新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计_刘吉超
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
executePositioning （ （ uint8 ） MOTOR _ STATE _ 3， （ uint8 ） （ （ int8 ） 0x08 + posCorrection ） ， （ uint16 ） 2500） ；
指令执行第二和第三两个状态的加电方式，其 中 PWM 占 空 比 为 8 /255，两 次 执 行 时 间 是 2 s 和 2. 5 s。这样电机就实现了有效的定位。
图 3 强制换相理想情况和实际情况
图 2 电机三相加电矢量图
{Uu（ t） = Um（ t） cosθ Uv（ t） = Umcos（ θ － 2π /3）
（ 1）
Uw（ t） = Umcos（ θ + 2π /3）
其中，θ = 2πft，则三相电压空间矢量相加的合成空间
矢量 U（ t） 就可以表示为： U（ t） = Uu（ t） + Uv （ t） + Uw（ t） = 1. 5Umejθ （ 2）
图 4 ECM 模式换相过程
2 算法实现
依据设计的算法，利用 DSP 芯片设计出硬件电 路，硬件 电 路 模 块 如 图 5 所 示，算 法 框 图 如 图 6 所示。
3 实验结果分析
用 C 语言实现代码后，在硬件上进行了实验。 定位阶段的部分代码如下：
executePositioning （ （ uint8 ） MOTOR _ STATE _ 2， （ uint8 ） （ （ int8 ） 0x08 + posCorrection ） ， （ uint16 ） 2000） ；
2期
刘吉超等： 新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计
·57 ·
悬空用于测试反向电动势，一相接地，对应图 4 的 高电平、上升或下降、低电平［6］。其中每 60° 都要 进行反向电动势的检测以便计算过零点时间，具体 在每个状态的 30°处执行，而过零点检测完成之后的 30°开始进行换相，每个电周期进行 6 次换相，然后 电机每相重复此过程。
摘 要： 无刷直流电机广泛应用于现代生产生活中。传统的无刷直流电机是依靠霍尔传感器进行位置检测，这样的
控制方式很难让电机的输出效率达到最优化，调速范围受限； 而且霍尔传感器增加了制造成本，不能很好的适应工
况严酷的场合。针对此种控制方式的缺点，现利用软件构造了无霍尔传感器的控制模型，并设计了相应的控制算
换相，这样就不能发挥电机最优性能，调速性能受 到影响，使电能的利用率下降； 再者，霍尔传感器 一旦出现故障，将影响整个汽车空调的使用，给汽 车安全带来隐患。针对这些问题，现设计出了一种 新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法。该算法 不需要外加霍尔传感器，利用软件构造电机的控制 模型，包 括 电 机 启 动、 加 速 和 闭 环 控 制 三 个 方 面。 算法首先检测电机的运行状态，在静止条件下给转 子定位； 然后按顺序给电机三相加电，根据电机三 相与中心 点 的 电 压 输 出 波 形 的 关 系， 找 出 过 零 点； 当电机达到设定的初始转速后，电机可以进入闭环 阶段，这一阶段由正弦波信号控制，根据每个电周 期检测出的反相电动势，计算出过零点，然后在过 零点后 30°实施换相； 最后依靠 PI 网络实施稳速控
法。理论分析和实验结果表明，该种算法具有启动噪声小，调速范围广，不受制于硬件，稳定性强，可用于稳速控
制和变速控制等特点。
关键词： 无刷直流鼓风机； 电子换相； 转子位置检测； 过零点检测
中图分类号： TM36 + 1
文献标志码： A
文章编号： 1001-6848（ 2013） 02-0055-04
A New Car Air-conditioning Brushless DC Blower Motor Control Algorithm Design
第 46 卷 第 2 期 2013 年 2 月
MICห้องสมุดไป่ตู้OMOTORS
Vol. 46． No. 2 Feb. 2013
新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计
刘吉超1 ，李巴津1 ，叶文伟2 ，伍春生2
（ 1. 内蒙古工业大学 电力学院，呼和浩特 010000； 2. 江苏浩峰汽车附件有限公司，江苏 常州 213000）
假如现在电机转子的位置在 U3 （ 011） 处，第一次 加电的在 U4 （ 100） 处，根据式（ 2 － 2） 知，当 θ = 0° 或 者 180° 时，合成矢量 U（ t） 就为 0，这样电机此时的输 出有效力矩就为 0，转子就不会做出任何动作，而当在 U5 （ 101） 处第二次加电后，初始位置和第二次加电处 夹角 θ 等于 240°，这样有效电压就为 － 0. 5 Um，这样 电压将产生力矩使转子转动到 U5 （ 101） 处［2-3］。
