【汽车水泵电机中的直流无刷电机控制系统原理分析4900字】

汽车水泵电机中的直流无刷电机控制系统原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u25305汽车水泵电机中的直流无刷电机控制系统原理分析 198911.1水泵电机的结构 1273191.2直流无刷电机的数学模型 296861.1.1电压方程 2320861.1.2运动方程 3162331.3直流无刷电机的运行原理 4138001.4转子位置检测方法 663911.4.1反电势法 6261401.4.2电感法 6322261.4.3状态观测器法 7210811.4.4人工智能法 7300261.5电机启动控制方法 742031.5.1三段式启动法 7175031.5.2升频升压同步启动法 994491.5.3电压插值启动法 10104381.6小结 101.1水泵电机的结构通用汽车电子水泵电机的结构图如图1.1所示,隔离套的作用是水电分离，分隔开离心泵和电机器件。石墨轴承的作用是支撑电机的中心轴，用塑料框架将定子绕组固定在电机内部，定子绕组可以承受磁场中的力，壳体的作用是将水泵电机连接上汽车。图1.1通用汽车水泵电机的结构图定子安装在电机外壳上，由铁芯、绝缘层和绕组线圈组成。铁芯的制作材料是硅钢，所以铁芯具有良好的导磁性。在电机结构中，定子铁芯由多片硅钢折叠而成，以此来获得适当的厚度。绝缘层的材料是塑料，一般包裹在铁芯表面。绝缘层用于线圈和铁芯之间的绝缘，同时它可以支撑绕组线圈，提高槽满率。转子由永磁体组成，它用于支撑电机的零部件。在电机中，永磁体能产生较大的磁感应强度，保证正常的电磁传输[9]。1.2直流无刷电机的数学模型电机的旋转转子磁场呈方波分布，反电势的波形中存在着较多的谐波，而且无刷直流电机的电感器件都是非线性元件。如果考虑增加全部因素，则建立数学模型的过程是很复杂的。如果只考虑基波则结果与实际误差相差较大，所以在建立数学模型时采用电机原有相变量来建立电机数学模型。

在理想状态下，设定定子三相绕组在空间上相差120°，令三相绕组的参数相同；转子产生的磁场为梯形波；忽略定子铁心齿槽效应的影响;功率开关器件的开关时间忽略不计，导通电压降稳定；忽略磁滞损耗和涡轮损耗，建立电压方程和运动方程。[10]1.1.1电压方程电机的电压平衡方程为U=Ri+Ldidt+E根据上式(1.1)公式得到定子三相电压平衡方程式的状态方程为UaUb其中，三相定子电压表示为UaeaLa在转子位置发生变化的时候，电机的转子磁阻不会发生变化。假定电机三相绕组参数相等，则La=LbLab=Lbc其中M表示为定子绕组的互感，L表示为定子绕组的自感。最终电压方程为:UaUbU无刷直流电机的等效电路图如1.2所示。图1.2无刷直流电机的等效电路图1.1.2运动方程电机在运行时从电源吸收电功率，大部分的电功率通过气隙磁场传递给转子，这部分功率称作电磁功率，剩下的转变成铜耗和铁耗[11]。电磁转矩的表达式为Te=iω=2nπ其中，Te为电磁转矩；在理想情况下，在电机运行时的任意时刻，定子绕组只有两相是处于导通状态，这两相的相电流和反电动势大小是相等。则Te=2EIE=PmNϕnE表示反电动势的幅值，I表示为相电流的幅值，φ表示磁通量;

