（电工理论与新技术专业论文）汽车引擎冷却风扇控制器的设计与芯片化研究.pdf

上海大学工学硕士学位论文 汽车引擎冷却风扇控制器的设计与 芯片化研究 姓名：王琏洲 导师：冉峰 学科专业：电工理论与新技术 上海大学机电工程与自动化学院 2 0 1 0 年1 月 上海大学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e e o fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g d e s i g no f a na u t o m o b i l e e n g i n e c o o l i n g f a n s y s t e m c o n t r o l l e ra n d r e s e a r c ho ni t sa s i c d e s i g n m d c a n d i d a t e ：w a n g l i a n z h o u s u p e r v i s o r ：r a nf e n g m a j o r ：e l e c t r o n i ct h e o r ya n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o ma t i o n s h a n g h a iu n i v e r s i t y 0 1 2 0 1 0 i v 上海大学硕士学位论文 摘要 目前，汽车电子化控制已经成为不可逆转的潮流，汽车最终将成为集信息化、 电子化和智能化为一体的载体。其中，汽车发动机在高温工作环境下必须得到适 度的冷却，以使其保持在适宜的温度下工作，这样才能满足发动机良好的工作性 能、耐久性和废气排放的要求。发动机冷却系统在此起着关键作用。而发动机冷 却系统的控制技术，主要就是冷却风扇的控制技术。如何以最低的成本、功耗， 最好地完成发动机冷却系统的任务，冷却风扇控制技术值得深入的研究分析。 本论文在充分考虑冷却风扇控制器自身故障检测及其保护等关键技术的基 础上，研发出一套具有自主知识产权的车用冷却风扇的b l d c ( b r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n t ) 控制系统。该系统主要针对一款经过特殊设计的四相无位置传感器无刷 直流风扇电机进行控制，其无刷无位置传感器的特性克服了有刷直流电动机机械 换相带来的一系列缺点，也使得电机体积减小，制造成本降低，可靠性提高。同 时，由于其双线绕组的特殊性能特点，本文采用半波电路控制方案来替代传统全 桥电路控制方案，结果依然可以获得较高的转矩输出能力，满足转矩性能要求， 达到接近全桥电路效果，从而使得控制器具有低成本，高效、高可靠性的特点。 整个系统控制采用无位置传感器电机控制算法，利用反电动势来检测确定转 子位置，从而保证换相时序的正确。同时，系统建立发动机工作温度与风扇转速 之间的数学模型，根据功率器件温度采样信号，自动调整风扇电机的运行模式， 保证发动机工作在最佳效率点。此外，系统还设计完成了应用于汽车电子控制器 的多任务操作算法，采用基于时间片的多任务操作，将电机失步保护、过流保护、 过压欠压保护、开路短路保护和通信诊断等功能按优先级分为不同的任务，任 务仲裁单元对各个任务统一调度，以满足汽车应用中对冷却风扇控制器可靠性和 实时性的高要求。整个系统进行了测试，其测试结果达到了预期的设想。 最后，本论文对控制器各个模块进行数字电路的设计，并且采用c y c l o n ei i e p 2 c 2 0 f 4 8 4 c 7 n 硬件开发板来实现f p g a 验证，对整个系统控制器的芯片化进 行研究，为下一步汽车专用微控制器芯片设计奠定了基础。 关键词：冷却风扇控制器，四相无位置传感器无刷直流电机，p w m ，f p g a v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sh a sb e e na l li r r e v e r s i b l et r e n d t h ea u t o m o b i l e w i l lb e c o m et h ei n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o n , e l e c t r o na n di n t e l l i g e n c e a so n e p a r ti n t h ea u t o m o b i l e ，t h ee n g i n es h o u l db ec o o l e dw h i l e o p e r a t i n gi nt h ee n v i r o n m e n tw i t h l l i g ht e m p e r a t u r e s o ，i tc a l lo p e r a t en o r m a l l