CN112187128A - 一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，根据汽车空调运行状态、水箱温度判断是否启动风扇，在风扇运行时，采集霍尔位置信号，根据信号判断传感器是否故障，若故障则反馈故障给ECU，并进行声光报警，若无故障则通过霍尔位置传感器获取转子位置相关信息，并通过相电流采样电阻，进行电机相信号采集；将相电流信号进行坐标变换构建补偿加速度，结合霍尔位置传感器获得的离散转子位置信号，改善电机动态运行性能；通过一阶加速度算法进行转子位置估算，最终通过矢量控制算法完成风扇高性能控制。

Description

一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法。

背景技术

传统的有刷直流风扇由于存在效率低、可靠性差等缺点，己经不再适用于新型电动汽车上。使用无刷直流电机(Brushless DC motor，BLDCM)的风扇拥有的体积小、效率高、功率因数高等优点，能够较大程度上弥补传统的汽车空调电机的缺点。

因为汽车的风扇电机安装空间较小且工作环境有很大的振动和噪声，使用机械编码器、光电编码器，旋转变压器等位置传感器定位转子位置就会增加较大的成本，同时也增大风扇体积。

无传感器算法控制精度不高，可靠性也无法与有感算法相匹敌，为了解决这些问题人们就提出体积较小的霍尔传感器估算转子位置的一些方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于霍尔传感器的无刷直流电机汽车风扇控制方法，以解决汽车传统有刷直流风扇效率低，可靠性差、无传感器可靠性较差，算法复杂，高精度传感器体积大，成本高等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：汽车点火后，使用温度传感器检测水箱温度并传输给车载电脑，即电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)；ECU根据空调启动状况、水箱温度测量情况，对无刷直流电机汽车风扇的启停控制、以及转速设置；

步骤二：空调开启或温度到达温度阀值后风扇启动，启动后获取中心对称安装在无刷直流电机一周的三个霍尔位置传感器输出的三路霍尔信号h_a、h_b、h_c，这些信号三相相位差120°、脉宽180°电角度的方波，这些信号把360°的电角度划分为6个60°的位置区间；

步骤三：三相霍尔位置传感器正常工作情况下输出110、101、011、010、001、100共6种状态，若霍尔位置传感器输出信号存在000或者111时，则表明霍尔传感器出现故障，则由风扇控制板反馈至ECU，由显示电路进行声光报警；

步骤四：风扇进入运行后，通过三个采样电阻，采集电机运行三相电流i_a、i_b、i_c；通过并进行Clark变换得到i_α、i_β；将i_α、i_β通过park变换得到两相旋转坐标系下d-q轴的电流分量，即解耦后的励磁电流i_d分量、转矩电流i_q分量；根据转矩电流计算补偿加速度a*＝f(i_q)；

步骤五：将三相霍尔信号获得的六个离散信号与补偿加速度相结合使用一阶加速算法中估算转子位置信息；

步骤六：根据无刷直流电机系统获取得到的电机运行时的三相电流，以及通过一阶加速度算法得到的转子位置信息，构建无刷直流电机矢量控制系统，通过SVPWM驱动风扇高性能运行。

所述步骤一中，在水箱温度未达到90℃时，按照空调状态进行风扇转速控制，以三档空调为例：

空调关闭时，风扇停止，空调1档时风扇以额定转速20％运行，

空调2档时风扇以额定转速的50％运行，

空调3档时风扇以额定转速运行；

若空调水温达到90℃时，90℃～100℃按照线性对应额定转速的20％～100％，大于100℃时全速。

所述步骤四中，根据无刷直流电机两相d-q旋转坐标系下数学模型，忽略启动时负载转矩可得：

式中：n_p为极对数，ψ_f为转子磁链，J为转动惯量，定义a^*补偿加速度。

由式(1)可得电机加速度与转矩电流i_q成正比；即电机加速度与Δi_q＝i_qref-i_q存在线性关系；在电机加减速运行阶段设置转矩电流i_qref与实际转矩电流i_q差较大，故将Δi_q＝i_qref-i_q引入角加速度估算式，改善加减速阶段控制性能；

当电机低速运行时即ω_ref＜0.05ω_n，n为额定转速时，实际角速度与通过传统一阶加速度算法估算所得角速度误差较大，同样影响控制性能，故将估算转速ω_n与转矩电流差引入补偿加速度计算；

