汽車發(fā)動機冷卻用無位置傳感器無刷直流風機系統(tǒng)

崔 巍，孫 杰，范洪偉，章躍進，徐美華

(上海大學，上海200072)

0 引 言

冷卻風機是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分。由于傳統(tǒng)冷卻風機系統(tǒng)不能根據(jù)發(fā)動機散熱要求準確地調節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，無法保證發(fā)動機在最佳溫度進行工作，降低了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性、動力性和工作的可靠性。電動冷卻風機采用電機驅動方式，可以根據(jù)發(fā)動機溫度和負荷的不同工況實現(xiàn)風機轉速調節(jié)，有效提高了發(fā)動機冷卻性能，具有明顯的節(jié)能效果，是冷卻風機技術發(fā)展的必然趨勢［1］。

無刷直流冷卻風機使用永磁無刷直流電動機作為驅動電機，采用電子換向，省去了電刷，大大改善了有刷直流風機存在的可靠性問題。同時，高性能永磁材料的應用也大大提高了電機性能，因此無刷直流風機，特別是三相無刷直流風機得到了廣泛應用，也成為汽車發(fā)動機電動冷卻風機技術發(fā)展的重要方向。永磁無刷直流電動機常見的驅動模式主要有半橋和全橋兩種基本類型。考慮到冷卻風機的實際應用特點以及汽車工業(yè)對可靠性和控制器體積的嚴格要求，半橋驅動模式具有明顯的綜合優(yōu)勢，是目前無刷直流風機系統(tǒng)的主流驅動方案［2］。

三相半橋無刷直流風機的驅動電路具有結構簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點。運行時，每相繞組只需通電1/3電周期，其余時間則處于關斷狀態(tài)。通過功率開關管PWM斬波調壓的方法實現(xiàn)電機調速。功率開關管關斷時，由于繞組中的電流不能突變，通常在電機繞組兩端反向并聯(lián)二極管來進行續(xù)流(如圖1所示)。由于繞組能量以轉換為熱能的形式最終消耗在繞組和二極管上，因此對于提高系統(tǒng)效率是不利的。

針對這一問題，本文實現(xiàn)了一種四相半橋無刷直流風機系統(tǒng)，其中電機繞組采用雙線并繞設計［3］。其獨特之處在于，當一相繞組進行PWM斬波調制時，開關管關斷瞬間利用兩相繞組之間的強耦合效應在另一相繞組中感應出較高幅值的互感電勢，通過功率開關管內反并聯(lián)二極管構成的續(xù)流通路在另一相繞組中形成負半波電流，從而實現(xiàn)電機繞組能量至蓄電池的回饋。與常規(guī)半橋控制無刷直流風機系統(tǒng)相比，該風機系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的效率，同時也保持了低成本的特點。在考慮驅動電路結構及其具體電機參數(shù)的基礎上，構建了四相無刷直流電動機系統(tǒng)的數(shù)學模型，并通過仿真和實驗驗證了模型的有效性和準確性。

圖1 三相半波無刷直流風機系統(tǒng)主電路

1 系統(tǒng)工作原理和特性分析

如圖2所示，該四相電機繞組采用雙線并繞工藝，即A相繞組和C相采用雙線一起繞成，只是極性相反，兩相繞組間完全耦合，互感與自感值相等，B相和D相的關系也一樣。另外，磁路系統(tǒng)的特點使得任意其它兩相之間的互感近似為零，可以忽略不計。本文控制系統(tǒng)采用半橋控制模式，主電路結構如圖3所示，功率開關管的驅動信號如圖4所示。采用PWM技術實現(xiàn)開關管的斬波控制，通過調節(jié)每相繞組上所加電壓，實現(xiàn)調速控制。

圖2 四相無刷直流電動機繞組原理圖

圖3 四相半橋無刷直流電動機的主電路

圖4 半橋結構的功率開關器件柵極驅動信號

基于電機的結構特點，對A、C相的電路方程和B、D相的電路方程分別求解分析。以0°～90°電角度區(qū)間為例，此時電機A、C等效電路模型如圖5所示。采用分時段線性電路的思想對如圖5電路在每一個PWM調制周期內的工作特性進行分析。

圖5 0°～90°電角度區(qū)間A、C相等效電路

由圖4的功率開關器件的柵極驅動信號可知，在t=t0時刻驅動A相開關管導通，蓄電池Ed向繞組供電，電流ia按指數(shù)曲線上升。對于t0＜t≤t1，忽略功率開關器件的管壓降，A相能量釋放回路電壓方程為:

由于C相關斷，且La=Lm=L，故上式可進一步寫成:

當t=t1時刻，控制A相功率管關斷。由于電機A、C兩相繞組完全耦合，A相繞組中存儲的能量在開關管關斷瞬間將在C相繞組中產(chǎn)生幅值較高的互感電勢。該電勢通過C相開關管反并聯(lián)二極管構成的續(xù)流通路形成負半周電流ic。對于t1＜t≤T，忽略開關管反并聯(lián)二極管的導通壓降，有:

由于A相關斷，故上式可進一步寫成:

設此階段電流初值為Ic0，解上式得:

由于電機A、C兩相繞組耦合系數(shù)為1，磁鏈不能突變，可認為在一個PWM周期內A相繞組進入導通狀態(tài)時的電流初值與C相繞組通過續(xù)流二極管向蓄電池充電結束時的電流終值相等，而C相繞組進入續(xù)流狀態(tài)進行能量回饋時的電流初值就是A相繞組導通階段結束時的電流值，故有:

而Ia0、Ic0的值可由下式確定:

由于0°～90°電角度區(qū)間只有A相功率開關管導通，因此式(6)解得的ic并非C相繞組導通的電流，而是C相繞組能量通過與開關管并聯(lián)的反向二極管和蓄電池構成釋放回路的回饋電流。因此一個PWM調制周期內，蓄電池直流輸入電流可表示:

