汽車電子燃油泵中無刷無位置傳感器直流電機控制研究

符欲梅， 戚　晉， 昝昕武

(重慶大學 光電工程學院 光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

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汽車電子燃油泵中無刷無位置傳感器直流電機控制研究

符欲梅， 戚晉， 昝昕武

(重慶大學 光電工程學院 光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

摘要:針對現有汽車電子燃油泵電機油品適應性差、噪聲大、壽命短等問題，設計了一種無刷無位置傳感器電機控制系統,并應用于電子燃油泵中。在分析無刷電機旋轉原理的基礎上，利用反電動勢法在控制程序中構造虛擬中性點電壓來確定反電動勢過零點信號，并結合預定位啟動法進行啟動，從而實現了無刷無位置傳感器電機的控制。實驗表明:該系統能夠準確判斷電機反電動勢過零點信號，電機運行平穩，且輸出油量滿足實際需求。

關鍵詞:電子燃油泵； 無刷直流電機； 反電動勢法； 虛擬中性點

0引言

汽車保有量的增加導致能源危機問題日益嚴重，傳統燃油向著多元化和新型化能源方向發展[1]，按照一定的比例摻入甲醇、乙醇的摻醇燃油甚至純醇類燃料已經在國內一些地區廣泛使用。醇類燃油具有的化學特性使得浸入燃油的電子燃油泵中有刷電機的換向器極易受到腐蝕，大大降低了電子燃油泵的使用壽命和可靠性。同時，隨著人們生活水平的提高，對汽車在使用過程中的噪聲、振動和聲振粗糙度(noise，vibration and harshness，NVH)的要求也越來越嚴格[2]，而有刷電機在換向時產生的噪聲和振動大大降低了駕乘人員的使用舒適度。

在汽車電子燃油泵中采用無刷無位置傳感器電機不僅能夠有效地降低電機在換向過程中的振動和噪聲，而且由于無刷電機的結構構造中無機械換向部件，因而在復雜的多元化燃油中具有廣泛的適應性。然而，由于汽車零部件成本控制嚴苛，可靠性要求極高，而無刷無位置傳感器電機用電子換向器代替傳統有刷電機的機械換向器進行換向，增加了成本；而且結構相對簡單的無刷無位置傳感器電機由于沒有使用位置傳感器進行電機轉子位置的檢測，極易出現啟動失效，因而,對于控制器的要求很高[3]。這些問題都大大限制了無刷無位置傳感器電機在汽車電子燃油泵中的應用。

本文針對無刷無位置傳感器電機在汽車電子燃油泵中存在的以上問題，采用高性價比單片機作為主控芯片，利用反電動勢法獲取轉子的位置信號，實現了低成本、高可靠性的無刷無位置傳感器電機的控制，實驗結果表明了本文實驗研究的有效性。

1無刷無位置傳感器電機控制原理

1.1無刷直流電機的換相原理

圖1為無刷直流(BLDC)電機的主電路與等效電路圖，以兩兩導通為例，電機根據轉子位置信號HA,HB和HC上升沿和下降沿(如圖2)控制相應的功率器件導通和截止。如轉子位置信號HA為上升沿時，功率器件VT1和VT6導通。在一個周期內，3個轉子位置信號相位相差120°、脈沖寬度為180°(均為電角度，下同)。

圖1　無刷直流電機主電路和等效電路圖(VT6，VT1導通)Fig 1　Main circuit and equivalent circuit of BLDC motor(VT6，VT1 conducted)

圖2　轉子位置信號與相電流的關系Fig 2　Relationship between rotor position and phase current

1.2無刷無位置傳感器電機轉子位置檢測與換相策略

由上述無刷直流電機換相原理分析可知，如果獲知轉子的位置即可實現準確的換相。但由于使用的是無刷無位置傳感器電機，因而,它的控制關鍵在于如何準確地獲知轉子位置信息。目前,轉子位置獲取的方法有多種，包括反電動勢法、磁鏈法、電感法和人工智能法等[4]。其中,反電動勢位置檢測方法原理簡單、成本低廉、可靠性高，本文擬采用該方法進行轉子位置的檢測。

