一種新型低功耗的永磁同步冷卻風機系統

李鳳軍，崔 巍，李庚益，廖 憬，章躍進

(上海大學，上海200072)

0 引 言

永磁同步電動機由于其具有體積小、效率高、轉矩脈動小等優點，被廣泛應用于電動汽車、數控機床、機器人等動態響應快、調速范圍廣、定位精度高的高性能傳動系統中［1-2］。傳統的正弦波控制方式是在永磁轉子旁安裝用來檢測轉子位置信號的光電編碼器或者旋轉變壓器等高精度傳感器［3］。但是這種傳感器有著成本高、易受外界環境干擾等缺點，為了降低系統的成本以及提高系統的可靠性，人們研究了許多無傳感器位置估計算法［4-5］，但是這些位置估計算法在電機起動和低速時性能不佳，無法滿足汽車應用對高可靠性能的要求。

考慮到冷卻風機的應用特點以及汽車工業對可靠性、成本以及運行效率等要求，開關霍爾傳感器具有價格便宜、運行可靠的優勢在汽車風機的應用上顯得尤為突出。本文針對汽車風機冷卻應用，實現了一種新型低功耗的永磁同步風機系統。在系統中，采用三個開關霍爾元件來檢測轉子位置信號，控制器根據當前位置信號算出轉子角度θ，該角度θ提供給能實現低功耗的SVPWM 控制算法中，產生在一個周期內2/3 周期是馬鞍波、1/3 周期是低電平的新型馬鞍波來驅動功率開關器件，利用這種同時只有兩相導通的調制方式，大大地減小了功率管的開關損耗，提高了電壓利用率，從而提高了風機運行的效率，形成全數字的永磁同步電動機控制系統。

1 開關損耗最小的SVPWM 工作原理

傳統的SVPWM 調制方式控制逆變器開關管時在同一時刻有三個開關管導通，共有8 種開關組合狀態，其中零矢量V0，V7交替出現，這也就是常規的7 段式SVPWM 調制。在本文中，如圖1 所示，該控制系統采用的是在同一時刻只有兩相開關導通、開關損耗較小的新型SVPWM 調制方式。該調制方式每一相有1/3 周期(120°)器件沒有開關，零矢量采用單一的V0，因此與常規的SVPWM 相比，開關損耗降低33%。其相電壓UX公式如下:

圖1 開關損耗最小的新型調制信號

構造不連續脈寬調制的數學模型如圖2 所示。其中x =ωct，y =ωt，ωc為采樣頻率，ω 為調制波頻率。z方向正交于xy平面，調制模型可表示為z =F(x，y)，在陰影范圍內z=0，其余z =Ud，Ud為變流器直流側電壓。

圖2 開關損耗最小SVPWM 數學模型

取雙重傅里葉變換，有:

其復數傅里葉級數系數:

考慮線電壓情況有:

化簡式(4)并結合式(5)最終有:

以下為采用功率損耗最小SVPWM 調制的永磁同步電動機矢量控制中相電流及其分析的仿真結果。從圖3、圖4 中可以看出，三相電流正弦度很好，諧波含量相很少，不足10%。

圖3 負載為2 N 時電機三相相電流波形

圖4 A 相相電流FFT分析結果

2 基于離散霍爾信號的轉子位置估計

該系統的軟件算法中最關鍵的是轉子角度的估計，電機旋轉時，霍爾信號的輸出與電機反電動勢的對應關系如圖5 所示。由霍爾傳感器提供給控制芯片的是三相相位差互為120°的方波信號，在360°的電周期內一共有6 個跳變沿(三個上升沿、三個下降沿)，只能提供給單片機6 個互差60°的準確轉子位置，這不能滿足用于生成開關損耗最小的新型馬鞍波的角度精度需求［6］。

圖5 霍爾信號與反電動勢對應關系

利用低分辨率霍爾傳感器給出的位置信號來估計當前轉子的位置，可以用一個定時器來完成。當每相開關霍爾信號的跳變沿產生時就進入霍爾中斷，根據當前的三相霍爾狀態，可以明確地知道當前的轉子位置θk:

由于電機的機械時間常數遠大于電氣時間常數，所以電機在沒有很快加速或者減速時可以認為電機轉過當前的60°所用時間Tk與前一個60°所用時間Tk-1是一樣的。用一個定時中斷記下在Tk-1時間內中斷進入的次數N，那么在每次中斷中，角度增加的大小為Δθ =60°/N，中斷次數n 就加1。所以任意時刻的轉子角度θ:

式中:n 代表此時定時中斷來臨的次數;θ 可以用于生成開關損耗最小調制信號所需要的角度變量。利用這種位置估計算法完全可以取代成本較高的光電編碼器，達到減小系統成本的目的。

3 控制系統實驗結果驗證

本文在結合電機參數和具體電路結構的基礎上進行了三個霍爾傳感器的永磁同步電動機正弦波驅動控制實驗。實驗中冷卻風機的具體參數如表1 所示。

表1 實驗用風機參數表

圖6 控制系統硬件結構圖

對于電壓型逆變器來說，相電壓的相位可以由控制器決定，控制器通過霍爾傳感器檢測電機轉子位置的信號產生相應的PWM 驅動信號?？紤]到繞組上寄生電感的影響，相電壓超前于相電流一個角度，由于只有電機相電流與反電動勢同相位時電機才能輸出最大轉矩，因此通過調整相電壓與反電動勢的夾角就可以實現相電流與反電動勢同相位，從而輸出最大轉矩［7］。

在圖7 中通過軟件算法人為地控制相電壓超前于反電動勢一個角度，這樣可以使相電流與反電動勢基本保持同相關系。當正弦波驅動電機時若調制比不變，則電機的端電壓U 幅值不變。當電機負載變化時，端電壓U與反電動勢的相位差以及U的幅

圖7 霍爾信號、反電動勢、相電壓波形截圖

值變化固定不變，變化的只是電機的反電動勢E、電機的相電流I、以及E 與I 之間的相位角。

圖8 是在額定負載的情況下A 相相電壓跟A 相相電流的相位關系波形，比較圖7 與圖8 可得，在額定負載的情況下，基本可以實現相電流與反電動勢同相的目的，從而有利于提高電機的轉速，提高電機的運行效率。

圖8 相電壓與相電流的波形截圖

當電機拖動額定負載時，所得相電流波形及其諧波分析如圖9 所示，此時相電流基本呈正弦波形狀，其諧波含量不到10%，與仿真結果基本一致。

圖9 額定負載時相電流波形及諧波分析

4 結 語

本文針對汽車引擎冷卻風機的應用，實現了一種采用三個霍爾元件的永磁同步電動機正弦波控制的方法。通過采用同一時刻只有兩相開關管導通的新型SVPWM 調制方式，能明顯減少開關器件的功率損耗，提高直流電壓利用率。結合了方波控制與正弦波控制的優點。最后實驗結果驗證了此方案的可行性與可靠性，具有一定的使用價值。

［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，2008，30(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］ 蘇世棟.正弦波驅動下無刷直流電機機械特性研究［J］. 微電機，2012，45(3):21 -24.

［4］ JANG Ji-Hoon，HA Jung-Ik，OHTO M，et al.Analysis of permanent magnet machine for sensorless control based on high frequency dignal injection［J］. IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40(6):1595 -1604.

［5］ 崔巍，孫杰.一種基于無位置傳感器控制的汽車發動機冷卻直流無刷風機系統［J］.微特電機，2009，37(5):13 -18.

［6］ 房森林，章躍進.基于離散位置信號的永磁同步電動機空間矢量控制［J］.微特電機，2010，38(7):51 -54.

［7］ 黃騰云，姜淑忠. 采用霍爾傳感器的PMSM 低成本控制系統［J］.微特電機，2012，40(1):10 -14.