PmTe=其中，C=根据式（1.9）可以看出，由于C=Te−TTL表示为负载转矩，J表示为转动惯量，B1.3直流无刷电机的运行原理如下图1.3中H1、H2、H3是位置传感器的输出信号。如果A相信号为高电平则上桥臂导通，信号为低电平时下桥臂导通，控制器根据位置传感器感应到的电机转子位置，接下来按照定子绕组线的方向确定功率开关管的关断顺序，使电流流经电机线圈产生旋转磁场。定子旋转磁场和转子的磁铁相互作用，使得电机的正转和反转。图1.3开关管控制脉冲图形由于IGBT等功率器件都存在一定的结电容，这就会引起该器件的通断时间延迟。为了减少该影响，可以考虑增大驱动电压电流，添加结电容释放回路等。为了避免上下桥臂直接导通，电路中必须要设置死区时间。死区持续时间设置越大，功率器件工作会更加可靠，但信号输出波形会失真，还会大幅度地降低输出效率。当死区时间越小，电路的输出波形比之前对比之前更加稳定，但是会降低功率器件的工作可靠性。通常来说，死区时间是无法被改变的，它只由功率器件的制作方法决定。死区时间是在PWM输出时设置的一个保护时间，用来防止逆变电路的上下MOS管同时导通。死区时间是指控制不到的时间域，在传动控制技术中，死区时间通常指指在驱动电机进行正反向转换时,电压、电流之间的过零时间。在保证电路安全的条件下，为了能够使得功率管不损坏、输出也不发生短路，死区时间应越小越好。在大电流场合中，如果采用普通的二极管续流，其导通电阻比较大，功率损耗很大。如果使用导通电阻非常小的MOS管，放弃使用二极管，这样可以解决损耗问题，但是需要应用更高要求的驱动电路。1.4转子位置检测方法目前，电机的位置传感器主要有电磁式、光电式等多种传感器类型，但位置传感器的使用限制了无刷直流电机在一些地方的实际运行应用，这主要体现在：（1）位置传感器的应用可能使电机系统的整体体积变大；（2）位置传感器在一些恶劣工况下工作时灵敏度变低，使得系统运行的可靠性下降，例如高温、高压的情况；（3）位置传感器在安装时对于精度的要求很高，使用机械安装时如果产生偏差，会导致发动机的换相位置不准确，从而影响到发动机的正常工作效率。[12]随着检测手段的快速发展，无位置传感器控制技术得到了很大提高。常见的无位置传感器控制方法主要有反电势法、状态观测器法、电感法及人工智能法等。1.4.1反电势法反电动势法是根据绕组反电动势信号来确定换相时刻，是目前国际上一种应用最成熟的换相方法。该方法将检测获得的反电势过零点信号延迟30°电角度，每一个周期都分别包含六个不同换相点，这几个换相点转变为六个开关器件的信号，从而能够实现无位置传感器控制。反电动势法虽然简单但也有不足之处:由于反电动势的幅值跟电机转速成正比，所以如果在电机起动和低速运行阶段，反电动势幅值过小就很难被准确检测，从而无法获得准确的换相信号。只能在忽略电枢反应的情况下进行，该相绕组的反电动势可以以此时气隙磁场的感应电势代替，检测到的转子位置信息与实际的位置存在着误差[13]。常用的反电动势法主要包括了反电动势通过零点检验方法，逻辑法与积分法等。1.4.2电感法当转子静止时，使用反电势法无法获得转子位置信息，电机不能自启动。为了解决这个问题，利用电感法就可以检测电机静止时的转子位置。在电机正常运行阶段，向定子绕组添加一个方波脉冲，检测其产生的电流幅值并比较设定值,然后进行计算，最终得到相应的电感误差值。当导通的两相绕组的电感值相等时，此时反电动势过零点。当电机转子在不同的位置时这些的电感相差不大，因此该方法需要进行高精度的电流检测。1.4.3状态观测器法状态模型观测器设计方法首先测量电机转子的转速、定子端的电流、电压等相关参数，并将其作为状态变量来建立观测器的状态模型，计算出转子的位置。该方法不受转子转速的影响，能够在低速到超高速运行的过程中实现对电机的准确控制和零速起动。目前我们最为普遍的观测器有扰动观测器、卡尔曼滤波器和滑模观测器等[14]。1.4.4人工智能法基于神经网络、模糊控制等人工智能算法拥有很强的自学能力和适应性，这些人工智能算法为直流无刷电机的控制方法提供了新的思路。