CN101931353B

CN101931353B - 汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法

Info

Publication number: CN101931353B
Application number: CN2010101052448A
Authority: CN
Inventors: 梁伟
Original assignee: Individual
Current assignee: ZHEJIANG NICETY MOTOR Co Ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: CN101931353A

Abstract

本发明公开一种新型汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法。针对无刷直流电机将基于风扇负载特性获得的电流指令作为转速控制指令，与逆变器直流侧采集得到的电流反馈信号进行比较，误差信号输入到比例-积分调节器进行调节，获得用于调节无刷直流电机转速的占空比控制信号，与检测电机反电势所得到的换向信号相结合，通过PWM控制实现无刷直流电机的调速运行。本发明方法直接通过电流单环控制以调节风扇转速和控制无刷直流电机电流，避免了转速环和电流环双环同时调节引入的控制延时，提高汽车风扇用无刷直流电机运行的快速动态响应和稳态调速精度。

Description

汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，通过控制直流电流幅值，实现无刷直流电机在无位置传感器运行下转速调节和电流闭环控制，以提高该类风扇系统的快速动态响应和稳态调速精度。

背景技术

目前，对于汽车电器产品中冷却风扇的要求越来越高，特别是要求风扇驱动用电机具有高效节能、静音、可靠性好等优点。目前在汽车空调风扇中广泛使用的是永磁直流电机，虽然其结构简单、成本低，但其固有的电刷和换向器结构带来了效率低、可靠性差等缺点，已无法适应汽车电器产品高性能和高可靠性运行要求。因此，无刷直流电机在汽车冷却风扇系统中具有广阔的应用前景。无刷直流电机使用电子换向，工作时运动部件与其它部件无机械接触，因而避免了机械磨损和噪声的产生，空调风扇的效率和使用寿命得到较大提高。同时无刷电机还具有电磁干扰小等优点，更加符合汽车电器的运行环境要求。

目前使用于空调风扇用无刷直流电机的控制框图如图7所示，其中无刷直流电机一般配置有霍尔传感器(14)，其输出信号H_a、H_b、H_c用于检测无刷直流电机转子的实时位置和转速ω，以实现电机的运行控制。实际运行中用户根据需求给出风扇转速指令ω^*，与根据霍尔传感器输出信号计算得到的实际转速信号ω进行比较，其误差通过比例-积分控制器(4)得到直流母线参考电流信号I_dc ^*，与所采集直流母线电流I_dc比较获得误差信号ΔI_dc，通过比例-积分控制器(4)得到用于控制电机转速的占空比信号δ，进而通过(5) 与固定频率的三角波载波信号进行比较，输出幅值恒定、宽度变化的PWM信号。同时通过(12)根据霍尔传感器输出信号得到六个换向信号D1-D6，六个换向信号中D1、D3、D5与PWM信号作逻辑“与”运算，得到逆变器三个上管T1、T3、T5的驱动信号，D2、D4、D6可直接作为逆变器三个下管T2、T4、T6的驱动信号，实现电机的调速运行。

由上述分析过程可见，传统的空调风扇用无刷直流电机控制方法需要使用两个比例-积分控制器实现转速和电流的闭环控制，控制系统带宽将受到影响，并带来相应的控制延时，对于汽车这一极为复杂的应用环境，会造成动态跟踪控制误差和稳态调速精度。同时由于霍尔传感器的测量精度和使用寿命易于受环境温度和振动影响，传统的空调风扇用无刷直流电机控制策略也难以应用于汽车空调系统中。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明目的是提供一种汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法。

本发明的技术解决方案，汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(i).利用直流母线采样电阻R_dc采集直流母线电流，通过低通滤波器(2)得到直流母线电流的低频分量I_dc，同时采集绕组端部与电源地之间的三相电压信号U_a，U_b，U_c；

(ii).由于风扇具有正比于转速二次方的负载特性，根据用户指令得到汽车空调风扇参考转速ω^*，通过模块得到直流母线参考电流信号I_dc ^*，与所采集直流母线电流I_dc比较获得误差信号ΔI_dc；