强制加速阶段如图 7 所示，其中黄色为中心点 电压曲线，绿色、红色、紫色分别对应 U、V 和 W 三相的相 电 压 波 形。 六 个 状 态 的 时 间 是 不 一 样 的， 随着转子 速 度 的 加 快， 越 往 后 状 态 间 的 时 间 越 短。 图中黄线在每个状态中都与三相中的其中一相的相 电压有交点，这说明设置的强制换相时间是可以满 足在过零点处换相的。而且这样的强制换相的方式 启动的时间在毫秒级，电机启动速度快，不断调整 后启动抖动很小。强制换相的步数要根据事先设定 的占空比值和启动后的时间决定，该算法针对汽车 空调用无刷直流鼓风机设置为 30 步。这样的算法可 以实现电机的静止启动，而带霍尔传感器的控制方 式必须让 电 机 转 起 来 才 能 实 现 电 子 编 码 实 现 换 相， 而且启动反映慢，一旦其中一个霍尔传感器出现问 题，整个电机将无法正常工作。
1. 2 转子加速
定位完后，电机需要外部电压信号给其顺序通 电，这样电机才会转起来。算法中依据电机加电的 顺序表，设定加速步数和换相时间点，给予电机强 制换相。图 3 中上给出了电机六个状态，分别对应 MST1 到 MST6。理想情况是每一次换相都与中心点 电压有交点，这样才能保证转子在受力相当的情况 下进入下一个状态。而实际人为设定的时间 t1 到 t6 很难准确使三相电压曲线与中心点有交点，因此要 不断去修正这个时间 tx，例如在实际情况的 MST1 时 刻，电机其中一相的相电压曲线没有和中心点有交 点，此时就要增大 t1 来实现两者相交出现过零点， 之后的状态依次类推，最终要使得电机的每一次强 制换相都有过零点出现，这样才能保证电机在最优 情况下达到启动后的目标转速。
0引言
无刷直流鼓风机（ Brushless DC Blower Motor） 的 核心是无刷直流电机（ Brushless DC Motor，BLDC） ， 它较传统的有刷电机的优点主要体现在依靠电子换 相、使用寿命长、输出转矩大、噪声小、运行可靠、 控制特性良好等方面。传统的无刷直流电机控制是 依靠霍尔传感器来检测转子的位置，霍尔传感器可 以输出数字信号，单片机根据这些信号利用算法控 制电机的换相。这样的控制方式在汽车空调用鼓风 机中存在很多弊端。首先，汽车级的霍尔传感器价 格往往比较昂贵，这样就增加了控制器的制造成本， 而且霍尔 传 感 器 的 安 装 也 比 较 复 杂， 要 求 比 较 高； 其次，依靠霍尔传感器去产生换相信号，强制电机
1 算法设计原理
算法结构如图 1 所示［1］。
图 1 算法控制框图
1. 1 转子定位 转子定位是按照预先制定的电机换相顺序表，
给任意两个相邻换相顺序加电，可以保证即便电机 转子初始位置和加电位置呈 0°或 180°时也可以被拉 到指定位置，如图 2 所示。分别设直流母线电压为 Ubat ，电机三相输入电压为 Uu、Uv、Uw，电机三相 分别加在空间上相差 120° 的平面坐标系上，可以定 义三个电压空间矢量为 Uu （ t） 、Uv （ t） 、Uw （ t） ，它 们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间 t 按正弦规律变化，且时间相位相差 120°，则假设相 电压有效值为 Um，f 为电源频率，则有：
收稿日期： 2012 － 11 － 16 作者简介： 刘吉超( 1986) ，硕士研究生，研究方向为电机一体化控制。
·56 ·
46 卷
制。同时考虑到汽车特殊的应用环境，该算法还适 应正弦波信号频率从 30 Hz 到 1 kHz 的范围，使算法 的适应性更强。
结合硬件测试发现，相同的输入条件下，在工 况相同的环境里，无传感器的控制算法比有霍尔传 感器的控制算法效率高出近一倍，而调速范围和灵 敏度都要高。
Abstract： Brushless DC motor is widely used in modern production and life． The traditional brushless DC motor detects the position via Holzer sensor． It is difficult to optimize the output efficiency and the speed range． Besides，using Holzer sensor will increase the manufacturing cost，and can't adapt to the condition of harsh． This paper designed a control mode and a corresponding control algorithm via software