CN112901329B - 一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统 - Google Patents

一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统，涉及电子控制领域，具体包括步骤：在实时转速超过预设转速时切换至闭环模式；获取低通滤波后目标转速信号的实际转速期望图，并将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰；并根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵。通过上述步骤，本发明控制误差量远远小于传统PID的控制误差量，这样既保障了转速在增加，无刷电机加速向稳态转速运转，又保障了转速增加更柔和、电机加速不抖动。

Description

一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统
技术领域
本发明涉及电子控制领域，具体涉及一种电子水泵开闭环控制切换的方法与系统。
背景技术
汽车发动机冷却水泵是对汽车发动机进行冷却降温的重要组成部件，汽车发动机在工作或工作刚结束时，都需要进行降温冷却。其中，发动机在工作时，需要保障发动机内部冷却水槽温度在85～95℃之间；而工作刚结束时也需要对发动机进行持续降温，降低发动机的温度至室温。在以往，汽车发动机通常采用发动机主轴带动皮带，皮带再带动水泵进行运转。这种方式下，发动机工作时，主轴转动、水泵被带动，冷却水可以循环冷却发动机，但发动机停止后，主轴停转、水泵停转，冷却水不流动，发动机散热冷却停止，这样容易导致发动机过热。为了进一步提高发动机冷却性能，现有技术中，通常采用电子控制水泵代替机械控制水泵，这样水泵运行依靠车载电池供电，不依赖于发动机的转动，在任何时刻都可以驱动水泵的运转，有效的对发动机进行冷却散热。由于电子水泵安装在发动机附近，需要其控制性能好、响应性好、集成度高、可靠性高和尺寸小。
目前电子冷却水泵主要采用无感转速控制的无刷电机水泵，在启动时由于不能有效检测到无刷电机的反电势，难以辨识出转速，需要先对无刷电机的转速进行开环控制，使水泵转子加速转动，当水泵转子转速上升后，检测反电势并可以计算出转速了，再进入转速闭环控制，开环和闭环之间的转换需要无缝切换，否则会产生转速抖动的缺陷。同时，闭环控制常采用线性PID控制策略。这种转速控制策略目前主要存在以下不足：一是开环控制切换到闭环控制时，不能有效的进行速度切换，存在速度抖动；二是线性PID控制存在超调、控制精度不高；三是无刷电机的转矩脉动会引起转速的波动。这些不足影响了电子冷却水泵的控制性能，导致水泵抖动、速度不稳定、噪音大。
发明内容
为了使无刷电机水泵从开环模式切换至闭环模式时能够降低水泵的抖动，本发明提出了一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，通过无刷电机驱动水泵，当无刷电机从开环模式切换至闭环模式时，包括步骤：
S1：当检测到无刷电机定子的电感反电势后，根据电感反电势获取转子的实时转速信号；
S2：判断实时转速信号对应的实时转速是否超过预设转速，若是，切换至闭环模式并进下一步骤；
S3：获取低通滤波后目标转速信号的实际转速期望图，并将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰；
S4：根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；
S5：根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回步骤S3（若达到目标转速则维持无扰动电流输出）。
进一步地，所述步骤S2中的预设转速为开环控制和闭环控制的临界转速点。
进一步地，所述步骤S3中，二阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际转速期望值和总干扰，所述第一公式组为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中，k为当前计算周期，k+1为下一计算周期，z1为实际转速期望值，z2为总干扰，nk为当前转速期望值，h为转速采样的计算周期，Ir为电流环给定信号，KT为无刷电机的转矩系统，J为无刷电机的转动惯量，w0为扩张状态观测器带宽。
进一步地，所述步骤S4中，比例控制公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，Ir0为无扰动电流输出，z2(k)*J/KT为总干扰补偿，Ntd(k)为实际转速期望图上k点的值，wc为比例控制器（比例控制公式的执行部件）的带宽。
进一步地，所述步骤S1中还包括步骤：
S11：通过FIR平均值滤波法对实时转速信号进行低通滤波。
进一步地，所述步骤S1之前还包括步骤：
S0：获取无刷电机转子的初始相位，并根据初始相位输入占空比和换向频率调节后的PWM信号至无刷电机提升转子的转速。
进一步地，所述步骤S5之后还包括步骤：
S6：通过PI调节器对无扰动电流输出进行积分饱和，并限制无扰动电流输出小于预设值。