(iii).直流母线电流误差信号ΔI_dc经过比例-积分控制器作比例-积分调节，调节后输出用于控制电机转速的占空比信号δ；

(iv).占空比信号δ通过模块与固定频率的三角波载波信号进行比较，输出幅值恒定、宽度变化的PWM信号；

(v).三相电压信号U_a、U_b、U_c通过反电势提取模块得到三相反电势信号E_a、E_b、E_c；

(vi).三相反电势信号E_a、E_b、E_c通过信号处理模块得到六个换向信号D1-D6；

(vii).六个换向信号中D1、D3、D5与PWM信号作逻辑“与”运算，得到逆变器三个上管T1、T3、T5的驱动信号，D2、D4、D6可直接作为逆变器三个下管T2、T4、T6的驱动信号，实现电机的调速运行。

本发明方法适用于采用高频开关自关断器件构成的各类形式PWM控制的三相或单相逆变装置在空调风扇电机下的有效控制。

本发明方法直接通过电流单环控制调节风扇转速和控制无刷直流电机电流，避免了转速环和电流环双环调节引入的控制延时，提高汽车风扇用无刷直流电机运行的快速动态响应和稳态调速精度。

附图说明

图1无刷直流电机系统框图；

图2无刷直流电机控制框图；

图3直流电流参考指令；

图4PWM信号生成原理图；

图5反电势波形与开关器件触发组合状态；

图6换向信号生成原理图；

图7为现有空调风扇用无刷直流电机的控制框图；

图8反电势信号与D1D6换向信号对应表。

具体实施方法

图2是采用本发明提出的汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法的原理图。它包括控制对象无刷直流电机BLDC 9、与BLDC定子绕组连接的由六个开关管组成的逆变器1，用于直流母线电流检测的霍尔传感器10和用于BLDC三相端部电压U_a、U_b、U_c检测的霍尔传感器11，用于滤除直流母线电流高频分量的低通滤波器2，用于根据速度给定得出参考直流母线电流的函数发生器3，对直流母线电流进行跟踪控制的比例-积分控制器4，用于产生调速用PWM信号的控制器5，根据三相端部电压U_a、U_b、U_c提取三相反电势E_a、E_b、E_c的模块6，根据反电势E_a、E_b、E_c确定换向信号的模块7，通过逻辑“与”运算得到驱动信号的逻辑运算模块8。

参照图2，以一台车用风扇用无刷直流电机为例，采用本发明提出的方法控制其运行，具体实施步骤如下：

(i).利用直流母线采样电阻采集直流母线电流，通过低通滤波器2得到直流母线电流的低频分量I_dc，同时采集绕组端部与电源地之间的三相电压信号U_a、U_b、U_c；

(ii).由于风扇负载正比于转速二次方的特性，可描述为T＝k₁ω²，其中T为风扇负载转矩(N.m)，ω为转速(rad/s)，k₁为与风扇结构有关的系数。由于无刷直流电机的转矩可以表示为T＝k₂I_dc，其中I_dc为直流母线电流，k₂为与电机结构有关的系数。因此为了调节风扇转速，可以通过控制无刷直流电机系统的直流母线电流来实现，控制模型可表示为I_dc＝(k₁/k₂)ω²。当控制模型使用标幺值表示时，ω_(pu)＝1时对应于I_dc(pu)＝1，此时(k₁/k₂)＝1。因此标幺值表示时直流母线电流与电机转速的关系如图3所示。

(iii).根据所需转速通过图3所示的函数曲线经过查表得到直流母线参考电流信号I_dc ^*，与所采集直流母线电流I_dc比较获得误差信号ΔI_dc；

(iv).直流母线电流误差信号ΔI_dc经过比例-积分控制器4作比例-积分调节，调节后输出用于控制电机转速的占空比信号δ，其中比例-积分(PI)控制器4的频域表达为

C_{PI} (s) = K_{P} + \frac{K_{I}}{s}

其中，K_P，K_I为比例、积分系数。

(v).占空比信号δ通过模块5与固定频率的三角波载波信号进行比较，输出幅值恒定、宽度变化的PWM信号，如图4所示；

(vi).对于三相星型接法的无刷直流电机，绕组相电压是指相绕组两端的电压，也就是绕组端部和绕组中心点之间的电压(如图1中U_a，U_b，U_c所示)可以表示为：

\{\begin{matrix} U_{A} = U_{a} + U_{0} \\ U_{B} = U_{b} + U_{0} \\ U_{C} = U_{c} + U_{0} \end{matrix}

在图1中，由无刷直流电机拓扑结构可以推导出如下平衡方程式：

\{\begin{matrix} U_{a} = {Ri}_{a} + L \frac{{di}_{a}}{dt} + E_{a} \\ U_{b} = {Ri}_{b} + L \frac{{di}_{b}}{dt} + E_{b} \\ U_{c} = {Ri}_{c} + L \frac{{di}_{c}}{dt} + E_{c} \end{matrix}