without a Holzer sensor． Theoretical analysis and experimental results show that this control algorithm has the low noise and the wide speed range． Besides，this control algorithm is not in thrall to the hardware，and is especially suitable for speed-stabilization control and speed-variable control． Key words： brushless DC blower motor； electrically commutation； detection of the position； detection of the Zero-crossing
LIU Jichao1 ，LI Bajin1 ，YE Wenwei2 ，WU Chunsheng2 （ 1. Department of Electric Power，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010000，China；
2. Jiangsu Haofeng Auto Parts Co．，Ltd．，Changzhou Jiangsu 213000，China）
图 7 算法强制换相的实际波形
ECM 阶段 的 波 形 如 图 8 所 示，可 以 从 图 中 看 出，一个电周期内，有六个状态，每个状态都要在 30°位置进行过零点检测，算法中给出在 AC 之间的 1 /4 处开始反向电动势检测，这样在 AC 区间内可以 检测多个反向电动势，然后计算过零点时间，这样 的好处是可以减小检测误差，提高过零点的时间精 度。每个换相点也在每个状态的末尾出现。这样从 三相波形中可以清楚的看出电机一个电周期三相的
1. 3 ECM 模式
ECM（ Electrically Communication Mode） 模式又称 为电子换相模式。当电机加速后达到设定的转速后， 算法开始检测电机三相的反向电动势［4-5］。这里采用 PWM 信号模拟正弦波信号，电机在这个阶段依靠检 测的反向电动势计算过零点，在过零点之后 30°进行 换相，每 60°电机换相一次。这样一个电周期电机需 要换相 6 次。而从电机不加电一相进行反向电动势 检测和过零点计算。然后通过检测电机的转速和目 标转速进行闭环控制，改变 PWM 的占空比实现稳速 控制和变速控制。如图 4 所示，电机每个电周期分 为 6 个状态，每个状态都是其中一相加正电，一相
指令执行第二和第三两个状态的加电方式，其 中 PWM 占 空 比 为 8 /255，两 次 执 行 时 间 是 2 s 和 2. 5 s。这样电机就实现了有效的定位。
图 3 强制换相理想情况和实际情况
图 2 电机三相加电矢量图
{Uu（ t） = Um（ t） cosθ Uv（ t） = Umcos（ θ － 2π /3）
（ 1）
Uw（ t） = Umcos（ θ + 2π /3）
其中，θ = 2πft，则三相电压空间矢量相加的合成空间
矢量 U（ t） 就可以表示为： U（ t） = Uu（ t） + Uv （ t） + Uw（ t） = 1. 5Umejθ （ 2）
图 4 ECM 模式换相过程
2 算法实现
依据设计的算法，利用 DSP 芯片设计出硬件电 路，硬件 电 路 模 块 如 图 5 所 示，算 法 框 图 如 图 6 所示。
3 实验结果分析
用 C 语言实现代码后，在硬件上进行了实验。 定位阶段的部分代码如下：
executePositioning （ （ uint8 ） MOTOR _ STATE _ 2， （ uint8 ） （ （ int8 ） 0x08 + posCorrection ） ， （ uint16 ） 2000） ；
2期
刘吉超等： 新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计
·57 ·
悬空用于测试反向电动势，一相接地，对应图 4 的 高电平、上升或下降、低电平［6］。其中每 60° 都要 进行反向电动势的检测以便计算过零点时间，具体 在每个状态的 30°处执行，而过零点检测完成之后的 30°开始进行换相，每个电周期进行 6 次换相，然后 电机每相重复此过程。
摘 要： 无刷直流电机广泛应用于现代生产生活中。传统的无刷直流电机是依靠霍尔传感器进行位置检测，这样的
控制方式很难让电机的输出效率达到最优化，调速范围受限； 而且霍尔传感器增加了制造成本，不能很好的适应工
况严酷的场合。针对此种控制方式的缺点，现利用软件构造了无霍尔传感器的控制模型，并设计了相应的控制算