ya n ds a t i s f yt h ed e m a n do fw a l l o p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，d u r a b i l i t ya n de x h a u s te m i s s i o n t h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e m p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei na u t o m o b i l e ，s ot h ec o n t r o lo ft h ee n g i n ec o o l i n gf a ni st h e k e yt e c h n i q u e h o wt oa c h i e v et h ec o o l i n gf u n c t i o no ft h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e mw i t h l o w e s tc o s ta n dl o w e s tc o n s u m ei sd e s e r v e dt oa n a l y z ea n dr e s e a r c hd e e p l y a f t e rc o n s i d e r i n gt h ek e yt e c h n o l o g yo fi t so w nf a u l tt e s ta n dp r o t e c t i o np r o b l e mi n a u t o m o b i l ee n g i n ec o o l i n gf a ns y s t e mc o n t r o l l e r , t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g no fa b l d cc o n t r o l l e ri nt h ea u t o m o b i l e e n g i n ec o o l i n gf a ns y s t e mw h i c hh a st h e i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h i ss y s t e mc o n t r o l l e rm a i n l yf o c u s e so nt h e c o n t r o lo faf o u rp h a s es e n s o r l e s sb l d cm o t o rw h i c hi sd e s i g n e di na s p e c i a lw a y s i n c ei th a st h ef e a t u r eo fs e n s o r l e s sa n db r u s h l e s s ，i tc a no v e r c o m et h ed e f e c t so f b r u s hm o t o r sw h e ni tc o m m u t a t e s ，a n di td e c r e a s e st h eb u l ko ft h em o t o nm a n u f a c t u r e c o s ta n di n c r e a s e st h er e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt oi t sf e a t u r eo fb i f i l a rw i n d i n g s ，t h i s p a p e ra d o p t st h eh a l f - w a v ec i r c u i ti n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lf u l l - b r i d g ec i r c u i t t h e r e s u l ts h o w st h a ti tc a na l s oa c h i e v et h ed e m a n do fh i 曲t o r q u ep e r f o r m a n c ea n d s i m i l a re f f e c tc o m p a r e dw i t ht h e f u l l - b r i d g ec i r c u i t ，s o t h i sc o n t r o l l e rh a s t h e a d v a n t a g e so f l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t y t h ew h o l es