專利名稱：汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，通過控制直流電流幅 值，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)在無位置傳感器運(yùn)行下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)控制，以提高該類風(fēng)扇 系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于汽車電器產(chǎn)品中冷卻風(fēng)扇的要求越來越高，特別是要求風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)用電 機(jī)具有高效節(jié)能、靜音、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。目前在汽車空調(diào)風(fēng)扇中廣泛使用的是永磁直流電 機(jī)，雖然其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但其固有的電刷和換向器結(jié)構(gòu)帶來了效率低、可靠性差等缺 點(diǎn)，已無法適應(yīng)汽車電器產(chǎn)品高性能和高可靠性運(yùn)行要求。因此，無刷直流電機(jī)在汽車?yán)鋮s 風(fēng)扇系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。無刷直流電機(jī)使用電子換向，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)部件與其它部 件無機(jī)械接觸，因而避免了機(jī)械磨損和噪聲的產(chǎn)生，空調(diào)風(fēng)扇的效率和使用壽命得到較大 提高。同時(shí)無刷電機(jī)還具有電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，更加符合汽車電器的運(yùn)行環(huán)境要求。目前使用于空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)的控制框圖如圖7所示，其中無刷直流電機(jī) 一般配置有霍爾傳感器(14)，其輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc用于檢測(cè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位 置和轉(zhuǎn)速ω，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行控制。實(shí)際運(yùn)行中用戶根據(jù)需求給出風(fēng)扇轉(zhuǎn)速指令ω*，與 根據(jù)霍爾傳感器輸出信號(hào)計(jì)算得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)ω進(jìn)行比較，其誤差通過比例-積分 控制器(4)得到直流母線參考電流信號(hào)Idc*,與所采集直流母線電流Id。比較獲得誤差信號(hào) Δ Id。，通過比例-積分控制器(4)得到用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比信號(hào)δ，進(jìn)而通過(5) 與固定頻率的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，輸出幅值恒定、寬度變化的PWM信號(hào)。同時(shí)通過 (12)根據(jù)霍爾傳感器輸出信號(hào)得到六個(gè)換向信號(hào)D1-D6，六個(gè)換向信號(hào)中D1、D3、D5與PWM 信號(hào)作邏輯“與”運(yùn)算，得到逆變器三個(gè)上管T1、T3、T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，D2、D4、D6可直接作為 逆變器三個(gè)下管T2、T4、T6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。由上述分析過程可見，傳統(tǒng)的空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法需要使用兩個(gè)比 例-積分控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)帶寬將受到影響，并帶來相應(yīng)的控 制延時(shí)，對(duì)于汽車這一極為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，會(huì)造成動(dòng)態(tài)跟蹤控制誤差和穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。同 時(shí)由于霍爾傳感器的測(cè)量精度和使用壽命易于受環(huán)境溫度和振動(dòng)影響，傳統(tǒng)的空調(diào)風(fēng)扇用 無刷直流電機(jī)控制策略也難以應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述缺陷，本發(fā)明目的是提供一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方 法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案，汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于包 括以下步驟(i).利用直流母線采樣電阻Rd。采集直流母線電流，通過低通濾波器(2)得到直 流母線電流的低頻分量Id。，同時(shí)采集繞組端部與電源地之間的三相電壓信號(hào)Ua，Ub, Uc ；
(ii).由于風(fēng)扇具有正比于轉(zhuǎn)速二次方的負(fù)載特性，根據(jù)用戶指令得到汽車空調(diào) 風(fēng)扇參考轉(zhuǎn)速ω*，通過模塊得到直流母線參考電流信號(hào)Idc*,與所采集直流母線電流Id。比 較獲得誤差信號(hào)Δ Idc ；(iii).直流母線電流誤差信號(hào)Δ Id。經(jīng)過比例-積分控制器作比例-積分調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)后輸出用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比信號(hào)S ；(iv).占空比信號(hào)δ通過模塊與固定頻率的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，輸出幅 值恒定、寬度變化的PWM信號(hào)；(ν).三相電壓信號(hào)Ua、Ub、Uc通過反電勢(shì)提取模塊得到三相反電勢(shì)信號(hào)Ea、Eb、Ec ；(vi).三相反電勢(shì)信號(hào)Ea、Eb、E。