即补偿加速度a^*＝f(i_q)为：

式中：i_q为转矩电流，i_qref为设置转矩电流。

所述步骤五中，根据三相霍尔位置传感器波形划分出六个霍尔区间，在电机运行过程中，将前一霍尔区间平均速度代替当前霍尔区间起始时刻瞬时速度：并假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，用前一霍尔区间内转子运行加速度代替当前霍尔区间转子运行加速度；在传统一阶加速度算法中，当前时刻转子位置θ(t)、角速度ω(t)可用公式(3)估算：

式中：t为当前霍尔区间运行时间，θ_k为当前霍尔区间起始位置。a_k-1为前一个状态的加速度：

式中：ω_k、ω_k-1分别为当前霍尔区间和前一个霍尔扇区的平均速度，t_k+1为下一霍尔区间运行时间，t_k-1为前一霍尔区间总运行时间；

将补偿加速度引入公式(3)改进后的一阶加速度角度估算算法为：

所述步骤六中，采用i_d＝0控制方法构建转速、电流双闭环控制系统无刷直流电机矢量控制系统：

将获得无刷直流电机运行时三相电流i_a、i_b、i_c，经过坐标变换后可得d-q坐标系电流i_d、i_q，将其与设置电流i_dref做差经过PI构成电流闭环，使用一阶加速度算法得到风扇转子运行信息作为坐标变换的输入；

将无刷直流电机设定速度ω_n与估算速度做差输入PI调节器，PI调节器输出为q轴电流给定i_qref，将i_qref和i_dref(i_dref＝0)与电流反馈值i_d和i_q比较产生的偏差经过电流控制器得到u_q和u_d，再经过Park逆变换得到正交的u_α和u_β，u_α和u_β输入空间矢量脉宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制三相桥式逆变器功率管开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，驱动无刷直流电机按设定参数运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

结合汽车空调、水箱温度的综合状态，控制风扇运行。在风扇中安装霍尔位置传感器，在电机启动阶段可以较为准确得到转子所在的位置区间，缩小启动时刻转子位置误差，解决了无传感器算法，由于启动时刻无法正确获得反电动势，导致的开环启动不可靠等问题；

根据三相霍尔波形估算连续的转子位置角进行矢量控制，与六步方波控制算法比较换相过程控制较为平滑，噪音较小，能量利用率较高，考虑无刷直流电机变速过程中与电流的相关性，引入补偿加速度估算转子位置，优化动态性能；针对霍尔传感器损坏，在系统中增加霍尔传感器故障检测功能，方便准确定位因霍尔传感器故障，风扇无法工作等问题，增加系统可靠性。

附图说明

图1基于无刷直流电机汽车风扇控制流程图；

图2是开关型霍尔位置传感器安装结构图与输出波形图；

图3是无刷直流电机汽车风扇控制系统框图；

图4是无刷直流电机矢量控制结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示：一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，包括如下步骤：

步骤一：汽车点火后，使用温度传感器检测水箱温度并传输给车载电脑，即电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)；ECU根据空调启动状况、水箱温度测量情况，对无刷直流电机汽车风扇的启停控制、以及转速设置；

其中：在水箱温度未达到90℃时，按照空调状态进行风扇转速控制，以三档空调为例：

空调关闭时，风扇停止，空调1档时风扇以额定转速20％运行，

空调2档时风扇以额定转速的50％运行，

空调3档时风扇以额定转速运行；

若空调水温达到90℃时，90℃～100℃按照线性对应额定转速的20％～100％，大于100℃时全速。

如图2：步骤二：空调开启或温度到达温度阀值后风扇启动，启动后获取中心对称安装在无刷直流电机一周的三个霍尔位置传感器输出的三路霍尔信号h_a、h_b、h_c，这些信号三相相位差120°、脉宽180°电角度的方波，这些信号把360°的电角度划分为6个60°的位置区间；

步骤三：三相霍尔位置传感器正常工作情况下输出110、101、011、010、001、100共6种状态，若霍尔位置传感器输出信号存在000或者111时，则表明霍尔传感器出现故障，则由风扇控制板反馈至ECU，由显示电路进行声光报警；

步骤四：风扇进入运行后，通过三个采样电阻，采集电机运行三相电流i_a、i_b、i_c；通过并进行Clark变换得到i_α、i_β；将i_α、i_β通过park变换得到两相旋转坐标系下d-q轴的电流分量，即解耦后的励磁电流i_d分量、转矩电流i_q分量；根据转矩电流计算补偿加速度a^*＝f(i_q)；