本发明还提出了一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统，通过无刷电机驱动水泵，当无刷电机从开环模式切换至闭环模式时，包括：
模式切换模块，用于检测到无刷电机定子的电感反电势后根据电感反电势获取转子的实时转速信号，并在实时转速信号对应的实时转速超过预设转速时，控制系统进入闭环模式；
滤波模块，用于对目标转速信号进行滤波获取实际转速期望图；
计算模块，用于将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰，并根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；
输出模块，用于根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回计算模块。
进一步地，所述二阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际转速期望值和总干扰，所述第一公式组为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
式中，k为当前计算周期，k+1为下一计算周期，z1为实际转速期望值，z2为总干扰，nk为当前转速期望值，h为转速采样的计算周期，Ir为电流环给定信号，KT为无刷电机的转矩系统，J为无刷电机的转动惯量，w0为扩张状态观测器带宽。
进一步地，所述比例控制公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中，Ir0为无扰动电流输出，z2(k)*J/KT为总干扰补偿，Ntd(k)为实际转速期望图上k点的值，wc为比例控制器（比例控制公式的执行部件）的带宽。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统，通过对目标转速信号进行低通滤波化处理，使得获得的实际转速期望图与电子水泵启动、稳定运行的实际转速曲线贴近，保障了转速不突变，电子水泵控制不产生超调，极大程度的降低了抖动；
（2）通过对实时转速信号进行低通滤波，降低甚至去除了实际转速的高频干扰，使得测算更精准；
（3）以预设的扩张状态观测器带宽进行二阶扩张状态观测，并利用比例控制进行计算，减小了计算的稳态误差，使得本发明的控制误差量远远小于传统PID的控制误差量，这样既保障了转速在增加，无刷电机加速向稳态转速运转，又保障了转速增加更柔和、电机加速不抖动；
（4）增加了PI调节器，防止稳态输出电流的无限制增大，保护无刷电机不受过流损伤。
附图说明
图1为一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法的方法步骤图；
图2为一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统的系统结构图；
图3为目标转速信号变化示意图；
图4为二阶扩张状态观测器变量取值思路示意图一；
图5为二阶扩张状态观测器变量取值思路示意图二。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了解决传统电子水泵在开闭环控制切换时会发生明显抖动的问题，本发明提出了一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统，该方法先使用电感法确定无刷电机水泵转子的初始相位，然后开环控制，使水泵加速转动，可以检测电机定子电感反电势过零点、转速可以计算时，开始切换到闭环控制。闭环控制为一种改进的转速一阶自抗扰控制方法，其具体步骤如图1所示，包括：
S0：获取无刷电机转子的初始相位，并根据初始相位输入占空比和换向频率调节后的PWM信号至无刷电机提升转子的转速；
S1：当检测到无刷电机定子的电感反电势后，根据电感反电势获取转子的实时转速信号；
S11：通过FIR平均值滤波法对实时转速信号进行低通滤波。
FIR滤波：将抖动的实时转速信号nE进行低通滤波，得到当前滤波后的转速n，用于转速环计算，这样将实际转速的高频干扰减弱和去除，同时减小后续实际转速信号nE的抖动。FIR滤波时，采集3个最近时刻的转速进行FIR平均值滤波，滤波后的当前转速n(k)=(nE(k)+nE(k-1)+nE(k-2))/3。FIR滤波采用3个最近时刻的转速进行FIR平均值滤波，降低了高频干扰。
S2：判断实时转速信号对应的实时转速是否超过预设转速，若是，切换至闭环模式并进下一步骤（所述预设转速为开环控制和闭环控制的临界转速点）。
当转速未超过预设转速时，保持在开环模式，转速这一被控参量并不参与转速的控制，而当转速达到要求后，切换至闭环模式并进入以下步骤。
S3：获取低通滤波后目标转速信号的实际转速期望图，并将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰。
目标转速nE0为一个定值，因此在初始状态下目标转速信号Nr（目标转速图，如图3左侧）为阶跃突变信号，而以这种信号直接驱动无刷电机进行转速调节，势必会导致无刷电机的抖动。而将目标转速信号进行低通滤波处理后，得到的实际转速期望信号Ntd（实际转速期望图，如图3右侧），则与电子水泵启动、稳定运行的实际转速曲线贴近，保障了转速不突变，同时电子水泵控制不产生超调，并大大降低因转速突变导致的抖动。