y s t e ma d o p t st h es e n s o r l e s sb l d cm o t o rc o n t r o la l g o r i t h m w i t ht h e b e m f - c r o s s i n g ( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ) t e s ta l g o r i t h m ，t h er o t o rp o s i t i o ni sk n o w n a n dt h i se n s u r e st h es e q u e n c eo fc o m m u t a t i o n m e a n w h i l e ，am a t hm o d e lo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee n g i n et e m p e r a t u r ea n dt h er o t a t i o n a ls p e e di se s t a b l i s h e di n t h i ss y s t e m t h es p e e do ft h ef a nm o t o ri sa d j u s t e da u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e s a m p l es i g n a lo fp o w e rd e v i c et e m p e r a t u r e ，w h i c he n s u r e st h a tt h ee n g i n eo p e r a t o r s w i t ht h eb e s te f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，am u l t i t a s ko p e r a t i o na l g o r i t h ma p p l i e di n v i 上海大学硕士学位论文 a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h i ss y s t e m b yu s i n gt h et i m e - b a s e d m u l t i - t a s k o p e r a t i o n , t h et a s k s ，i n c l u d i n g o u to fs t e pp r o t e c t i o n , o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n , o v e r u n d e rv o l t a g ep r o t e c t i o n , o p e n s h o r t c i r c u i t p r o t e c t i o n a n d c o m m u n i c a t i o nd i a g n o s ea t es e p a r a t e da c c o r d i n gt om e i r 皿嘶t y t h ea r b i t r a t eu n i t c o m m a n d sa l lt h et a s k s ，s o ，t h eh i g hr e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ed e m a n d so fc o o l i n gf a n c o n t r o l l e ri na u t o m o t i v ea p p l i c a t i o nc a nb es a t i s f i e d t h ew h o l es y s t e mh a sb e e n t e s t e da n dt h er e s u l t sa c h i e v et h ea n t i c i p a t i o n f i n a l l y , t h ed i 西“c i r c u i t sa r ed e s i g n e df o ra l lt h em o d u l e so f t h ec o n t r o l l e ri nt h e p a p e r c y c l o n ei ie p 2 c 2 0 f 4 8 4 c 7 nd e v e l o p m e n tb o a r di su s e dt oi m p l e m e n tf p g a v e r i f i c a t i o n ，a n dd os o m er e s e a r c ho nt h ea s i cd e s i g nf o rt h i sc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee l l g i n ec o o l i n gf a ns y s t e mc o n t r o l l e r , af o u rp h a s e sb l d c m o t o r , p w m ，f p g a v i i 上海大学硕士学位论文 目录 摘要1 0 r a b s t r a c t v i 目录v 第1 章绪论1 1 1j ；l 言1 1 2 汽车引擎冷却控制技术的发展概况。