换相，这样就不能发挥电机最优性能，调速性能受 到影响，使电能的利用率下降； 再者，霍尔传感器 一旦出现故障，将影响整个汽车空调的使用，给汽 车安全带来隐患。针对这些问题，现设计出了一种 新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法。该算法 不需要外加霍尔传感器，利用软件构造电机的控制 模型，包 括 电 机 启 动、 加 速 和 闭 环 控 制 三 个 方 面。 算法首先检测电机的运行状态，在静止条件下给转 子定位； 然后按顺序给电机三相加电，根据电机三 相与中心 点 的 电 压 输 出 波 形 的 关 系， 找 出 过 零 点； 当电机达到设定的初始转速后，电机可以进入闭环 阶段，这一阶段由正弦波信号控制，根据每个电周 期检测出的反相电动势，计算出过零点，然后在过 零点后 30°实施换相； 最后依靠 PI 网络实施稳速控
法。理论分析和实验结果表明，该种算法具有启动噪声小，调速范围广，不受制于硬件，稳定性强，可用于稳速控
制和变速控制等特点。
关键词： 无刷直流鼓风机； 电子换相； 转子位置检测； 过零点检测
中图分类号： TM36 + 1
文献标志码： A
文章编号： 1001-6848（ 2013） 02-0055-04
A New Car Air-conditioning Brushless DC Blower Motor Control Algorithm Design
第 46 卷 第 2 期 2013 年 2 月
MICห้องสมุดไป่ตู้OMOTORS
Vol. 46． No. 2 Feb. 2013
新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计
刘吉超1 ，李巴津1 ，叶文伟2 ，伍春生2
（ 1. 内蒙古工业大学 电力学院，呼和浩特 010000； 2. 江苏浩峰汽车附件有限公司，江苏 常州 213000）
假如现在电机转子的位置在 U3 （ 011） 处，第一次 加电的在 U4 （ 100） 处，根据式（ 2 － 2） 知，当 θ = 0° 或 者 180° 时，合成矢量 U（ t） 就为 0，这样电机此时的输 出有效力矩就为 0，转子就不会做出任何动作，而当在 U5 （ 101） 处第二次加电后，初始位置和第二次加电处 夹角 θ 等于 240°，这样有效电压就为 － 0. 5 Um，这样 电压将产生力矩使转子转动到 U5 （ 101） 处［2-3］。
强制加速阶段如图 7 所示，其中黄色为中心点 电压曲线，绿色、红色、紫色分别对应 U、V 和 W 三相的相 电 压 波 形。 六 个 状 态 的 时 间 是 不 一 样 的， 随着转子 速 度 的 加 快， 越 往 后 状 态 间 的 时 间 越 短。 图中黄线在每个状态中都与三相中的其中一相的相 电压有交点，这说明设置的强制换相时间是可以满 足在过零点处换相的。而且这样的强制换相的方式 启动的时间在毫秒级，电机启动速度快，不断调整 后启动抖动很小。强制换相的步数要根据事先设定 的占空比值和启动后的时间决定，该算法针对汽车 空调用无刷直流鼓风机设置为 30 步。这样的算法可 以实现电机的静止启动，而带霍尔传感器的控制方 式必须让 电 机 转 起 来 才 能 实 现 电 子 编 码 实 现 换 相， 而且启动反映慢，一旦其中一个霍尔传感器出现问 题，整个电机将无法正常工作。
1. 2 转子加速
定位完后，电机需要外部电压信号给其顺序通 电，这样电机才会转起来。算法中依据电机加电的 顺序表，设定加速步数和换相时间点，给予电机强 制换相。图 3 中上给出了电机六个状态，分别对应 MST1 到 MST6。理想情况是每一次换相都与中心点 电压有交点，这样才能保证转子在受力相当的情况 下进入下一个状态。而实际人为设定的时间 t1 到 t6 很难准确使三相电压曲线与中心点有交点，因此要 不断去修正这个时间 tx，例如在实际情况的 MST1 时 刻，电机其中一相的相电压曲线没有和中心点有交 点，此时就要增大 t1 来实现两者相交出现过零点， 之后的状态依次类推，最终要使得电机的每一次强 制换相都有过零点出现，这样才能保证电机在最优 情况下达到启动后的目标转速。
0引言
无刷直流鼓风机（ Brushless DC Blower Motor） 的 核心是无刷直流电机（ Brushless DC Motor，BLDC） ， 它较传统的有刷电机的优点主要体现在依靠电子换 相、使用寿命长、输出转矩大、噪声小、运行可靠、 控制特性良好等方面。传统的无刷直流电机控制是 依靠霍尔传感器来检测转子的位置，霍尔传感器可 以输出数字信号，单片机根据这些信号利用算法控 制电机的换相。这样的控制方式在汽车空调用鼓风 机中存在很多弊端。首先，汽车级的霍尔传感器价 格往往比较昂贵，这样就增加了控制器的制造成本， 而且霍尔 传 感 器 的 安 装 也 比 较 复 杂， 要 求 比 较 高； 其次，依靠霍尔传感器去产生换相信号，强制电机
1 算法设计原理
算法结构如图 1 所示［1］。
