基于嵌入式系统的汽车发动机冷却风扇控制器设计*

李 敏 陈付龙 胡 飞 陶玉贵

（1-芜湖职业技术学院信息与人工智能学院 安徽 芜湖 241006 2-安徽师范大学计算机与信息学院 3-光机电一体化应用技术协同创新中心）

引言

传统汽车发动机冷却风扇电机采用有刷电机作为驱动部件，但有刷电机存在维护难、工作效率低等问题。目前，大部分整车厂也逐步采用BLDCM 作为汽车发动机冷却风扇电机，因为BLDCM 具有效率高、噪声低、电源污染小等优势，并且随着电力电子技术、先进控制理论、智能传感器技术、嵌入式处理器的快速发展，大功率器件如MOSFET 和IGBT 的广泛使用，使得BLDCM 控制系统越来越成熟，且设计方案很多[1-6]。但对于当今竞争激烈的汽车产业，零部件企业会综合考虑产品性能要求和成本两方面因素，需设计性价比较高的产品。鉴于上述原因，同时根据汽车发动机冷却风扇BLDCM 的技术要求，采用意法半导体的STSPIN32F0A 作为核心处理器，其内部包括控制器，直流-直流变换器，集成运放等，通过集成驱动器控制MOSFET 或IGBT，可设置死区时间，具备欠压保护和互锁功能，防止MOSFET 损坏[2]。为抑制输入噪声干扰，其内部设有滤波电路[3]。同时，处理器提供PWM 控制引脚驱动BLDCM，而汽车传动系控制模块MSG 发出的即为PWM 信号[4]。将PWM信号通过光耦隔离后输入处理器的GPIO 接口，按照PWM 占空比与转速的对应关系驱动电机运行[5]，采用六步换向算法通过转速和电流双闭环的PI 调节实时控制BLDCM 运行，并检测BLDCM 参数判断其运行情况，从而更加有效提高汽车发动机冷却风扇工作效率。

1 BLDCM 六步换向算法原理

BLDCM 的三相绕组一般采用星形接法，并连接三相桥式逆变电路，通过检测电机工作时产生的BEMF 过零信号实时控制逆变电路中MOSFET 的导通顺序，以达到电机最大转矩要求[6]。目前六步换向、FOC、DTC 等控制算法已应用于BLDCM 控制系统，六步换向法的基本原理是将母线电压施加BLDC 电机的一相绕组，另一绕组接地，其余绕组不通电，按60 度的电角度依次改变三相绕组通电顺序，驱动转子工作，控制系统多数采用霍尔传感器检测转子位置，根据传感器位置实时控制PWM 信号[7]。但需考虑传感器在BLDCM 中的安装位置，因此从通用化电机控制系统的可移植性考虑，则采用无位置传感器检测方案更为实用。BLDCM 在运行过程中电机三相绕组感应反向电动势（BEMF），根据不同电机特性，该反向电动势的波形有正弦波、梯形波等，通过采集BLDCM 的BEMF 过零检测信号，以控制三相全桥逆变电路PWM 信号时序。通过将该控制算法应用于BLDCM 系统，能有效提高汽车风扇电机的工作效率和降低转矩脉动[8]。

2 控制器总体架构

控制器硬件由STSPIN32F0A 主控芯片、三相全桥逆变电路、单电阻电流采样电路、母线电压检测电路、BEMF 过零检测电路、PWM 输入信号隔离电路、直流稳压滤波电路等构成，系统控制框图和电路图分别如图1、2 所示。STSPIN32F0A 产生6 路PWM 信号，经过内部预逆变电路后，输出至三相逆变全桥电路，分别控制上、下桥臂MOSFET 的导通和关断，根据三相PWM 信号的采样要求，当占空比在50%以上时，要求采样时间在PWMON 的时间段，而在50%以下时，则在PWMOFF 时间段采样。OUTU、OUTV、OUTW 三路信号是作为三相绕组BEMF 过零采样信号，并经过处理电路与STSPIN32F0A 的PA0、PA1、PA2 连接，系统采用单电阻形式电流采样，以检测BLDCM 是否发生过流堵转等故障，并反馈至STSPIN32F0A 的PB1 引脚，实时控制电机运行。VM是直流母线电压检测信号，防止系统出现过压故障，根据BEMF 过零信号检测BLDCM 转子位置，从而输出六步换相PWM 信号。通过BEMF 过零信号检测电机实际转速，并与给定转速进行比较，采用PI算法调节电流和转速。通过改变STSPIN32F0A 输出的PWM 占空比调节电压，控制电机转速。为确保电路的稳定性和抗干扰性，外部模拟MSG 发出的PWM 信号经光耦隔离再接入到PA5 引脚，如图2所示。为保证嵌入式系统可靠复位，采用阻容串联电路，实现系统上电复位，通过电阻分压电路间接获得母线VM 电压值，并送至嵌入式处理器的GPIO 接口PB1。