1 1 3 冷却风扇控制技术分类与评析4 1 3 1 冷却风扇控制技术分类。4 1 3 2 冷却风扇控制技术评析5 1 4 主要研究内容与论文安排。6 第2 章无刷直流电机的控制原理与方法8 2 1 无刷直流电机的特点和原理8 2 2 直流无刷电动机的控制方法8 2 2 1 带位置传感器的无刷直流电动机控制9 2 2 2 无位置传感器的无刷直流电动机控制1 0 2 3 无刷直流电动机的转子位置检测1 0 2 4 无位置传感器的无刷直流电机的起动1 3 2 4 1 无位置传感器无刷直流电机起动方法概述1 3 2 4 2 反电动势法三段式起动技术1 4 2 4 3 定位一切换起动技术1 6 2 5 本章小结1 7 第3 章车用引擎冷却风扇控制系统的硬件设计1 8 3 1 电机性能特点分析与控制方案的确定1 8 3 1 1 四相电机性能特点分析1 8 3 1 2 控制方案确定2 1 3 2 控制系统总体结构2 2 3 3 硬件电路的设计2 3 3 3 1 主控微机电路设计2 3 3 3 2 控制器电源电路2 5 3 3 3 通讯接口电路2 6 3 3 4 驱动和故障保护电路2 7 3 3 5 模拟信号检测电路设计3 0 3 3 6 印制板设计3 2 3 4 本章小结3 2 第4 章车用引擎冷却风扇控制系统的软件设计3 3 4 1 系统软件总体结构3 3 4 2 主循环控制程序3 5 4 3 中断服务程序3 8 4 3 1a d c 中断服务程序3 8 4 3 2c c u 6 中断服务程序( t 1 3 周期匹配中断) 4 1 4 3 3t i m e r 0 中断服务程序4 5 4 4 主要子程序。4 6 v i i i 上海大学硕士学位论文 4 5 本章小结5 0 第5 章系统测试结果与分析5l 5 1 电机无位置运行测试结果5 l 5 2 宽电压范围运行性能测试。5 5 5 3 温度保护运行性能测试5 6 5 4 额定电流和过流保护运行性能测试5 6 5 5 本章小结5 8 第6 章汽车引擎冷却风扇控制系统的芯片化研究5 9 6 1 引言。5 9 6 2 数字系统整体框架5 9 6 3 功能模块的设计6 0 6 3 1p w m 模块6 0 6 3 2 反电势过零检测6 2 6 3 3 换相延迟模块6 4 6 3 4a d 模数转换接口模块6 6 6 4 系统功能仿真6 7 6 5 本章小结6 9 第7 章总结与展望。7 0 参考文献7 l 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文以及获得的成果和奖励7 4 致谢7 5 附j i i 7 6 i x 上海大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 汽车引擎冷却风扇控制器的概念最早出现于1 9 8 1 年的美国专利文献中( 专 利号u s 4 2 5 7 5 5 4 ) 1 5 1 ，该专利首次提出了用电子控制的冷却风扇取代由发动机 曲轴传动的冷却风扇。此后，汽车引擎冷却风扇经历了由简单的继电器控制到复 杂的m c u 及软件算法控制的发展历程，尤其是p w m 技术的引入，才真正意义 上实现了发动机e c u 对冷却风扇转速的实时控制，使得风扇转速及工作模式与 发动机的温度运行状态完全按照一定的模型运行。 冷却风扇散热是电子产品中常用的散热措施。根据发热功率器件的温度，使 风扇速度控制器输出p w m 信号来驱动风扇，以实现器件温度高时风扇转速高， 使快速冷却；器件温度下降时，风扇转速随之也降低；若器件的温度降到设定的 阈值温度以下时，风扇停转。这种p w m 风扇速度控制器使风扇运行时噪声最小、 节能、并能延长风扇的寿命，是一种较完善的散热措施。应该说，风扇冷却技术 是大功率高速( 如c p u 、f p g a 和g p u ) 产品和系统散热降温中的重要技术与部件。 这实际上是风扇冷却自动控制技术与可靠性的分析与设计。 汽车发动机在高温工作环境下必须得到适度的冷却，以使其保持在适宜的温 度下工作，才能满足发动机良好的工作性能、耐久性和废气排放的要求。发动机 冷却系统在此起着关键作用。而发动机冷却系统的控制技术，主要就是冷却风扇 的控制技术。如何以最低的成本、最低的功耗，最好地完成发动机冷却系统的冷 却任务，冷却风扇控制技术值得深入的研究分析。 