而在此基础上，考虑到传统PID控制中，转速期望信号一直为阶跃信号Nr，当Nr远大于切换至闭环模式时的实时转速信号nE1时，误差(Nr-nE1)较大，使得控制量较大，转矩突增，速度产生抖动，且容易超调。因此，本发明提出了利用二阶扩张状态观测器，在实际转速期望信号Ntd上取nE1数据点（如图4），以此为基础，纵坐标增加H，H=(Nr-nE1)×(5～8)%，在曲线Ntd上对应的点数据取为实际转速期望信号为Ntd1，与nE1对应进行控制量计算。下一次的期望转速以Ntd1为起点，时间横坐标增加h（如图5），h为转速采样计算周期，本实施例中取1～3ms；对应期望转速为Ntd2，以此方法递增时间得到期望转速，这样建立了每一次闭环控制时实际转速与期望转速的对应关系，将开环与闭环的转速转化无缝动态过度。
本发明确定的误差H=(Nr-nE1)×(5～8)%＞0，且仅仅为传统PID控制误差量(Nr-nE1)的(5～8)%，这样既保障了转速在增加，电机加速向稳态转速运转，又保障了转速柔和地增加，电机加速不抖动。这样避免了传统PID控制时，开环切换闭环时由于期望值与实际转速相差巨大，导致速度偏差大造成的控制量非常大、转矩突变而造成转速的抖动的不足。
其中，二阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际转速期望值和总干扰，所述第一公式组为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
式中，k为当前计算周期，k+1为下一计算周期，z1为实际转速期望值，z2为总干扰，nk为当前转速期望值，h为转速采样的计算周期，Ir为电流环给定信号，KT为无刷电机的转矩系统，J为无刷电机的转动惯量，w0为扩张状态观测器带宽。
S4：根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿。
所述步骤S4中，比例控制公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
式中，Ir0为无扰动电流输出，z2(k)*J/KT为总干扰补偿（此处的k为下一周期），Ntd(k)为实际转速期望图上k点的值，wc为比例控制器（比例控制公式的执行部件）的带宽。
在通过步骤S1和步骤S2解决电压波动和负载变化的情况在，在步骤S3的基础上，本发明考虑到稳态误差的存在，通过Ntd(k)与z1(k)根据二阶观测器和比例控制器带宽之间的比较获得z2(k)*J/KT，并对稳态误差进行了补偿。
S5：根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回步骤S3。
同时为了避免电流过载对无刷电子造成损害，在步骤S5之后还包括步骤：
S6：通过PI调节器对无扰动电流输出进行积分饱和，并限制无扰动电流输出小于预设值。（所述预设值为当前比例控制率的8~10倍）
优选地，考虑到无刷电机的故障检测（包括堵转、过流、过压、过温），在对故障进行修复可能导致转速的跌落或者重启，当转速≤目标转速nE0时重新启动系统（也即是返回步骤S0），当转速＞目标转速nE0时进入闭环控制（也即是进入步骤S3）。
实施例二
为了更好的对本发明的发明思路进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统，通过无刷电机驱动水泵，当无刷电机从开环模式切换至闭环模式时，包括：
模式切换模块，用于检测到无刷电机定子的电感反电势后根据电感反电势获取转子的实时转速信号，并在实时转速信号对应的实时转速超过预设转速时，控制系统进入闭环模式；
滤波模块，用于对目标转速信号进行滤波获取实际转速期望图；
计算模块，用于将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰，并根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；
输出模块，用于根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回计算模块。
同时，当系统刚启动时，
模式切换模块，还用于获取无刷电机转子的初始相位，并根据初始相位输入占空比和换向频率调节后的PWM信号；
输出模块，还用于根据占空比和换向频率调节后的PWM信号提升转子的转速。
为了避免过流，还包括PI调节器，用于对无扰动电流输出进行积分饱和，并限制无扰动电流输出小于预设值。
综上所述，本发明所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法与系统，通过对目标转速信号进行低通滤波化处理，使得获得的实际转速期望图与电子水泵启动、稳定运行的实际转速曲线贴近，保障了转速不突变，电子水泵控制不产生超调，极大程度的降低了抖动与噪音。
