎn)電壓檢測信號，由于處理器內(nèi)部已具備互鎖功能，因此不會出現(xiàn)上下橋臂MOSFET 同時導(dǎo)通，為快速關(guān)斷MOSFET，減少關(guān)斷時間，該相電路柵極均采用二極管電阻并聯(lián)的形式。如圖2 所示，D3 和R15、D6 和R21 并聯(lián)，R26 為采樣電阻。

圖2 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)電路圖

2.2 單電阻電流采樣電路

該系統(tǒng)采用單電阻采樣，將采樣的電流信號輸入至處理器，由于采樣電阻非常小，因此電阻兩端的空載電壓信號較小，易受外界信號干擾，在實(shí)驗中測量電機(jī)空載時耦合干擾電流較大，因此在PCB 布線過程中采用開爾文連接方法，同時為消除導(dǎo)線之間的串?dāng)_，抑制共模信號干擾，采用差分輸入形式和阻容耦合電路，以補(bǔ)償負(fù)載電壓誤差。將電機(jī)采樣電流經(jīng)過處理器內(nèi)部運(yùn)放放大后與參考值PA6 進(jìn)行比較，再連接處理器內(nèi)部的放大器作為電壓跟隨器輸出與PA4 比較，進(jìn)行電壓補(bǔ)償，經(jīng)過內(nèi)部放大器作為電壓跟隨器輸入到處理器的過流檢測接口OCCOMP，當(dāng)比較器輸出高電平，則關(guān)閉MOSFET。由于采用的運(yùn)放是單電源運(yùn)放，為了保證信號處理過程中不失真，加入偏置電壓12 V，抬高信號幅度。系統(tǒng)使用ETR 定時功能捕獲電流信號，處理器采用電流模式實(shí)時調(diào)節(jié)PWM 的持續(xù)時間。

2.3 BEMF 過零檢測及轉(zhuǎn)速測量電路

在BLDCM 無位置傳感器控制策略中，應(yīng)用較為廣泛的是BEMF 過零檢測方法。該方法將BEMF 過零信號延遲30°電角度，獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，同時提供三相全橋逆變電路PWM 信號[5]。BEMF 過零檢測的方法主要有端電壓檢測法、反電動勢積分法等[10-11]。在該系統(tǒng)中采用端電壓檢測方法，并補(bǔ)償濾波導(dǎo)致的相移，由于電機(jī)在靜態(tài)或低速狀態(tài)下BEMF 值過小難以檢測，所以需讓電機(jī)啟動到額定轉(zhuǎn)速，一般采用三段式起動法[12]。啟動BLDCM 需要對準(zhǔn)和斜坡生成兩個過程。在對準(zhǔn)階段，采用設(shè)定的開關(guān)順序讓轉(zhuǎn)子保持位置，并保持恒定電流，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到極對位置對齊。電動機(jī)按照斜坡曲線加速運(yùn)行，當(dāng)檢測電機(jī)速度達(dá)到閾值，則實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，該電路中將逆變?nèi)珮虻娜喔】招盘栠B接到STSPINF0 的PA0、PA1、PA2，處理器根據(jù)反饋的位置信號發(fā)送對應(yīng)觸發(fā)信號控制MOSFET 通斷[3-4，13]。在ST 官方提供的六步換向函數(shù)庫中支持PWM 信號的接通和斷開時間內(nèi)檢測過零兩種模式，將BEMF 轉(zhuǎn)換值與閾值比較檢測零點(diǎn)，但必須定義PWM_ON_BEMF_SENSING，否則默認(rèn)PWMoff 模式。圖3 中過零檢測電路使用兩個對接的穩(wěn)壓管，起到限幅作用，防止損壞核心處理器及周邊電路的元器件。

圖3 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)過零檢測電路圖

為能準(zhǔn)確控制冷卻風(fēng)扇運(yùn)行，將被測電機(jī)通過機(jī)械裝置連接轉(zhuǎn)速可調(diào)的直流電機(jī)，測量電機(jī)繞組的電感和電阻參數(shù)，通過示波器捕捉定子繞組中感應(yīng)BEMF 波形，獲得BEMF 過零位置信號。被測風(fēng)扇感應(yīng)的BEMF 信號是周期梯形波，依公式（1）計算電機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。該控制器驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)極對數(shù)是4 極，給定頻率為40 Hz，為提高無刷直流電機(jī)的運(yùn)行速度，減小轉(zhuǎn)矩脈動，在基速以上采用恒功率工作模式，風(fēng)扇運(yùn)行時，一般PWM 占空比較大，換向時間較短，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動影響較小，但隨著負(fù)載增大和轉(zhuǎn)速變化，換向過程對轉(zhuǎn)矩脈動影響較大。

n=60×sysfrq/6×P×LF_TIMxdur×LF_TIMxpre（1）式中：P 是電機(jī)極對數(shù)；LF_TIMxdur 是持續(xù)時間值；LF_TIMxpre 為預(yù)分頻值；sysfrq 為系統(tǒng)時鐘。