根据无刷直流电机两相d-q旋转坐标系下数学模型，忽略启动时负载转矩可得：

式中：n_p为极对数，ψ_f为转子磁链，J为转动惯量，定义a^*补偿加速度。

由式(1)可得电机加速度与转矩电流i_q成正比；即电机加速度与Δi_q＝i_qref-i_q存在线性关系；在电机加减速运行阶段设置转矩电流i_qref与实际转矩电流i_q差较大，故将Δi_q＝i_qref-i_q引入角加速度估算式，改善加减速阶段控制性能；

当电机低速运行时即ω_ref＜0.05ω_n，n为额定转速时，实际角速度与通过传统一阶加速度算法估算所得角速度误差较大，同样影响控制性能，故将估算转速ω_n与转矩电流差引入补偿加速度计算；

即补偿加速度a*＝f(i_q)为：

式中：i_q为转矩电流，i_qref为设置转矩电流。

步骤五：将三相霍尔信号获得的六个离散信号与补偿加速度相结合使用一阶加速算法中估算转子位置信息；

如图3：根据三相霍尔位置传感器波形划分出六个霍尔区间，在电机运行过程中，将前一霍尔区间平均速度代替当前霍尔区间起始时刻瞬时速度：并假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，用前一霍尔区间内转子运行加速度代替当前霍尔区间转子运行加速度；在传统一阶加速度算法中，当前时刻转子位置θ(t)、角速度ω(t)可用公式(3)估算：

式中：t为当前霍尔区间运行时间，θ_k为当前霍尔区间起始位置。a_k-1为前一个状态的加速度：

式中：ω_k、ω_k-1分别为当前霍尔区间和前一个霍尔扇区的平均速度，t_k+1为下一霍尔区间运行时间，t_k-1为前一霍尔区间总运行时间；

将补偿加速度引入公式(3)改进后的一阶加速度角度估算算法为：

步骤六：根据无刷直流电机系统获取得到的电机运行时的三相电流，以及通过一阶加速度算法得到的转子位置信息，构建无刷直流电机矢量控制系统，通过SVPWM驱动风扇高性能运行：

如图4：所述步骤六中，采用i_d＝0控制方法构建转速、电流双闭环控制系统无刷直流电机矢量控制系统：

将获得无刷直流电机运行时三相电流i_a、i_b、i_c，经过坐标变换后可得d-q坐标系电流i_d、i_q，将其与设置电流i_dref做差经过PI构成电流闭环，使用一阶加速度算法得到风扇转子运行信息作为坐标变换的输入；

将无刷直流电机设定速度ω_n与估算速度做差输入PI调节器，PI调节器输出为q轴电流给定i_qref，将i_qref和i_dref(i_dref＝0)与电流反馈值i_d和i_q比较产生的偏差经过电流控制器得到u_q和u_d，再经过Park逆变换得到正交的u_α和u_β，u_α和u_β输入空间矢量脉宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制三相桥式逆变器功率管开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，驱动无刷直流电机按设定参数运行。

结合汽车空调、水箱温度的综合状态，控制风扇运行。在风扇中安装霍尔位置传感器，在电机启动阶段可以较为准确得到转子所在的位置区间，缩小启动时刻转子位置误差，解决了无传感器算法，由于启动时刻无法正确获得反电动势，导致的开环启动不可靠等问题；

根据三相霍尔波形估算连续的转子位置角进行矢量控制，与六步方波控制算法比较换相过程控制较为平滑，噪音较小，能量利用率较高，考虑无刷直流电机变速过程中与电流的相关性，引入补偿加速度估算转子位置，优化动态性能；针对霍尔传感器损坏，在系统中增加霍尔传感器故障检测功能，方便准确定位因霍尔传感器故障，风扇无法工作等问题，增加系统可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：汽车点火后，使用温度传感器检测水箱温度并传输给车载电脑，即电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)；ECU根据空调启动状况、水箱温度测量情况，对无刷直流电机汽车风扇的启停控制、以及转速设置；

步骤二：空调开启或温度到达温度阀值后风扇启动，启动后获取中心对称安装在无刷直流电机一周的三个霍尔位置传感器输出的三路霍尔信号h_a、h_b、h_c，这些信号三相相位差120°、脉宽180°电角度的方波，这些信号把360°的电角度划分为6个60°的位置区间；

