汽车电子燃油泵中无刷无位置传感器直流电机控制研究

符欲梅， 戚　晋， 昝昕武

(重庆大学 光电工程学院 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)



汽车电子燃油泵中无刷无位置传感器直流电机控制研究

符欲梅， 戚晋， 昝昕武

(重庆大学 光电工程学院 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

摘要:针对现有汽车电子燃油泵电机油品适应性差、噪声大、寿命短等问题，设计了一种无刷无位置传感器电机控制系统,并应用于电子燃油泵中。在分析无刷电机旋转原理的基础上，利用反电动势法在控制程序中构造虚拟中性点电压来确定反电动势过零点信号，并结合预定位启动法进行启动，从而实现了无刷无位置传感器电机的控制。实验表明:该系统能够准确判断电机反电动势过零点信号，电机运行平稳，且输出油量满足实际需求。

关键词:电子燃油泵； 无刷直流电机； 反电动势法； 虚拟中性点

0引言

汽车保有量的增加导致能源危机问题日益严重，传统燃油向着多元化和新型化能源方向发展[1]，按照一定的比例掺入甲醇、乙醇的掺醇燃油甚至纯醇类燃料已经在国内一些地区广泛使用。醇类燃油具有的化学特性使得浸入燃油的电子燃油泵中有刷电机的换向器极易受到腐蚀，大大降低了电子燃油泵的使用寿命和可靠性。同时，随着人们生活水平的提高，对汽车在使用过程中的噪声、振动和声振粗糙度(noise，vibration and harshness，NVH)的要求也越来越严格[2]，而有刷电机在换向时产生的噪声和振动大大降低了驾乘人员的使用舒适度。

在汽车电子燃油泵中采用无刷无位置传感器电机不仅能够有效地降低电机在换向过程中的振动和噪声，而且由于无刷电机的结构构造中无机械换向部件，因而在复杂的多元化燃油中具有广泛的适应性。然而，由于汽车零部件成本控制严苛，可靠性要求极高，而无刷无位置传感器电机用电子换向器代替传统有刷电机的机械换向器进行换向，增加了成本；而且结构相对简单的无刷无位置传感器电机由于没有使用位置传感器进行电机转子位置的检测，极易出现启动失效，因而,对于控制器的要求很高[3]。这些问题都大大限制了无刷无位置传感器电机在汽车电子燃油泵中的应用。

本文针对无刷无位置传感器电机在汽车电子燃油泵中存在的以上问题，采用高性价比单片机作为主控芯片，利用反电动势法获取转子的位置信号，实现了低成本、高可靠性的无刷无位置传感器电机的控制，实验结果表明了本文实验研究的有效性。

1无刷无位置传感器电机控制原理

1.1无刷直流电机的换相原理

图1为无刷直流(BLDC)电机的主电路与等效电路图，以两两导通为例，电机根据转子位置信号HA,HB和HC上升沿和下降沿(如图2)控制相应的功率器件导通和截止。如转子位置信号HA为上升沿时，功率器件VT1和VT6导通。在一个周期内，3个转子位置信号相位相差120°、脉冲宽度为180°(均为电角度，下同)。

图1　无刷直流电机主电路和等效电路图(VT6，VT1导通)Fig 1　Main circuit and equivalent circuit of BLDC motor(VT6，VT1 conducted)

图2　转子位置信号与相电流的关系Fig 2　Relationship between rotor position and phase current

1.2无刷无位置传感器电机转子位置检测与换相策略

由上述无刷直流电机换相原理分析可知，如果获知转子的位置即可实现准确的换相。但由于使用的是无刷无位置传感器电机，因而,它的控制关键在于如何准确地获知转子位置信息。目前,转子位置获取的方法有多种，包括反电动势法、磁链法、电感法和人工智能法等[4]。其中,反电动势位置检测方法原理简单、成本低廉、可靠性高，本文拟采用该方法进行转子位置的检测。

基于反电动势法检测电路在硬件上通常需要对三相端电压进行滤波处理，但滤波后的端电压信号会发生相移滞后，并且随着电机转速的上升，反电动势频率越高，信号滞后越明显。因此,需要在不同转速下进行相位补偿，相位补偿需要仿真和实际测试，整个过程非常繁琐。

结合被控对象无刷无位置传感器直流电机燃油泵的实际需求，本文采用软件的方式构造虚拟中性点电压以此获取反电动势信号的过零点，其原理如图3所示。三相绕组的端电压分别引出并分压，再由主控芯片的A/D转换器(analog to digital converter，ADC)读取，在程序中计算出三相端电压的平均值并作为中性点电压，将构造的中性点电压与三相端电压比较判断是否发生过零。

图3　虚拟中性点硬件组成Fig 3　Composition of hardware of virtual neutral-point

1.3转子的初始启动与定位

电机在启动阶段时转速较低，反电动势信号很小且不稳定，无法获取转子的准确位置信息，因此,在利用反电动势法之前需要对电机进行启动。为了尽可能减少硬件的复杂性，本文采用二次预定位启动法启动电机。先给电机固定的两相绕组通电，转子磁极会转到相应的位置，以实现转子的预定位。为了避免转子的磁极位置与合成磁场的夹角为180°，电磁转矩为0而导致定位失败，以同样方式再给另外的两相绕组通电确保电机转到设定的位置。同时，在每次定位中，采用逐渐增加PWM占空比的方式给电机绕组通电，以免瞬间电流过大引起电机转子产生较大惯性导致转子往复运动。