式中U_a，U_b，U_c分别为A，B，C三相相电压，R为相绕组电阻，L为相电自感与互感之差，E_a，E_b，E_c分别为A，B，C三相反电势。

三相绕组为星型接法，且没有中点，故：

i_a+i_b+i_c＝0

可以得到

U_{0} = \frac{1}{3} (U_{A} + U_{B} + U_{C}) + \frac{1}{3} (E_{a} + E_{b} + E_{c})

假设电机处于电流从A相流入，B相流出，C相悬空，即导通功率管T1、T6的状态，此时C相没有电流流过，不考虑PWM斩波的情况下，满足如下条件：

\{\begin{matrix} i_{c} = 0, {di}_{c} = 0 \\ E_{a} + E_{b} = 0 \\ U_{A} + U_{B} = U_{d} \\ U_{C} = E_{c} + U_{0} \end{matrix}

可以得到

E_{c} = U_{C} - \frac{U_{d}}{2}

因此，对于检测得到的无刷直流电机端电压进行软件数字带通滤波，一方面滤除端电压中的PWM斩波等高频干扰信号，另一方面滤除U_d/2的直流信号，以得到三相反电势信号E_a、E_b、E_c。此外从图5可以看出，在各相反电势过零点出现之后，延迟30°电角度，就是下一个换相时刻。因此带通滤波器须使端电压信号在频域上移相角尽可能接近30°。

带通滤波器的频域表达可表示为一个低通滤波器和一个高通滤波器相乘，如下式所示：

C_{bandpass} (s) = \frac{ω_{1}}{s + ω_{c 1}} g \frac{s}{s + ω_{c 2}}

其中，ω_c1，ω_c2分别为低通滤波器和高通滤波器的截止频率，且ω_c1＞ω_c2。

(vii).得到移相30°电角度的反电势信号E_a、E_b、E_c后，可以通过图8所示信号处理次序得到六个换向信号D1-D6。

(viii).六个换向信号中D1、D3、D5信号通过模块8与PWM信号作逻辑“与”运算，得到三个上管T1、T3、T5的驱动信号，六个换向信号中D2、D4、D6可直接用于驱动三个下管T2、T4、T6，如图6所示。

Claims

1.汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(i)、利用直流母线采样电阻R_dc采集直流母线电流，通过低通滤波器(2)得到直流母线电流的低频分量I_dc，同时采集绕组端部与电源地之间的三相电压信号U_a，U_b，U_c；

(ii)、由于风扇具有正比于转速二次方的负载特性，根据用户指令得到汽车空调风扇参考转速ω*，通过第三模块(3)得到直流母线参考电流信号I_dc ^*，与所采集直流母线电流I_dc比较获得误差信号ΔI_dc；

(iii)、直流母线电流误差信号ΔI_dc经过比例-积分控制器(4)作比例-积分调节，调节后输出用于控制无刷直流电机转速的占空比信号δ；

(iv)、占空比信号δ通过第五模块(5)与固定频率的三角波载波信号进行比较，输出幅值恒定、宽度变化的PWM信号；

(v)、三相电压信号U_a、U_b、U_c通过反电势提取第六模块(6)得到三相反电势信号E_a、E_b、E_c；

(vi)、三相反电势信号E_a、E_b、E_c通过信号处理第七模块(7)得到六个换向信号D1-D6；

(vii)、六个换向信号D1-D6通过第八模块(8)得到逆变器(1)六个功率开关管T1-T6的驱动信号，实现无刷直流电机的调速运行，其中D1、D3、D5与PWM信号作逻辑“与”运算，得到逆变器三个上管T1、T3、T5的驱动信号，D2、D4、D6直接作为逆变器三个下管T2、T4、T6的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于步骤(ii)中所说的直流母线参考电流信号I_dc ^*是根据转速指令通过风扇负载特性计算得到。

3.根据权利要求1所述的汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于步骤(v)中通过对无刷直流电机端部电压检测，经过数字带通滤波器获得反电势信号。

4.根据权利要求1所述的汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于步骤(vi)中通过检测反电势信号的大小，直接查表得到逆变器六个开关管驱动信号。

5.根据权利要求1所述的汽车空调风扇用无刷直流电机控制方法，其特征在于步骤(vii)中所说的逆变器三个上管驱动信号由PWM信号和换向信号经过逻辑“与”运算得到。