1 2 汽车引擎冷却控制技术的发展概况 汽车引擎冷却风扇控制器的概念最早出现于1 9 8 1 年的美国专利文献中( 专 利号u s 4 2 5 7 5 5 4 ) 【l5 1 ，该专利首次提出了用电子控制的冷却风扇取代由发动机 曲轴传动的冷却风扇。该专利利用汽车行驶中迎面风这一自然能量对散热器的冷 却作用而避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失，同时也缩短了发动机的预热时 间，减少传热损失，另外还减少了低温条件下的零件磨损。这对提高发动机热效 上海大学硕上学位论文 率，延长其工作寿命来说是有重要的进步意义的。但是，由于该电动冷却风扇没 有护风罩，降低了风机的容积效率，同时引起了风机总效率的降低。低效率的风 机要想满足汽车发动机的散热要求就必须要有很高的驱动功率，即电能消耗大， 这对电动冷却风扇电源的蓄电池和发电机来说是难以承受的。所以这种电动冷却 风扇只是用在热负荷比较小的轿车散热器上。 德国大众汽车公司1 9 8 5 年在中国申请的发明专利【1 6 1 ( 专利号：c n 8 5 1 0 9 5 a ) ， 见图1 1 。该专利在汽车散热器前方设置空气吸入口和辅助通风口。当汽车高速 行驶时迎面风气流一部分从吸入口流入，通过散热器，它的冷却作用使水温下降， 电动风机停转。另一部分迎面风则从汽车底部流过。这样就可以加快散热器的冷 却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但该专利的辅助通风口从下向上吸入冷却 空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入，造成散热器脏污、堵塞，使散热器的 散热效率降低。 ， 一 图1 1 汽车电风扇辅助通风系统 1 空气吸入口2 阀门3 辅助通风口4 散热器5 电动风扇 美国1 9 8 9 年的发明专利( 专利号：u s 4 8 7 5 5 2 1 ) 【1 7 1 。它首次提出在载重汽车上 采用电动冷却风扇。从图1 2 中看出，它存在这样一个缺点：采用单风扇且布置 在散热器中部并非最佳方案。因为载重汽车的功率较大，它所要求的散热强度也 大，为了满足其散热要求必须尽量加大风扇的叶片直径，以扩大风扇对散热器的 覆盖面积，这必然要增大风扇电机的驱动功率，而直流电动机的体积和重量将随 2 间非常狭 ( 专利 ，需要散 热时，电动风扇向散热器吹风，通过散热器之后的空气沿热风管绕流向发动机的 下部排出，热风管将散热器与发动机隔开。当发动机温度很低时，冷气阀关闭， 阻挡冷空气进入发动机的上方使发动机迅速预热。同时热气阀打开，允许热风管 中的热空气进入发动机下部，预热发动机的机油盘。当发动机温度较高时，热气 阀关闭，冷气阀打开，允许冷空气进入冷却发动机上部和电子元件系统。 图1 3 机动车发动机的通风系统 1 电动风扇2 散热器3 热风管4 热气阀5 冷气阀 3 上海大学硕上学位论文 此后，汽车引擎冷却风扇经历了由简单的继电器控制到复杂的m c u 及软件 算法控制的发展历程，尤其是p w m 技术的引入，才真正意义上实现了发动机 e c u 对冷却风扇转速的实时控制，使得风扇转速及工作模式与发动机的温度运 行状态完全按照一定的模型运行。 我国批量生产汽车空调电机及散热器风扇电机始于8 0 年代，同期引进国外 特别是德国大众公司的桑培纳轿车和捷达轿车的生产制造技术，并开始零部件国 产化。这些电机由温控元件根据水箱温度或驾驶员设定的车厢温度自动进行起 动、关断，比以前发动机直接由轴带风叶来进行冷却要更科学、更省能源，冷却 效果也更好。目前国内几乎所有的轿车和小型客车都装备了散热器风扇系统及车 用空调系统，部分中大型客车及卡车的设计制造也有了这方面的需要。但主要还 是集中在轿车方面，产品技术要求高，可靠性也高。 1 3 冷却风扇控制技术分类与评析 1 3 1 冷却风扇控制技术分类 汽车发动机的冷却系统有空气冷却和液体冷却2 种形式【3 9 】。目前最常用的 是液体冷却。即用于冷却的液体经过循环系统，再通过散热器散热来使发动机降 温，冷却风扇用来给散热器通过风速强制补风，以满足发动机适度冷却的需要。 从冷却风扇工作形式来看，冷却风扇的控制方式有3 种【3 9 加】：一是适用于大 型车辆和重型车辆的机械驱动控制方式；二是与发动机e c u 无关、环境参数独 自监控的自控电动控制方式；三是综合发动机、空调、压缩机、车速等多种参数 信息的综合型智能控制方式。前者主要是利用机械传动原理，或用发动机曲轴直 接带动，或由发动机皮带带动冷却风扇；后两者才体现了真正意义上的发动机冷 却风扇控制技术。从冷却风扇驱动控制模块来看，冷却风扇的控制技术可分为两 大类，一是集中于发动机动力系统控制模块控制的集中式控制；二是独立于发动 机外或与发动机有通讯联系的分体式控制。集中式控制，即指冷却风扇的控制由 兼有发动机的喷油、点火、排放、空调、冷却风扇等多种控制功能的发动机动力 总成控制模块执行。由它统一协调调度，来保障发动机良好的动力性、经济性、 排放性。分体式控制，即指脱离了发动机，由外部的电子控制模块来完成驱动风 扇，以达到冷却系统使发动机适度冷却的目的。