通过对实时转速信号进行低通滤波，降低甚至去除了实际转速的高频干扰，使得测算更精准。以预设的扩张状态观测器带宽进行二阶扩张状态观测，并利用比例控制进行计算，减小了计算的稳态误差，使得本发明的控制误差量远远小于传统PID的控制误差量，这样既保障了转速在增加，无刷电机加速向稳态转速运转，又保障了转速增加更柔和、电机加速不抖动。同时，增加了PI调节器，防止稳态输出电流的无限制增大，保护无刷电机不受过流损伤。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，通过无刷电机驱动水泵，其特征在于，当无刷电机从开环模式切换至闭环模式时，包括步骤：
S1：当检测到无刷电机定子的电感反电势后，根据电感反电势获取转子的实时转速信号；
S2：判断实时转速信号对应的实时转速是否超过预设转速，若是，切换至闭环模式并进下一步骤；
S3：获取低通滤波后目标转速信号的实际转速期望图，并将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰；
S4：根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；
S5：根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回步骤S3。
2.如权利要求1所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S2中的预设转速为开环控制和闭环控制的临界转速点。
3.如权利要求1所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S3中，二阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际转速期望值和总干扰，所述第一公式组为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，k为当前计算周期，k+1为下一计算周期，z1为实际转速期望值，z2为总干扰，nk为当前转速期望值，h为转速采样的计算周期，Ir为电流环给定信号，KT为无刷电机的转矩系统，J为无刷电机的转动惯量，w0为扩张状态观测器带宽。
4.如权利要求3所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S4中，比例控制公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，Ir0为无扰动电流输出，z2(k)*J/KT为总干扰补偿，Ntd(k)为实际转速期望图上k点的值，wc为比例控制器的带宽。
5.如权利要求1所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括步骤：
S11：通过FIR平均值滤波法对实时转速信号进行低通滤波。
6.如权利要求1所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤：
S0：获取无刷电机转子的初始相位，并根据初始相位输入占空比和换向频率调节后的PWM信号至无刷电机提升转子的转速。
7.如权利要求1所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括步骤：
S6：通过PI调节器对无扰动电流输出进行积分饱和，并限制无扰动电流输出小于预设值。
8.一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统，通过无刷电机驱动水泵，其特征在于，当无刷电机从开环模式切换至闭环模式时，包括：
模式切换模块，用于检测到无刷电机定子的电感反电势后根据电感反电势获取转子的实时转速信号，并在实时转速信号对应的实时转速超过预设转速时，控制系统进入闭环模式；
滤波模块，用于对目标转速信号进行滤波获取实际转速期望图；
计算模块，用于将实际转速期望图中实时转速对应的数据点作为当前转速期望值，根据当前转速期望值利用二阶扩张状态观测器获取下一计算周期的实际转速期望值和总干扰，并根据实际转速期望值和总干扰利用比例控制公式获取无扰动电流输出，并对总干扰进行补偿；
输出模块，用于根据无扰动电流输出控制无刷电机驱动水泵，并在实际转速期望值未达到目标转速时，将实际转速期望值作为当前转速期望值返回计算模块。
9.如权利要求8所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统，其特征在于，所述二阶扩张状态观测器是通过第一公式组获取的实际转速期望值和总干扰，所述第一公式组为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，k为当前计算周期，k+1为下一计算周期，z1为实际转速期望值，z2为总干扰，nk为当前转速期望值，h为转速采样的计算周期，Ir为电流环给定信号，KT为无刷电机的转矩系统，J为无刷电机的转动惯量，w0为扩张状态观测器带宽。
10.如权利要求9所述的一种电子水泵开闭环控制切换的调控系统，其特征在于，所述比例控制公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，Ir0为无扰动电流输出，z2(k)*J/KT为总干扰补偿，Ntd(k)为实际转速期望图上k点的值，wc为比例控制器的带宽。
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