基于反電動勢法檢測電路在硬件上通常需要對三相端電壓進行濾波處理，但濾波后的端電壓信號會發生相移滯后，并且隨著電機轉速的上升，反電動勢頻率越高，信號滯后越明顯。因此,需要在不同轉速下進行相位補償，相位補償需要仿真和實際測試，整個過程非常繁瑣。

結合被控對象無刷無位置傳感器直流電機燃油泵的實際需求，本文采用軟件的方式構造虛擬中性點電壓以此獲取反電動勢信號的過零點，其原理如圖3所示。三相繞組的端電壓分別引出并分壓，再由主控芯片的A/D轉換器(analog to digital converter，ADC)讀取，在程序中計算出三相端電壓的平均值并作為中性點電壓，將構造的中性點電壓與三相端電壓比較判斷是否發生過零。

圖3　虛擬中性點硬件組成Fig 3　Composition of hardware of virtual neutral-point

1.3轉子的初始啟動與定位

電機在啟動階段時轉速較低，反電動勢信號很小且不穩定，無法獲取轉子的準確位置信息，因此,在利用反電動勢法之前需要對電機進行啟動。為了盡可能減少硬件的復雜性，本文采用二次預定位啟動法啟動電機。先給電機固定的兩相繞組通電，轉子磁極會轉到相應的位置，以實現轉子的預定位。為了避免轉子的磁極位置與合成磁場的夾角為180°，電磁轉矩為0而導致定位失敗，以同樣方式再給另外的兩相繞組通電確保電機轉到設定的位置。同時，在每次定位中，采用逐漸增加PWM占空比的方式給電機繞組通電，以免瞬間電流過大引起電機轉子產生較大慣性導致轉子往復運動。

2控制系統設計

2.1控制系統硬件設計

根據對無刷無位置傳感器電機控制原理的分析，設計了無刷無位置傳感器電機控制系統。系統由燃油泵電機本體、主控電路、三相逆變電路、反電動勢檢測電路及過流過壓保護電路等組成，其結構如圖4所示。其中,主控芯片為Microchip公司生產的高性價比dsPIC30F系列單片機，主要負責轉子位置的檢測、轉速的估算和電機實時控制等。三相逆變橋由6個MOSFET組成，其中，上半橋選用的MOSFET為P型，下半橋選用的為MOSFET為N型，這樣不需要自舉電路即可實現對上下半橋的控制，簡化硬件電路。在控制電機過程中，為了防止電機運行時堵轉或者過載等引起過流過壓而損壞驅動控制系統的發生，系統還設計了過流過壓保護電路對控制系統進行實時保護。

圖4　主控電路系統結構圖Fig 4　Structure of main control circuit system

2.2控制系統軟件設計

無刷無位置傳感器電機控制系統軟件主要包括電機轉子初始位置定位、轉子開環加速、反電動勢法的切換3個部分，如圖5所示。其中,初始化包括時鐘頻率、PWM模塊初始化、ADC初始化、定時器初始化等。燃油泵電機在啟動階段，采用預定位啟動法驅動電機旋轉，同時主控芯片的ADC不斷地讀取分壓后的端電壓信號，并且判斷反電動勢信號的過零點，當連續讀取到穩定的反電動勢過零點時，控制系統則認為滿足切換要求，并切換到無刷無位置傳感器電機的閉環控制。

圖5　控制系統流程圖Fig 5　Flowchart of control system

3實驗

3.1真實位置換相信號與過零信號之間的關系

為了驗證本文換相策略的正確性，利用位置傳感器來測試電機的真實位置換相信號并與應用反電動勢法獲取的位置信號比較。圖6(a)為利用外接位置傳感器獲得的真實位置信號HA和HB的關系，它們的周期相同、相位各相差120°，寬度為180°，在一個周期內共有6個換相狀態，與圖2的轉子位置信號完全一致。圖6(b)為通過構造虛擬中性點電壓獲取反電動勢的過零點信號，其過零點共變化6個換相狀態，且與真實位置信號HA相位相差30°。實驗表明:結合反電動勢法并采用電阻構造網絡結構，在主控芯片內部構造虛擬中性點電壓來獲取反電動勢過零點的方法能夠準確地獲取轉子的位置信號。