通過信號(hào)處理模塊得到六個(gè)換向信號(hào)D1-D6 ；(vii).六個(gè)換向信號(hào)中D1、D3、D5與PWM信號(hào)作邏輯“與”運(yùn)算，得到逆變器三個(gè) 上管T1、T3、T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，D2、D4、D6可直接作為逆變器三個(gè)下管T2、T4、T6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。本發(fā)明方法適用于采用高頻開關(guān)自關(guān)斷器件構(gòu)成的各類形式PWM控制的三相或 單相逆變裝置在空調(diào)風(fēng)扇電機(jī)下的有效控制。本發(fā)明方法直接通過電流單環(huán)控制調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和控制無刷直流電機(jī)電流，避免 了轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)調(diào)節(jié)引入的控制延時(shí)，提高汽車風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)運(yùn)行的快速動(dòng) 態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。


圖1無刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖；圖2無刷直流電機(jī)控制框圖；圖3直流電流參考指令；圖4PWM信號(hào)生成原理圖；圖5反電勢(shì)波形與開關(guān)器件觸發(fā)組合狀態(tài)；圖6換向信號(hào)生成原理圖；圖7為現(xiàn)有空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)的控制框圖； 圖8反電勢(shì)信號(hào)與D1D6換向信號(hào)對(duì)應(yīng)表。具體實(shí)施方法圖2是采用本發(fā)明提出的汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法的原理圖。它包 括控制對(duì)象無刷直流電機(jī)BLDC 9、與BLDC定子繞組連接的由六個(gè)開關(guān)管組成的逆變器1， 用于直流母線電流檢測(cè)的霍爾傳感器10和用于BLDC三相端部電壓Ua、Ub、Uc檢測(cè)的霍爾 傳感器11，用于濾除直流母線電流高頻分量的低通濾波器2，用于根據(jù)速度給定得出參考 直流母線電流的函數(shù)發(fā)生器3，對(duì)直流母線電流進(jìn)行跟蹤控制的比例-積分控制器4，用于 產(chǎn)生調(diào)速用PWM信號(hào)的控制器5，根據(jù)三相端部電壓Ua、Ub、Uc提取三相反電勢(shì)Ea、Eb、Ec的 模塊6，根據(jù)反電勢(shì)Ea、Eb、E。確定換向信號(hào)的模塊7，通過邏輯“與”運(yùn)算得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏 輯運(yùn)算模塊8。參照?qǐng)D2，以一臺(tái)車用風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)為例，采用本發(fā)明提出的方法控制其運(yùn) 行，具體實(shí)施步驟如下(i).利用直流母線采樣電阻采集直流母線電流，通過低通濾波器2得到直流母線電流的低頻分量Id。，同時(shí)采集繞組端部與電源地之間的三相電壓信號(hào)Ua、Ub、U。；(ii).由于風(fēng)扇負(fù)載正比于轉(zhuǎn)速二次方的特性，可描述為T = klCo2，其中T為風(fēng)扇 負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m)，ω為轉(zhuǎn)速(rad/s)，!^為與風(fēng)扇結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。由于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn) 矩可以表示為T = k2Id。，其中Id。為直流母線電流，k2為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。因此為了 調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可以通過控制無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的直流母線電流來實(shí)現(xiàn)，控制模型可表示 為Id。= (ki/k2) ω2。當(dāng)控制模型使用標(biāo)幺值表示時(shí)，ω(ριι) = 1時(shí)對(duì)應(yīng)于Id。(pu) = 1，此時(shí) (k/k2) = 1。因此標(biāo)幺值表示時(shí)直流母線電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。(iii).根據(jù)所需轉(zhuǎn)速通過圖3所示的函數(shù)曲線經(jīng)過查表得到直流母線參考電流 信號(hào)Idc*,與所采集直流母線電流Id。比較獲得誤差信號(hào)Δ Idc ；(iv).直流母線電流誤差信號(hào)Δ Id。經(jīng)過比例-積分控制器4作比例-積分調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)后輸出用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比信號(hào)S，其中比例-積分(PI)控制器4的頻域表達(dá) 為
κCpi(S) = Kp+^-其中，Kp，K1為比例、積分系數(shù)。(ν).占空比信號(hào)δ通過模塊5與固定頻率的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，輸出幅值 恒定、寬度變化的PWM信號(hào)，如圖4所示；(vi).對(duì)于三相星型接法的無刷直流電機(jī)，繞組相電壓是指相繞組兩端的電壓，也 就是繞組端部和繞組中心點(diǎn)之間的電壓(如圖1中Ua，Ub, Uc所示)可以表示為
Ua= Ua+U0
<Ub= Uh+U0Uc=Uc+U0 在圖1中，由無刷直流電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以推導(dǎo)出如下平衡方程式
Ua =Ria+Ea at
+盡式中Ua，Ub，U。分別為A，B，C三相相電壓，R為相繞組電阻，L
dt
Uc=RijLd^Ec at
為相電自感與互感之差，Ea, Eb, Ec分別為A，B, C三相反電勢(shì)。三相繞組為星型接法，且沒有中點(diǎn)，故ia+ib+ic = 0可以得到U0 =全 CfT4 +U8+Uc) + ^(Ea+Eh+Ec)假設(shè)電機(jī)處于電流從A相流入，B相流出，C相懸空，即導(dǎo)通功率管Tl、T6的狀態(tài)， 此時(shí)C相沒有電流流過，不考慮PWM斬波的情況下，滿足如下條件ic =0,dic =0 Ea+Eh=O\