3 控制器軟件設(shè)計

采用Realview MDK 開發(fā)環(huán)境和ST 的六步換向函數(shù)庫以及PI 算法設(shè)計控制器程序，系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷程序，主程序?qū)崿F(xiàn)HAL 庫初始化、系統(tǒng)時鐘配置、GPIO 初始化，ADC 初始化、DMA初始化、定時器初始化、六步算法參數(shù)初始化等，如圖4 所示。采用定時器實(shí)現(xiàn)1 ms 定時，當(dāng)定時標(biāo)志有效時，進(jìn)行電機(jī)準(zhǔn)備、啟動、運(yùn)行、制動、停止及故障的狀態(tài)切換，設(shè)計的有限狀態(tài)機(jī)如圖5 所示。中斷程序包括TIME2、TIME14、DMA 中斷等，TIME2中斷是實(shí)現(xiàn)1 ms 定時并進(jìn)行換向檢測，DMA 中斷是獲取多通道ADC 值，包括BEMF 過零捕獲和單電阻電流采樣。其中過零捕獲中斷是檢測風(fēng)扇轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，單電阻電流采樣中斷是為了檢測控制器電流值，間接判斷系統(tǒng)過流堵轉(zhuǎn)并進(jìn)行電流閉環(huán)控制。圖6 為中斷程序流程圖。

圖4 汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器主程序流程圖

圖5 有限狀態(tài)機(jī)

圖6 汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器中斷程序流程圖

4 實(shí)驗結(jié)果分析

為驗證基于六步換向算法的冷卻風(fēng)扇無位置傳感器軟硬件系統(tǒng)有效性和可靠性，搭建汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇測試平臺，如圖7 所示。被測風(fēng)扇參數(shù)如下：額定功率P=300 W，極對數(shù)P=4，額定轉(zhuǎn)速RPM=2 500 r/min，額定電壓V=13.5 V，額定電流I=20 A，相電阻Rs=0.035 14 Ω，相電感Ls=115.32 uh。測試平臺使用100 MHz 四通道示波器ZDS1104 采集UVW 三相電壓信號和V 相電流信號，使用兆信穩(wěn)壓電源KXN-6060D 0-60V/0-60A 供電，使用ulint 函數(shù)發(fā)生器，采用CPL8100B 電流傳感器和電流鉗檢測電機(jī)相電流，使用UT372 測速傳感器進(jìn)行測速，在占空比為0%～100%之間調(diào)節(jié)頻率為40 Hz 的PWM 信號，測試信號幅值為12 V，通過實(shí)驗獲得表1 中的數(shù)據(jù)，測試波形如圖8a、8b、8c 所示。根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇測試要求，控制風(fēng)扇從0 升至轉(zhuǎn)速為2 340.6 r/min，通過串口將測試數(shù)據(jù)傳至UT372 Interface Software 上位機(jī)平臺，如圖9 所示，獲得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速運(yùn)行曲線。如圖10 所示，從轉(zhuǎn)速曲線可看出，冷卻風(fēng)扇按照占空比與轉(zhuǎn)速既定關(guān)系運(yùn)行，且在不同轉(zhuǎn)速切換過程中響應(yīng)速度快。

圖10 轉(zhuǎn)速從0 升至2 340 r/min 的運(yùn)行曲線

表1 占空比與轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系表

圖7 汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇測試平臺

圖8 U、V、W 三相電壓和V 相電流信號波形圖

圖9 上位機(jī)轉(zhuǎn)速測試界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計一種性價比較高的基于STSPIN32F0A核心處理器的汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器，根據(jù)系統(tǒng)測試結(jié)果，能滿足產(chǎn)品規(guī)范和性能要求，控制器的設(shè)計總結(jié)如下：

1）根據(jù)汽車?yán)鋮s風(fēng)扇控制要求，選取意法半導(dǎo)體的嵌入式處理器并優(yōu)化接口電路，采用差分電路和開爾文連接方法實(shí)現(xiàn)PCB 抗干擾，完成了控制器的硬件設(shè)計。

2）控制器滿足給定PWM 信號占空比與轉(zhuǎn)速的既定關(guān)系，將PWM 信號占空比設(shè)定在80%、負(fù)載為14 A 時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到約1 825 r/min，電機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計的系統(tǒng)具有效率高、啟動平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)。

3）對控制器進(jìn)行啟停耐久測試24 h，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。

4）通過系統(tǒng)外接轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測速，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)開展分析，根據(jù)測試數(shù)據(jù)獲得電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行穩(wěn)定。

5）控制器采用PI 調(diào)節(jié)器結(jié)合ST 的六步換向函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，控制精度高，響應(yīng)快。