图 1 算法控制框图
1. 1 转子定位 转子定位是按照预先制定的电机换相顺序表，
给任意两个相邻换相顺序加电，可以保证即便电机 转子初始位置和加电位置呈 0°或 180°时也可以被拉 到指定位置，如图 2 所示。分别设直流母线电压为 Ubat ，电机三相输入电压为 Uu、Uv、Uw，电机三相 分别加在空间上相差 120° 的平面坐标系上，可以定 义三个电压空间矢量为 Uu （ t） 、Uv （ t） 、Uw （ t） ，它 们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间 t 按正弦规律变化，且时间相位相差 120°，则假设相 电压有效值为 Um，f 为电源频率，则有：
收稿日期： 2012 － 11 － 16 作者简介： 刘吉超( 1986) ，硕士研究生，研究方向为电机一体化控制。
·56 ·
46 卷
制。同时考虑到汽车特殊的应用环境，该算法还适 应正弦波信号频率从 30 Hz 到 1 kHz 的范围，使算法 的适应性更强。
结合硬件测试发现，相同的输入条件下，在工 况相同的环境里，无传感器的控制算法比有霍尔传 感器的控制算法效率高出近一倍，而调速范围和灵 敏度都要高。
Abstract： Brushless DC motor is widely used in modern production and life． The traditional brushless DC motor detects the position via Holzer sensor． It is difficult to optimize the output efficiency and the speed range． Besides，using Holzer sensor will increase the manufacturing cost，and can't adapt to the condition of harsh． This paper designed a control mode and a corresponding control algorithm via software without a Holzer sensor． Theoretical analysis and experimental results show that this control algorithm has the low noise and the wide speed range． Besides，this control algorithm is not in thrall to the hardware，and is especially suitable for speed-stabilization control and speed-variable control． Key words： brushless DC blower motor； electrically commutation； detection of the position； detection of the Zero-crossing
LIU Jichao1 ，LI Bajin1 ，YE Wenwei2 ，WU Chunsheng2 （ 1. Department of Electric Power，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010000，China；
2. Jiangsu Haofeng Auto Parts Co．，Ltd．，Changzhou Jiangsu 213000，China）
图 7 算法强制换相的实际波形
ECM 阶段 的 波 形 如 图 8 所 示，可 以 从 图 中 看 出，一个电周期内，有六个状态，每个状态都要在 30°位置进行过零点检测，算法中给出在 AC 之间的 1 /4 处开始反向电动势检测，这样在 AC 区间内可以 检测多个反向电动势，然后计算过零点时间，这样 的好处是可以减小检测误差，提高过零点的时间精 度。每个换相点也在每个状态的末尾出现。这样从 三相波形中可以清楚的看出电机一个电周期三相的
1. 3 ECM 模式
ECM（ Electrically Communication Mode） 模式又称 为电子换相模式。当电机加速后达到设定的转速后， 算法开始检测电机三相的反向电动势［4-5］。这里采用 PWM 信号模拟正弦波信号，电机在这个阶段依靠检 测的反向电动势计算过零点，在过零点之后 30°进行 换相，每 60°电机换相一次。这样一个电周期电机需 要换相 6 次。而从电机不加电一相进行反向电动势 检测和过零点计算。然后通过检测电机的转速和目 标转速进行闭环控制，改变 PWM 的占空比实现稳速 控制和变速控制。如图 4 所示，电机每个电周期分 为 6 个状态，每个状态都是其中一相加正电，一相