这个外部的电子控制模块就是我 4 上海大学硕士学位论文 们所谓发动机冷却风扇控制器。各种风扇控制类型、控制技术各有特点。大汽车 厂商根据不同情况各取所需，因而目前各种控制技术种类并存。 1 3 2 冷却风扇控制技术评析 一集中式控制类型发动机动力系统控制模块【柏a 1 】 典型例子是美国通用系列轿车，如赛欧、别克基本型，东风神龙的毕加索、 塞纳也是如此。将冷却风扇的控制集成在其中发动机动力系统控制模块( p c m ) 中。对环境温度、空调压缩机压力，冷却液温度，进气温度等传感器信号进行采 样以控制外部功率继电器，从而控制高速和低速两个风扇。安装位置：在空气滤 清器中，离冷却风扇较远。特点和评析：采样信息多，便于智能化控制和统一协 调管理。只能控制两个固定风扇。p c m 负荷工作任务量大，时效性比分体式差。 二分体式控制类型发动机冷却风扇控制裂4 0 a 1 】 ( 1 ) 单纯继电器控制电路 当冷却液温度或打开空调后空调压力超过规定的限值时，温度开关或空调压 力开关接通，控制继电器工作，驱动风扇电机使冷却风扇工作。自控电动控制方 式，线路简单实用，成本低，易维修。但远离风扇，线束长。只能控制两个固定 风速。对风扇电机没有保护功能。 ( 2 ) 逻辑电路加继电器集成式控制器 自控电动控制方式，直接安装于风扇附近，散热好；线路简单、线束少、易 维修。只能控制两个固定风速；用于密封强制循环式发动机冷却系统。对产品的 工作温度要求较高，从7 0 c 提高到1 1 0 ，另外对水密封性和防尘都有更高的要 求，综合成本较高。电路对风扇电机没有保护功能。 ( 3 ) 智能芯片与继电器分离式控制电路 自控电动控制方式，核心芯片是单片机，控制电路与继电器分离，单端口信 号采样、双路风扇固定风速控制输出。控制电路简洁，由于远离继电器和冷却风 扇，电磁兼容的效果较好。但采样信息少，没有考虑能耗控制。电路对风扇电机 没有保护功能。 ( 4 ) 智能芯片加继电器集成式控制电路 综合型智能控制和自控电动控制的边缘方式，采样信息多，智能化控制程度 5 上海大学硕士学位论文 高；风扇软启动方式，提高了风扇的工作寿命。安装在冷却风扇附近，散热较好。 但对水密封性和防尘都有更高的要求，综合成本较高 ( 5 ) 早期p w m 脉宽调制输出的控制电路 风扇转速不再是前几种继电器闭合后的固定速度，而是采用p w m 脉宽调制 技术，2 0 h z 频率下占空比可变的四种速度，虽然是单风扇，却可以根据水温和 空调压缩机压力情况实现四种强制补风能力，使冷却效率大大增加；用功率m o s 管取代了继电器来驱动风扇。提高了工作可靠性和工作耐久性；具有短路、过载 堵转等保护功能；由于有固定频率震荡脉冲，对外的电磁骚扰加剧，须采取一定 的抑制措施。 ( 6 ) 改进后的p w m 脉宽调制输出方式的控制电路 综合型智能控制方式，继承了早期p w m 控制器的特点，也继承了集中控制 方式的优点，只是高速风扇m 2 依然是有级调速，必然有能量的损耗，电磁骚扰 问题也比较突出。 ( 7 ) 新一代p w m 脉宽调制输出方式的控制电路 新一代p w m 脉宽调制输出方式的控制电路是在改进版的基础上演变而来 的，只是双风扇输出特性相同，实现了双风扇输出的无级调速。典型产品是用于 德国大众c a d d y 、t o u r a n 、s k o d a 等冷却风扇控制器，安装在发动机舱的 冷却风扇上。法国标致3 0 8 、雪铁龙c 4 、c 6 也采用了这一技术。技术评析：为 综合型智能控制方式，兼有集中式控制和p w m 技术的优点，控制电路对发动机 及其周围环境参数考虑的已极为全面。有紧急运行模式、堵转、短路、过压、欠 压、温度过高保护等等功能。真正体现了智能化控制。同时与以往的控制方式相 比，能效更高，达到了节能降耗的目的。 1 4 主要研究内容与论文安排 本论文在充分考虑冷却风扇控制器自身故障检测及其保护等关键技术的基 础上，研发出一套具有自主知识产权的车用冷却风扇的b l d c ( b r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n t ) 控制系统。该系统主要针对一款经过特殊设计的四相无刷直流风扇电机 进行控制，由于其双线绕组的性能特点，本文采用半波电路控制方案来替代传统 全桥电路控制方案，结果依然可以获得较高的转矩输出能力，满足转矩性能要求， 6 上海大学硕上学位论文 达到接近全桥电路效果【3 y l ( 可参考美国专利：5 6 6 8 4 5 0 ) ，从而使得控制器具有 低成本，高效、高可靠性的特点。论文内容安排如下： 第一章为绪论，主要阐述了汽车引擎冷却风扇控制技术的发展概况和当前车 用冷却风扇控制器的研发情况，同时介绍了冷却风扇控制技术的分类并对其做了 相应的评析。 第二章为无刷直流电机的控制原理与方法，该章通过对无刷直流电机工作原 理的深入分析，结合无位置传感器的特点，对于四相无刷无位置传感器直流无刷 电机的控制进行了研究，包括电机转子的位置检测方法，电机启动的方案，速度 控制方法等。 