步骤三：三相霍尔位置传感器正常工作情况下输出110、101、011、010、001、100共6种状态，若霍尔位置传感器输出信号存在000或者111时，则表明霍尔传感器出现故障，则由风扇控制板反馈至ECU，由显示电路进行声光报警；

步骤四：风扇进入运行后，通过三个采样电阻，采集电机运行三相电流i_a、i_b、i_c；通过并进行Clark变换得到i_α、i_β；将i_α、i_β通过park变换得到两相旋转坐标系下d-q轴的电流分量，即解耦后的励磁电流i_d分量、转矩电流i_q分量；根据转矩电流计算补偿加速度a^*＝f(i_q)；

步骤五：将三相霍尔信号获得的六个离散信号与补偿加速度相结合使用一阶加速算法中估算转子位置信息；

步骤六：根据无刷直流电机系统获取得到的电机运行时的三相电流，以及通过一阶加速度算法得到的转子位置信息，构建无刷直流电机矢量控制系统，通过SVPWM驱动风扇高性能运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，

所述步骤一中，在水箱温度未达到90℃时，按照空调状态进行风扇转速控制，以三档空调为例：

空调关闭时，风扇停止，空调1档时风扇以额定转速20％运行，

空调2档时风扇以额定转速的50％运行，

空调3档时风扇以额定转速运行；

若空调水温达到90℃时，90℃～100℃按照线性对应额定转速的20％～100％，大于100℃时全速。

3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，所述步骤四中，根据无刷直流电机两相d-q旋转坐标系下数学模型，忽略启动时负载转矩可得：

式中：n_p为极对数，ψ_f为转子磁链，J为转动惯量，定义a^*补偿加速度。

由式(1)可得电机加速度与转矩电流i_q成正比；即电机加速度与Δi_q＝i_qref-i_q存在线性关系；在电机加减速运行阶段设置转矩电流i_qref与实际转矩电流i_q差较大，故将Δi_q＝i_qref-i_q引入角加速度估算式，改善加减速阶段控制性能；

当电机低速运行时即ω_ref＜0.05ω_n，n为额定转速时，实际角速度与通过传统一阶加速度算法估算所得角速度误差较大，同样影响控制性能，故将估算转速ω_n与转矩电流差引入补偿加速度计算；

即补偿加速度a^*＝f(i_q)为：

式中：i_q为转矩电流，i_qref为设置转矩电流。

4.根据权利要求1所述的一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，所述步骤五中，根据三相霍尔位置传感器波形划分出六个霍尔区间，在电机运行过程中，将前一霍尔区间平均速度代替当前霍尔区间起始时刻瞬时速度：并假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，用前一霍尔区间内转子运行加速度代替当前霍尔区间转子运行加速度；在传统一阶加速度算法中，当前时刻转子位置θ(t)、角速度ω(t)可用公式(3)估算：

式中：t为当前霍尔区间运行时间，θ_k为当前霍尔区间起始位置。a_k-1为前一个状态的加速度：

式中：ω_k、ω_k-1分别为当前霍尔区间和前一个霍尔扇区的平均速度，t_k+1为下一霍尔区间运行时间，t_k-1为前一霍尔区间总运行时间；

将补偿加速度引入公式(3)改进后的一阶加速度角度估算算法为：

。

5.根据权利要求1所述的一种基于霍尔位置传感器无刷直流电机汽车风扇控制方法，其特征在于，

所述步骤六中，采用i_d＝0控制方法构建转速、电流双闭环控制系统无刷直流电机矢量控制系统：

将获得无刷直流电机运行时三相电流i_a、i_b、i_c，经过坐标变换后可得d-q坐标系电流i_d、i_q，将其与设置电流i_dref做差经过PI构成电流闭环，使用一阶加速度算法得到风扇转子运行信息作为坐标变换的输入；

将无刷直流电机设定速度ω_n与估算速度做差输入PI调节器，PI调节器输出为q轴电流给定i_qref，将i_qref和i_dref(i_dref＝0)与电流反馈值i_d和i_q比较产生的偏差经过电流控制器得到u_q和u_d，再经过Park逆变换得到正交的u_α和u_β，u_α和u_β输入空间矢量脉宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制三相桥式逆变器功率管开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，驱动无刷直流电机按设定参数运行。

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