图1 汽车发动机冷却风扇BLDCM 控制系统框图

2.1 三相桥式逆变电路

BLDCM 控制系统中三相全桥逆变电路使用较为广泛，在许多文献中均有介绍，电路原理以及拓扑结构也大致相同[8-9]。本系统也是采用通用的六管逆变电路拓扑结构，根据负载特性，采用CRTD077 MOSFET 设计逆变电路。如图2 所示以一相电路为例，HSV，LSV 分别为电机三相中V 相MOSFET 的上、下桥臂驱动信号，OUTV 是中性点电压检测信号，由于处理器内部已具备互锁功能，因此不会出现上下桥臂MOSFET 同时导通，为快速关断MOSFET，减少关断时间，该相电路栅极均采用二极管电阻并联的形式。如图2 所示，D3 和R15、D6 和R21 并联，R26 为采样电阻。

图2 发动机冷却风扇控制系统电路图

2.2 单电阻电流采样电路

该系统采用单电阻采样，将采样的电流信号输入至处理器，由于采样电阻非常小，因此电阻两端的空载电压信号较小，易受外界信号干扰，在实验中测量电机空载时耦合干扰电流较大，因此在PCB 布线过程中采用开尔文连接方法，同时为消除导线之间的串扰，抑制共模信号干扰，采用差分输入形式和阻容耦合电路，以补偿负载电压误差。将电机采样电流经过处理器内部运放放大后与参考值PA6 进行比较，再连接处理器内部的放大器作为电压跟随器输出与PA4 比较，进行电压补偿，经过内部放大器作为电压跟随器输入到处理器的过流检测接口OCCOMP，当比较器输出高电平，则关闭MOSFET。由于采用的运放是单电源运放，为了保证信号处理过程中不失真，加入偏置电压12 V，抬高信号幅度。系统使用ETR 定时功能捕获电流信号，处理器采用电流模式实时调节PWM 的持续时间。

2.3 BEMF 过零检测及转速测量电路

在BLDCM 无位置传感器控制策略中，应用较为广泛的是BEMF 过零检测方法。该方法将BEMF 过零信号延迟30°电角度，获取准确的转子位置，同时提供三相全桥逆变电路PWM 信号[5]。BEMF 过零检测的方法主要有端电压检测法、反电动势积分法等[10-11]。在该系统中采用端电压检测方法，并补偿滤波导致的相移，由于电机在静态或低速状态下BEMF 值过小难以检测，所以需让电机启动到额定转速，一般采用三段式起动法[12]。启动BLDCM 需要对准和斜坡生成两个过程。在对准阶段，采用设定的开关顺序让转子保持位置，并保持恒定电流，使转子转动到极对位置对齐。电动机按照斜坡曲线加速运行，当检测电机速度达到阈值，则实现闭环控制，该电路中将逆变全桥的三相浮空信号连接到STSPINF0 的PA0、PA1、PA2，处理器根据反馈的位置信号发送对应触发信号控制MOSFET 通断[3-4，13]。在ST 官方提供的六步换向函数库中支持PWM 信号的接通和断开时间内检测过零两种模式，将BEMF 转换值与阈值比较检测零点，但必须定义PWM_ON_BEMF_SENSING，否则默认PWMoff 模式。图3 中过零检测电路使用两个对接的稳压管，起到限幅作用，防止损坏核心处理器及周边电路的元器件。