一個周期T結束后，將再驅動A相功率開關管導通，重復上一PWM周期的過程。一個電周期內的其他電角度區(qū)間的情況也相同。

四相無刷直流電動機的瞬時電磁功率可表示:

瞬時電磁轉矩可表示:

式中:ωr為轉子角速度。

輸出平均轉矩可表示:

式中:T為周期;T0為電機的空載損耗轉矩。

2 無位置傳感器控制的實現(xiàn)

無刷直流電動機的運行需要位置傳感器來獲得轉子位置信息，位置傳感器的存在不但增加了電機系統(tǒng)體積和成本，而且很大程度上成為電機的故障源之一。為了進一步提高該風機系統(tǒng)的可靠性，本文采用基于軟件實時采樣反電勢過零點的方法實現(xiàn)了無位置傳感器控制，簡化了系統(tǒng)結構、進一步提高了可靠性。

圖6給出了本文四相無刷直流電動機系統(tǒng)的相反電勢和相電流波形對應關系。由此可知，當斷開相繞組反電動勢過零之后，再經(jīng)過45°電角度，就是該相的換相點。因此，只要檢測到各相繞組反電動勢的過零點，就可以準確知道電機的轉子位置和下次繞組換相的時間。

圖6 四相無刷直流電動機的反電動勢和相電流波形

本文所采用的反電勢過零點檢測方法通過微處理器內嵌模數(shù)轉換單元在功率開關管PWM開通時刻對斷開相繞組的端電壓進行檢測。根據(jù)此時斷開相繞組的電壓方程，可得具體反電勢過零點檢測策略為:

式中:up為斷開相繞組的端電壓;ep為斷開相繞組的反電勢。

假定T1表示從換相到采樣到電壓up的時間間隔。隨著反電勢的增加，不斷將采樣得到的電壓up與蓄電池直流電壓Ed進行比較。如果up＞Ed，則繼續(xù)采樣比較。當up＜Ed的瞬間，記下時間T2，則T2為從換相到反電勢過零點的45°電角度時間，然后與上一次的90°電角度時間進行平均，得出新的90°電角度時間作為換相周期。

四相無刷直流風機無位置傳感器控制系統(tǒng)結構如圖7所示，主要包括8位低成本微處理器、驅動電路和轉子位置檢測電路。與傳統(tǒng)反電勢法相比，由于只在PWM開通時刻對端電壓進行檢測，所以檢測到的反電勢過零點不存在與速度相關的相位延時，因而不需要相位延遲補償電路。此外，該方法基于軟件實時采樣反電勢過零點，省略了模擬比較器等硬件，大大簡化了硬件電路。

圖7 無位置傳感器控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖

3 系統(tǒng)仿真和實驗結果分析

本文在結合電機參數(shù)和具體電路結構的基礎上進行了四相無刷直流冷卻風機系統(tǒng)的仿真試驗，并研制了樣機和無位置傳感器控制系統(tǒng)實驗平臺。冷卻風機的驅動電機具體技術參數(shù)為:額定功率400 W，額定電壓12 V，最大輸入電流38 A，轉速范圍600～2 450 r/min，極對數(shù)為4，相數(shù)為4。

圖8給出了四相無刷直流電動機相電流的仿真波形。從仿真結果可見，盡管控制系統(tǒng)采用半橋結構，但結合電機的特點，實際上達到全波電流的控制效果。此外，可以發(fā)現(xiàn)本文四相無刷直流電動機相電流波形具有特殊性，由于雙線并繞兩相之間存在強耦合特性，某一相的功率開關管導通或關斷時，該相繞組的電流相應立即達到相應值或降為零，呈突變狀。

圖9給出了功率管采用60%占空比進行PWM斬波時蓄電池輸出至逆變器的電流仿真波形。可以發(fā)現(xiàn)，功率管導通時，蓄電池正向輸出電流。在功率管關斷時，繞組能量利用互感電勢通過續(xù)流通路回饋蓄電池，此時蓄電池反向輸入電流。這表明，本文實現(xiàn)的風機系統(tǒng)方案較常規(guī)三相半橋無刷直流電動機系統(tǒng)具有較高的能量利用率。

圖8 四相無刷直流電動機相電流波形仿真波形

圖9 蓄電池直流輸入電流仿真波形

圖10和圖11給出的實驗波形和上述仿真波形相符，較好地驗證了本文風機系統(tǒng)方案的可行性和正確性。

圖10 四相無刷直流電動機相電流實驗波形

圖11 蓄電池直流輸入電流實驗波形

4 結 語

針對汽車發(fā)動機冷卻應用，實現(xiàn)了一種四相半橋無刷直流風機系統(tǒng)。該四相無刷直流電動機繞組采用雙線并繞設計，A、C和B、D兩相繞組間完全耦合，而任意其它兩相之間的互感近似為零。基于這一特點，控制系統(tǒng)可以利用功率管關斷瞬間產(chǎn)生的較高幅值互感電勢將繞組中存儲的能量回饋電源，從而實現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率，同時具有結構簡單、低成本的特點。在此基礎上，采用基于軟件實時采樣反電勢過零點的方法實現(xiàn)了該四相半波無刷直流電機的無位置傳感器控制，進一步簡化了控制系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)可靠性。

［1]王小荷.電動冷卻風扇在客車上的應用［J］.客車技術與研究，2008(5):27－29.

［2]毛維杰，沈云寶.汽車空調無刷直流風機的驅動與保護［J］.汽車電器，1997(4):8－10.

［3]王宗培，陳敏祥.二相四繞組小容量無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)運行的分析模型［J］.電工技術學報，1997(4):20－24.