基于無傳感器FOC控制的電子水泵研究與實現

韓軍良　馮長虹　周相青

摘 要：采用直流無刷電機作為驅動電機，設計了一款電子水泵。采用無位置傳感器的磁場定向控制方案，應用滑模狀態觀測器來估算電機的轉子位置角度，給出了硬件電路設計和軟件算法設計。實驗結果表明了所設計的電子水泵系統合理可行，具有較高性價比。

關鍵詞：電子水泵；直流無刷電機；磁場定向控制；滑模狀態觀測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.109

1 引言

電子水泵具有控制靈活、節能和使用方便的特點，在傳統汽車和新能源汽車中的應用越來越廣泛。直流無刷電機具有交流電動機的結構簡單、無換向火花、運行可靠、易于維護等優點，本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機（BLDCM）作為電子水泵的驅動電機，為了避免使用位置檢測傳感器帶來成本增加、結構復雜以及傳感器本身可能發生的故障等問題，針對直流無刷電機采用基于無位置傳感器的磁場定向控制（FOC）方案，設計了硬件電路和軟件實現算法。實驗結果表明，系統的軟硬件設計合理，控制精度高，穩定性好，達到了電子水泵所要求的流量和揚程指標。

2 無傳感器FOC控制方法

FOC的基本思想是通過矢量變換將永磁同步。電動機的定子電流分解到轉子同步旋轉的坐標系中，對勵磁電流分量（d軸分量）和轉矩電流分量（q軸分量）分別加以控制，從而使永磁同步電動機具有與直流電動機相同的控制特性。作為無位置傳感器FOC控制算法的核心，轉子位置估計直接決定了電機的控制性能。常用的轉子位置估算方法主要有：自適應觀測器法，直接或者間接從電機反電動勢中提取位置信息，但是此種方式計算量大，對電機參數依賴性強，此外在電機低速時轉速位置估算困難[1]；擴展的卡爾曼濾波觀測器[2，3]法（EFK），由于系統的噪聲未知，濾波觀測器參數不易調整，該算法的計算量也比較大；高頻信號注入法[4]，這種辦法對信號檢測精度要求較高，且需要設計多個濾波器，實現起來比較復雜。本文應用滑模狀態觀測器[5，6]來估算電機的轉子位置角度。

本文中使用的是反電勢為近似正弦波的直流無刷電機，特性與表貼式永磁同步電機接近，因此采用表貼式永磁同步電機的控制策略。

3 系統電路硬件設計

系統硬件電路包括控制電路、功率電路和通信電路三部分。控制電路由主控芯片及其外圍電路構成，主控芯片采用英飛凌公司的馬達控制芯片TLE9879QXA20，TLE9879QXA20是一款單芯片三相馬達驅動器，集成了行業標準ARM Cortex M3內核。它包含6個集成的N型MOSFET驅動器，能夠通過6個外部功率MOSFET驅動三相馬達，其電荷泵實現了低壓操作和可編程電流與電流斜率控制，從而實現了更優異的EMC性能。通信電路采用PWM/ LIN通信方式，用于電子水泵與整車控制器之間的通信。

電子水泵功率電路設計原理圖如圖1所示。蓄電池正極經過EMC電路后，作為直流母線電壓給三相半橋電路供電，控制與驅動電路與三相半橋電路的信號輸入端連接，提供正弦電流的驅動信號。

圖中Rs是電流采樣電阻，電阻R1、R2和電容C1構成了一階RC濾波電路，輸出信號端OP2、OP1與TLE9879QXA20內部的電流放大器輸入端相連，構成了單電阻電流采樣方式，通過程序解算算法可以解算出直流無刷電機的三相電流值。MOSFET開關管Q1和電阻R3、R4構成了蓄電池防反接保護電路，正常工作時MOSFET開關管Q1工作于同步整流方式，使得蓄電池防反接保護電路具有更高的效率。

4 FOC控制算法的實現

FOC控制算法主要有3大部分組成：PI控制器部分、SVPWM變換部分與位置和速度估算器部分構成，如圖2所示。圖中，PI控制器部分包括外環的速度閉環控制和內環的電流閉環控制，第一個PI控制器用于速度閉環控制，第二個PI控制器用于電流Iq的閉環控制，第三個PI控制器用于電流Id的閉環控制。由圖1中電流采樣電阻Rs采樣的電流值，通過程序解算算法得到abc三相坐標系下的三相電流值、和，通過Clarke變換和Park變換轉換得到在dq旋轉坐標系下的電流值和。應用滑模狀態觀測器來估算電機的轉子位置角度θ，進而計算出電機的實際轉速。速度環PI控制就會根據給定的轉速值與實際轉速的偏差調節q軸的給定電流的大小。為了能夠達到與直流電動機相同的控制效果，采用“=0”的控制策略，即令=0，通過來控制電動機電磁轉矩大小。在dq旋轉坐標系下，與、與的偏差值分別通過d、q軸PI控制器的調節得到d、q軸的輸出電壓和，最后通過Park逆變換將和轉換到兩相靜止坐標系下的電壓和，在SVPWM算法中，用于計算每路輸出電壓的占空比。

5 實驗及結果分析

本文采用反電勢為近似正弦波的直流無刷電機作為電子水泵的驅動電機，采用TLE9879QXA20作為主控芯片，設計了一款額定功率為60W電子水泵。直流無刷電機的反電動勢系數為1.27mV/rpm，電機的極對數為2對極，定子繞組的電感為250μH，定子繞組的內阻為0.2Ω。

對設計的電子水泵進行了測試。圖3是使用的直流無刷電機的反電勢測試波形圖，從圖3可以看出，該直流無刷電機的反電勢波形為近似正弦波。

圖4是三相半橋MOSFET開關管的驅動信號波形，為調制頻率為20KHz的正弦脈寬調制驅動信號。圖5是電子水泵電機的線電流測試波形，線電流測試波形表明電子水泵電機的工作驅動電流為正弦波

電流。圖6是60W電子水泵電機額定工作時的性能測試曲線，額定工作電壓為12V。測試結果表明，本文開發的電子水泵的流量與輸入電功率為近似線性關系，輸入電功率越大，流量越大。揚程與流量的關系為非線性關系，當流量較大時，隨著流量的加大，揚程逐步減小，在流量不大時，揚程基本保持不變。

6 結論

本文以直流無刷電機作為電子水泵的驅動電機，給出了直流無刷電機的無傳感器FOC控制策略，設計了系統硬件電路和軟件控制算法。采用針對直流無刷電機的無位置傳感器FOC控制技術，轉矩平穩，系統噪聲低，不但能夠降低系統成本，還可以增加系統的可靠性。實驗結果表明了所設計的電子水泵系統合理可行，穩定性好，具有較高的性價比。

參考文獻：

[1]楊宇澄，徐慶.一種PMSM無位置傳感器FOC控制的滑模觀測器設計[J].家電科技，2013（05）：89-90.

[2]Morimoto，S.，Kawamoto，K，Sanada，M.，Takeda，Y.Sensorless control strategy for salient-pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame.IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（04）：1054-1061.

[3]J Kim，I Jeong，K Nam，J Yang，T Hwang.Sensorless Control of PMSM in a High-speed Region Considering Iron Loss.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（05）：6151-6159.

作者簡介：韓軍良（1979-），男，河南唐河人，博士，講師，主要研究方向：電機驅動與控制。endprint