图3 发动机冷却风扇控制系统过零检测电路图

为能准确控制冷却风扇运行，将被测电机通过机械装置连接转速可调的直流电机，测量电机绕组的电感和电阻参数，通过示波器捕捉定子绕组中感应BEMF 波形，获得BEMF 过零位置信号。被测风扇感应的BEMF 信号是周期梯形波，依公式（1）计算电机转速[4]。该控制器驱动风扇电机极对数是4 极，给定频率为40 Hz，为提高无刷直流电机的运行速度，减小转矩脉动，在基速以上采用恒功率工作模式，风扇运行时，一般PWM 占空比较大，换向时间较短，电机转矩脉动影响较小，但随着负载增大和转速变化，换向过程对转矩脉动影响较大。

n=60×sysfrq/6×P×LF_TIMxdur×LF_TIMxpre（1）式中：P 是电机极对数；LF_TIMxdur 是持续时间值；LF_TIMxpre 为预分频值；sysfrq 为系统时钟。

3 控制器软件设计

采用Realview MDK 开发环境和ST 的六步换向函数库以及PI 算法设计控制器程序，系统软件主要包括主程序和中断程序，主程序实现HAL 库初始化、系统时钟配置、GPIO 初始化，ADC 初始化、DMA初始化、定时器初始化、六步算法参数初始化等，如图4 所示。采用定时器实现1 ms 定时，当定时标志有效时，进行电机准备、启动、运行、制动、停止及故障的状态切换，设计的有限状态机如图5 所示。中断程序包括TIME2、TIME14、DMA 中断等，TIME2中断是实现1 ms 定时并进行换向检测，DMA 中断是获取多通道ADC 值，包括BEMF 过零捕获和单电阻电流采样。其中过零捕获中断是检测风扇转子位置和转速，从而实现转速闭环控制，单电阻电流采样中断是为了检测控制器电流值，间接判断系统过流堵转并进行电流闭环控制。图6 为中断程序流程图。

图4 汽车发动机冷却风扇控制器主程序流程图

图5 有限状态机

图6 汽车发动机冷却风扇控制器中断程序流程图

4 实验结果分析

为验证基于六步换向算法的冷却风扇无位置传感器软硬件系统有效性和可靠性，搭建汽车发动机冷却风扇测试平台，如图7 所示。被测风扇参数如下：额定功率P=300 W，极对数P=4，额定转速RPM=2 500 r/min，额定电压V=13.5 V，额定电流I=20 A，相电阻Rs=0.035 14 Ω，相电感Ls=115.32 uh。测试平台使用100 MHz 四通道示波器ZDS1104 采集UVW 三相电压信号和V 相电流信号，使用兆信稳压电源KXN-6060D 0-60V/0-60A 供电，使用ulint 函数发生器，采用CPL8100B 电流传感器和电流钳检测电机相电流，使用UT372 测速传感器进行测速，在占空比为0%～100%之间调节频率为40 Hz 的PWM 信号，测试信号幅值为12 V，通过实验获得表1 中的数据，测试波形如图8a、8b、8c 所示。根据汽车发动机冷却风扇测试要求，控制风扇从0 升至转速为2 340.6 r/min，通过串口将测试数据传至UT372 Interface Software 上位机平台，如图9 所示，获得风扇转速运行曲线。如图10 所示，从转速曲线可看出，冷却风扇按照占空比与转速既定关系运行，且在不同转速切换过程中响应速度快。

图10 转速从0 升至2 340 r/min 的运行曲线

表1 占空比与转速对应关系表

图7 汽车发动机冷却风扇测试平台

图8 U、V、W 三相电压和V 相电流信号波形图

图9 上位机转速测试界面

5 结论

本文设计一种性价比较高的基于STSPIN32F0A核心处理器的汽车发动机冷却风扇控制器，根据系统测试结果，能满足产品规范和性能要求，控制器的设计总结如下：

1）根据汽车冷却风扇控制要求，选取意法半导体的嵌入式处理器并优化接口电路，采用差分电路和开尔文连接方法实现PCB 抗干扰，完成了控制器的硬件设计。

2）控制器满足给定PWM 信号占空比与转速的既定关系，将PWM 信号占空比设定在80%、负载为14 A 时，风扇转速达到约1 825 r/min，电机保持稳定运行，设计的系统具有效率高、启动平稳、噪音低等特点。

3）对控制器进行启停耐久测试24 h，系统可稳定运行。

4）通过系统外接转速传感器进行测速，并将数据发送至上位机开展分析，根据测试数据获得电机在不同转速下运行稳定。

5）控制器采用PI 调节器结合ST 的六步换向函数库实现了电流和转速双闭环控制，控制精度高，响应快。