基于无传感器FOC控制的电子水泵研究与实现

韩军良　冯长虹　周相青

摘 要：采用直流无刷电机作为驱动电机，设计了一款电子水泵。采用无位置传感器的磁场定向控制方案，应用滑模状态观测器来估算电机的转子位置角度，给出了硬件电路设计和软件算法设计。实验结果表明了所设计的电子水泵系统合理可行，具有较高性价比。

关键词：电子水泵；直流无刷电机；磁场定向控制；滑模状态观测器

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

1 引言

电子水泵具有控制灵活、节能和使用方便的特点，在传统汽车和新能源汽车中的应用越来越广泛。直流无刷电机具有交流电动机的结构简单、无换向火花、运行可靠、易于维护等优点，本文采用反电势为近似正弦波的直流无刷电机（BLDCM）作为电子水泵的驱动电机，为了避免使用位置检测传感器带来成本增加、结构复杂以及传感器本身可能发生的故障等问题，针对直流无刷电机采用基于无位置传感器的磁场定向控制（FOC）方案，设计了硬件电路和软件实现算法。实验结果表明，系统的软硬件设计合理，控制精度高，稳定性好，达到了电子水泵所要求的流量和扬程指标。

2 无传感器FOC控制方法

FOC的基本思想是通过矢量变换将永磁同步。电动机的定子电流分解到转子同步旋转的坐标系中，对励磁电流分量（d轴分量）和转矩电流分量（q轴分量）分别加以控制，从而使永磁同步电动机具有与直流电动机相同的控制特性。作为无位置传感器FOC控制算法的核心，转子位置估计直接决定了电机的控制性能。常用的转子位置估算方法主要有：自适应观测器法，直接或者间接从电机反电动势中提取位置信息，但是此种方式计算量大，对电机参数依赖性强，此外在电机低速时转速位置估算困难[1]；扩展的卡尔曼滤波观测器[2，3]法（EFK），由于系统的噪声未知，滤波观测器参数不易调整，该算法的计算量也比较大；高频信号注入法[4]，这种办法对信号检测精度要求较高，且需要设计多个滤波器，实现起来比较复杂。本文应用滑模状态观测器[5，6]来估算电机的转子位置角度。

本文中使用的是反电势为近似正弦波的直流无刷电机，特性与表贴式永磁同步电机接近，因此采用表贴式永磁同步电机的控制策略。

3 系统电路硬件设计

系统硬件电路包括控制电路、功率电路和通信电路三部分。控制电路由主控芯片及其外围电路构成，主控芯片采用英飞凌公司的马达控制芯片TLE9879QXA20，TLE9879QXA20是一款单芯片三相马达驱动器，集成了行业标准ARM Cortex M3内核。它包含6个集成的N型MOSFET驱动器，能够通过6个外部功率MOSFET驱动三相马达，其电荷泵实现了低压操作和可编程电流与电流斜率控制，从而实现了更优异的EMC性能。通信电路采用PWM/ LIN通信方式，用于电子水泵与整车控制器之间的通信。

电子水泵功率电路设计原理图如图1所示。蓄电池正极经过EMC电路后，作为直流母线电压给三相半桥电路供电，控制与驱动电路与三相半桥电路的信号输入端连接，提供正弦电流的驱动信号。

图中Rs是电流采样电阻，电阻R1、R2和电容C1构成了一阶RC滤波电路，输出信号端OP2、OP1与TLE9879QXA20内部的电流放大器输入端相连，构成了单电阻电流采样方式，通过程序解算算法可以解算出直流无刷电机的三相电流值。MOSFET开关管Q1和电阻R3、R4构成了蓄电池防反接保护电路，正常工作时MOSFET开关管Q1工作于同步整流方式，使得蓄电池防反接保护电路具有更高的效率。

4 FOC控制算法的实现

FOC控制算法主要有3大部分组成：PI控制器部分、SVPWM变换部分与位置和速度估算器部分构成，如图2所示。图中，PI控制器部分包括外环的速度闭环控制和内环的电流闭环控制，第一个PI控制器用于速度闭环控制，第二个PI控制器用于电流Iq的闭环控制，第三个PI控制器用于电流Id的闭环控制。由图1中电流采样电阻Rs采样的电流值，通过程序解算算法得到abc三相坐标系下的三相电流值、和，通过Clarke变换和Park变换转换得到在dq旋转坐标系下的电流值和。应用滑模状态观测器来估算电机的转子位置角度θ，进而计算出电机的实际转速。速度环PI控制就会根据给定的转速值与实际转速的偏差调节q轴的给定电流的大小。为了能够达到与直流电动机相同的控制效果，采用“=0”的控制策略，即令=0，通过来控制电动机电磁转矩大小。在dq旋转坐标系下，与、与的偏差值分别通过d、q轴PI控制器的调节得到d、q轴的输出电压和，最后通过Park逆变换将和转换到两相静止坐标系下的电压和，在SVPWM算法中，用于计算每路输出电压的占空比。

5 实验及结果分析

本文采用反电势为近似正弦波的直流无刷电机作为电子水泵的驱动电机，采用TLE9879QXA20作为主控芯片，设计了一款额定功率为60W电子水泵。直流无刷电机的反电动势系数为1.27mV/rpm，电机的极对数为2对极，定子绕组的电感为250μH，定子绕组的内阻为0.2Ω。

对设计的电子水泵进行了测试。图3是使用的直流无刷电机的反电势测试波形图，从图3可以看出，该直流无刷电机的反电势波形为近似正弦波。

图4是三相半桥MOSFET开关管的驱动信号波形，为调制频率为20KHz的正弦脉宽调制驱动信号。图5是电子水泵电机的线电流测试波形，线电流测试波形表明电子水泵电机的工作驱动电流为正弦波

电流。图6是60W电子水泵电机额定工作时的性能测试曲线，额定工作电压为12V。测试结果表明，本文开发的电子水泵的流量与输入电功率为近似线性关系，输入电功率越大，流量越大。扬程与流量的关系为非线性关系，当流量较大时，随着流量的加大，扬程逐步减小，在流量不大时，扬程基本保持不变。

6 结论

本文以直流无刷电机作为电子水泵的驱动电机，给出了直流无刷电机的无传感器FOC控制策略，设计了系统硬件电路和软件控制算法。采用针对直流无刷电机的无位置传感器FOC控制技術，转矩平稳，系统噪声低，不但能够降低系统成本，还可以增加系统的可靠性。实验结果表明了所设计的电子水泵系统合理可行，稳定性好，具有较高的性价比。

参考文献：

[1]杨宇澄，徐庆.一种PMSM无位置传感器FOC控制的滑模观测器设计[J].家电科技，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.

作者简介：韩军良（1979-），男，河南唐河人，博士，讲师，主要研究方向：电机驱动与控制。endprint