}uA+uH=ud
Uc =Ec+U0可以得到
TJEc=Ur--^-因此，對(duì)于檢測(cè)得到的無刷直流電機(jī)端電壓進(jìn)行軟件數(shù)字帶通濾波，一方面濾除 端電壓中的PWM斬波等高頻干擾信號(hào)，另一方面濾除Ud/2的直流信號(hào)，以得到三相反電勢(shì) 信號(hào)Ea、Eb、E。。此外從圖5可以看出，在各相反電勢(shì)過零點(diǎn)出現(xiàn)之后，延遲30°電角度，就 是下一個(gè)換相時(shí)刻。因此帶通濾波器須使端電壓信號(hào)在頻域上移相角盡可能接近30°。帶通濾波器的頻域表達(dá)可表示為一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器相乘，如下式 所示Cb—⑷= g“
5 + ωεΧ s + mc2其中，ωε1，ω。2分別為低通濾波器和高通濾波器的截止頻率，且ω > ω。2。(vii).得到移相30°電角度的反電勢(shì)信號(hào)Ea、Eb、E。后，可以通過圖8所示信號(hào)處 理次序得到六個(gè)換向信號(hào)D1-D6。(viii).六個(gè)換向信號(hào)中D1、D3、D5信號(hào)通過模塊8與PWM信號(hào)作邏輯“與”運(yùn)算， 得到三個(gè)上管T1、T3、T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，六個(gè)換向信號(hào)中D2、D4、D6可直接用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)下管 T2、T4、T6，如圖6所示。
權(quán)利要求
汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于包括以下步驟(i)、利用直流母線采樣電阻Rdc采集直流母線電流，通過低通濾波器(2)得到直流母線電流的低頻分量Idc，同時(shí)采集繞組端部與電源地之間的三相電壓信號(hào)Ua，Ub，Uc；(ii)、由于風(fēng)扇具有正比于轉(zhuǎn)速二次方的負(fù)載特性，根據(jù)用戶指令得到汽車空調(diào)風(fēng)扇參考轉(zhuǎn)速ω*，通過模塊(3)得到直流母線參考電流信號(hào)Idc*，與所采集直流母線電流Idc比較獲得誤差信號(hào)ΔIdc；(iii)、直流母線電流誤差信號(hào)ΔIdc經(jīng)過比例 積分控制器(4)作比例 積分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后輸出用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比信號(hào)δ；(iv)、占空比信號(hào)δ通過模塊(5)與固定頻率的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，輸出幅值恒定、寬度變化的PWM信號(hào)；(v)、三相電壓信號(hào)Ua、Ub、Uc通過反電勢(shì)提取模塊(6)得到三相反電勢(shì)信號(hào)Ea、Eb、Ec；(vi)、三相反電勢(shì)信號(hào)Ea、Eb、Ec通過信號(hào)處理模塊(7)得到六個(gè)換向信號(hào)D1 D6；(vii)、六個(gè)換向信號(hào)D1 D6通過模塊(8)得到逆變器(1)六個(gè)功率開關(guān)管T1 T6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，其中D1、D3、D5與PWM信號(hào)作邏輯“與”運(yùn)算，得到逆變器三個(gè)上管T1、T3、T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，D2、D4、D6可直接作為逆變器三個(gè)下管T2、T4、T6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于步 驟(ii)中所說的直流母線參考電流信號(hào)是根據(jù)轉(zhuǎn)速指令通過風(fēng)扇負(fù)載特性計(jì)算得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于步 驟(v)中通過對(duì)無刷直流電機(jī)端部電壓檢測(cè)，經(jīng)過數(shù)字帶通濾波器獲得反電勢(shì)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于步 驟(vi)中通過檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)的大小，直接查表得到逆變器六個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于步 驟(vii)中所說的逆變器三個(gè)上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PWM信號(hào)和換向信號(hào)經(jīng)過邏輯“與”運(yùn)算得 到。
全文摘要
本發(fā)明公開一種新型汽車空調(diào)風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)控制方法。針對(duì)無刷直流電機(jī)將基于風(fēng)扇負(fù)載特性獲得的電流指令作為轉(zhuǎn)速控制指令，與逆變器直流側(cè)采集得到的電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較，誤差信號(hào)輸入到比例-積分調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得用于調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比控制信號(hào)，與檢測(cè)電機(jī)反電勢(shì)所得到的換向信號(hào)相結(jié)合，通過PWM控制實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。本發(fā)明方法直接通過電流單環(huán)控制以調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和控制無刷直流電機(jī)電流，避免了轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)同時(shí)調(diào)節(jié)引入的控制延時(shí)，提高汽車風(fēng)扇用無刷直流電機(jī)運(yùn)行的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。
文檔編號(hào)H02P27/06GK101931353SQ20101010524
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者梁偉 申請(qǐng)人:梁偉