人工智能法并没有必须建立准确的数学模型，大多在非线性系统使用。在检测参数的变化及量测出来的噪声等方面，该方法具有较强的鲁棒性，又能够解决其他检测方法不能解决的问题，还可以提高运动控制的质量。基于神经网络逆系统，HE等提出了一种新的起动电流自适应控制策略[15]。该策略采用最小二乘矢量算法对电机进行参数辨识，实时调节神经网络逆控制器参数，从而控制电机起动电流，使电机能够正常起动。EJLALI等在扩展卡尔曼滤波器中引入一种称为ALM的试错法[16]，ALM是一种新模糊建模方法，学习者通过从自己行为中获取信息来提高学习效果，能够提高估计量的精度。1.5电机启动控制方法当电机静止或转速很低时，反电势为零或很小不容易检测，因而难以实现电机自启动。针对该问题，电机的启动方法主要有：三段式启动法、升频升压同步启动法、电压插值启动法。1.5.1三段式启动法电机启动时，转速比较低，反电势的值比较小。因此不可能通过反电势法直接确定转子的准确位置，必须获得转子的准确位置信号，并且转速达到一定值，直到电机能够连续检测到过零反电势为止。本文采用了三段式启动方法。以下是这种启动方式的几个步骤。BLDC电机启动过程示意图如图1.3所示。图1.3BLDC电机启动过程示意图（1）转子对齐阶段在BLDC刚接通电源时，转子的位置是无法知道的。所以，要将转子位置转到己知的位置来确定转子的准确位置信号，这样电机在启动时才可以拥有很大的电磁转矩。转子对齐是在三相绕组中的任何两相绕组通电，而另一相绕组不通电。当A、B两个绕组通电时，由于A、B两个绕组产生的电机磁力，转子位置不变，即完成对齐。（2）开环加速在起动时的反电势和转速相对较小，无法直接通过对零电势的检测来实现对电机的定子转子换相控制。因此，开环加速之后电机能够达到一定转速，此时，电机可以检测到过零电势。如果检测到转子已经到达指定位置，说明电机已经处于加速当中，此时，检测电位发现电机不能反转。如果起动失败，可能有以下两个原因：电机电阻转矩大于起动转矩，或电流异常。电机由于负载过大而不能正常启动，此时可以调整电机的PWM占空比来让电机启动。（3）运行状态切换当电机经过开环加速换相过程后转速达到一定值时，控制系统通过反电势检测方法可以检测到稳定的反电动势过零点信号。电机进入自控运行模式，无刷直流电机将根据反电动势过零点法进行连续的换相运行，从而实现从开环状态的闭环控制。由图1.4电路模型可知，电机运行时，电机的电子换向主要由过零反电势检测控制。假设模型中电机三相对称，A、B相通电，C相不通电。反电势电压之和为0，简化的数学表达式为：UN=UUN=Riea+eia=iUN=U由此可以得到UC=U式中，UDCB为电源电压。ia，ib图1.4电机等效原理图这种三段式开关启动方案的工作原理相对简单,但是在应用过程中易于受到发电机的负载转矩、外部施加的电压等因素的干扰。在小惯量负载情况下,三段式启动方法通常可以实现对电机的启动,但在运行状态切换阶段电机可能启动不了。在电机连接到大负载的情况时，切换阶段会发生失步，电机启动失败。因此出现了软起动方法，这种方法采用调节电压占空比、引限制曲线等措施去降低起动电流，来消除因负载变化而带来的影响。1.5.2升频升压同步启动法图1.5升频升压启动法原理图升频升压启动法原理图如图1.5所示，在一定升频或者速度范围内，利用硬件电路升压升频起动法可实现在任何负载情况下起动，但需要另外设计启动电路。这增加了电机的成本，并且无法确定转子初始位置，电机的启动电流比较大，也不能限制起动电流。1.5.3电压插值启动法在转矩一定的情况下，电机旋转一周所需时间为：t=2πJTiTi=T式中，Tl表示为负载转矩，BvΩ根据式（1.19）和（1.19），在Tl和