圖6　真實換相信號與過零點關系Fig 6　Relationship between real commutation signal and zero-crossing point

3.2燃油泵流量測試

模擬電子燃油泵在實際工作環境中進行性能測試，測試的儀器設備主要有：直流電源、壓力表、流量計和調壓閥等，通過調節調壓閥模擬燃油泵中真實壓力環境，用流量計測試燃油泵的泵油量，整個測試儀器的連接示意圖如圖7所示。

圖7　電子燃油泵測試連接圖Fig 7　Connection diagram of electronic fuel pump test

將調壓閥調至300 kPa模擬真實環境壓力，使用該裝置對電子燃油泵的啟動及輸出流量進行測試。圖8為電子燃油泵啟動的實時轉速圖，從圖中可以看到:電子燃油泵啟動后迅速加速到達設定值6 300 r/min并在該轉速附近平穩旋轉，整個穩定過程約720 ms。圖9為轉速與流量曲線圖，從圖中可以看出:電機轉速越高流量值越大，在轉速為6 300 r/min時燃油泵的輸出流量為80 L/h，能夠滿足微車發動機供油量需求。

圖8　電子燃油泵負載轉速測試圖Fig 8　Load rotating speed test of electronic fuel pump

圖9　300 kPa下轉速與流量關系圖Fig 9　Relationship between rotating speed and flow in 300 kPa

4結論

1)利用外接位置傳感器獲取的轉子真實位置信號與過零點信號對比實驗表明:利用反電動勢法并在軟件中構造虛擬中性點電壓的方法能夠準確地獲取過零信號并據此控制換相，從而實現了無刷無位置傳感器電機的平穩運轉。

2)燃油泵流量測試結果表明:無刷電機電子燃油泵能夠在汽車實際運行環境下工作，輸出流量滿足微車發動機供油量要求。

參考文獻:

[1]紀常偉,方澤軍,汪碩峰.汽油添加劑的現狀與發展趨勢[C]∥中國內燃機學會油品與清潔燃料分會成立大會暨學術年會,2007:87-91.

[2]林逸,馬天飛.汽車NVH特性研究綜述[J].汽車工程,2002,24(3):177-181.

[3]李楠,田小玲,鐘灶生,等.基于鎖相環倍頻的BLDCM速度控制系統設計[J].傳感器與微系統,2011,30(2):91-93.

[4]楊影,阮毅,陶生桂.一種新型無刷直流電機轉子位置檢測方法[J].電機與控制學報,2010,14(2):60-64.

[5]胡波,徐國卿,康勁松.無刷直流電機無位置傳感器控制技術[J].電機與控制應用,2007,34(5):21-23.

Study on control of sensorless BLDC motor in vehicle fuel pump

FU Yu-mei， QI Jin， ZAN Xin-wu

(Key Laboratory for Optoelectronic Technology & Systems,Ministry of Education,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Abstract:Aiming at problem of poor adaptability to fuels,large noise and short service life that existing vehicle fuel pump has,sensorless brushless DC motor (BLDC motor) control system is designed and applied in electronic fuel pump.Based on analysis on BL motor rotation principle of,virtual mid-point voltage of back electromotive force is utilized in control program to estimate zero-crossing point signal,and combined with pre-positioning method,control of sensorless BLDC motor is realized.The experimental results show that this control system can accurately detect the zero-crossing points of back EMF,the motor works smoothly,the flow rate of fuel also meets the actual demands of vehicle.

Key words:electronic fuel pump; BLDC motor; back electromotive force method; virtual neutral point

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0033—03

收稿日期：2015—04—28

中圖分類號:TM 33

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0033—03

作者簡介:

符欲梅(1972-)，女，重慶人，博士，副教授，主要研究方向為信息獲取與處理，汽車電子。