2控制系统设计

2.1控制系统硬件设计

根据对无刷无位置传感器电机控制原理的分析，设计了无刷无位置传感器电机控制系统。系统由燃油泵电机本体、主控电路、三相逆变电路、反电动势检测电路及过流过压保护电路等组成，其结构如图4所示。其中,主控芯片为Microchip公司生产的高性价比dsPIC30F系列单片机，主要负责转子位置的检测、转速的估算和电机实时控制等。三相逆变桥由6个MOSFET组成，其中，上半桥选用的MOSFET为P型，下半桥选用的为MOSFET为N型，这样不需要自举电路即可实现对上下半桥的控制，简化硬件电路。在控制电机过程中，为了防止电机运行时堵转或者过载等引起过流过压而损坏驱动控制系统的发生，系统还设计了过流过压保护电路对控制系统进行实时保护。

图4　主控电路系统结构图Fig 4　Structure of main control circuit system

2.2控制系统软件设计

无刷无位置传感器电机控制系统软件主要包括电机转子初始位置定位、转子开环加速、反电动势法的切换3个部分，如图5所示。其中,初始化包括时钟频率、PWM模块初始化、ADC初始化、定时器初始化等。燃油泵电机在启动阶段，采用预定位启动法驱动电机旋转，同时主控芯片的ADC不断地读取分压后的端电压信号，并且判断反电动势信号的过零点，当连续读取到稳定的反电动势过零点时，控制系统则认为满足切换要求，并切换到无刷无位置传感器电机的闭环控制。

图5　控制系统流程图Fig 5　Flowchart of control system

3实验

3.1真实位置换相信号与过零信号之间的关系

为了验证本文换相策略的正确性，利用位置传感器来测试电机的真实位置换相信号并与应用反电动势法获取的位置信号比较。图6(a)为利用外接位置传感器获得的真实位置信号HA和HB的关系，它们的周期相同、相位各相差120°，宽度为180°，在一个周期内共有6个换相状态，与图2的转子位置信号完全一致。图6(b)为通过构造虚拟中性点电压获取反电动势的过零点信号，其过零点共变化6个换相状态，且与真实位置信号HA相位相差30°。实验表明:结合反电动势法并采用电阻构造网络结构，在主控芯片内部构造虚拟中性点电压来获取反电动势过零点的方法能够准确地获取转子的位置信号。

图6　真实换相信号与过零点关系Fig 6　Relationship between real commutation signal and zero-crossing point

3.2燃油泵流量测试

模拟电子燃油泵在实际工作环境中进行性能测试，测试的仪器设备主要有：直流电源、压力表、流量计和调压阀等，通过调节调压阀模拟燃油泵中真实压力环境，用流量计测试燃油泵的泵油量，整个测试仪器的连接示意图如图7所示。

图7　电子燃油泵测试连接图Fig 7　Connection diagram of electronic fuel pump test

将调压阀调至300 kPa模拟真实环境压力，使用该装置对电子燃油泵的启动及输出流量进行测试。图8为电子燃油泵启动的实时转速图，从图中可以看到:电子燃油泵启动后迅速加速到达设定值6 300 r/min并在该转速附近平稳旋转，整个稳定过程约720 ms。图9为转速与流量曲线图，从图中可以看出:电机转速越高流量值越大，在转速为6 300 r/min时燃油泵的输出流量为80 L/h，能够满足微车发动机供油量需求。

图8　电子燃油泵负载转速测试图Fig 8　Load rotating speed test of electronic fuel pump

图9　300 kPa下转速与流量关系图Fig 9　Relationship between rotating speed and flow in 300 kPa

4结论

1)利用外接位置传感器获取的转子真实位置信号与过零点信号对比实验表明:利用反电动势法并在软件中构造虚拟中性点电压的方法能够准确地获取过零信号并据此控制换相，从而实现了无刷无位置传感器电机的平稳运转。

2)燃油泵流量测试结果表明:无刷电机电子燃油泵能够在汽车实际运行环境下工作，输出流量满足微车发动机供油量要求。

参考文献:

[1]纪常伟,方泽军,汪硕峰.汽油添加剂的现状与发展趋势[C]∥中国内燃机学会油品与清洁燃料分会成立大会暨学术年会,2007:87-91.

[2]林逸,马天飞.汽车NVH特性研究综述[J].汽车工程,2002,24(3):177-181.

[3]李楠,田小玲,钟灶生,等.基于锁相环倍频的BLDCM速度控制系统设计[J].传感器与微系统,2011,30(2):91-93.

[4]杨影,阮毅,陶生桂.一种新型无刷直流电机转子位置检测方法[J].电机与控制学报,2010,14(2):60-64.

[5]胡波,徐国卿,康劲松.无刷直流电机无位置传感器控制技术[J].电机与控制应用,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

中图分类号:TM 33

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0033—03

作者简介:

符欲梅(1972-)，女，重庆人，博士，副教授，主要研究方向为信息获取与处理，汽车电子。