第三章为车用引擎冷却风扇控制系统的硬件设计，该章确定了整个系统的控 制方案，并进行相关的硬件设计，搭建系统的硬件电路。包括主控电路、驱动电 路、控制电路、检测保护电路、外围电路以及其它辅助功能电路，检查电路正确 连通。 第四章为车用引擎冷却风扇控制系统的软件设计，该章介绍了基于时间片的 多任务操作系统，将风扇失步保护、过流保护、过压欠压保护、开路短路保护 和通信诊断等功能按优先级分为不同的任务，任务仲裁单元对各个任务统一调 度，以满足汽车应用中对冷却风扇控制器可靠性和实时性的高要求。 第五章为系统测试结果与分析，该章通过系统实物测试，观察风扇运行情况 及示波器显示电流，电压波形，对整个系统进行验证。 第六章为汽车引擎冷却风扇系统的芯片化研究，该章通过采用硬件描述语言 对功能模块进行数字电路设计及功能仿真，完成f p g a 验证，为系统芯片化设计 打下基础。 第七章为总结与展望。 7 上海大学硕士学位论文 第2 章无刷直流电机的控制原理与方法 2 1 无刷直流电机的特点和原理 有刷直流电动机由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域 中占有重要地位。但机械换相装置的存在，限制了其发展和应用范围。机械换相 不良的后果是电刷下面产生危害性火花，使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的 场合受到限制，同时换相火花也能引起对无线电通讯及控制设备的电磁干扰，转 速也受到机械换相的干扰限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本 改善【1 2 ，3 1 。 无刷直流电动机用一套电子换相装置代替了有刷直流电动机的机械换相装 置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速特性。同时又克服了有刷直流 电动机机械换相带来的一系列缺点，具有高能量密度，高转矩惯性化高效率等特 点。无刷直流电机由电机本体、转子位置检测电路以及电子开关电路3 部分组成。 其示意图如图2 1 所示。 图2 1 无刷直流电机组成示意图 电子开关电路主要作用是控制电机本体定子各相绕组的通电顺序和时间， 主要由功率管、驱动电路以及转子位置信号处理模块构成。转子位置检测电路主 要作用是实时检测转子位置，为换相提供依据。电机本体由定子线圈绕组与永磁 转子构成【4 ，5 1 。 2 2 直流无刷电动机的控制方法 目前，无刷直流电动机的控制有带位置传感器、无位置传感器以及智能控制 上海大学硕士学位论文 三种1 6 , 7 , s 1 。 带位置传感器控制是在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子 位置而控制定子绕组换相，所用的位置传感器有电磁式位置传感器( 如磁阻旋转 变压器) 、光电式位置传感器( 如遮光板) 、磁敏式位置传感器( 如霍尔位置传感 器) 等，其中霍尔传感器使用最为广泛。 无位置传感器的无刷直流电动机控制法，不直接在无刷直流电动机的定子上 安装位置传感器来检测转子位置，一般采用直接反电势检测、反电势三次谐波法、 电流通路监视法、开路相电压检测法、相电感法、反电势逻辑电平积分比较法等 方法来间接检测转子的位置。 智能控制法是控制理论发展的高级阶段，包括模糊控制、神经网络控制、专 家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能，能解决模型不确 定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。 2 2 1 带位置传感器的无刷直流电动机控制 带位置传感器的无刷直流电动机控制，通过位置传感器捕获转子的位置及其 变化，改变绕组的通电方式，对定子绕组进行换相，整个控制过程与以下几个因 素有关【9 , 1 0 。 1 位置传感器 位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是它区别于有刷 直流电动机的主要标志，其作用是检测主转子在运行过程中的位置，将转子磁钢 磁极的位置信号转换为电信号，给逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它 们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向， 形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种 类有电磁式、光电式、磁敏式等，而其中磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、 体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，是目前应用最广泛的传感器。 2 换相的实现 根据电动机的旋转情况，得出霍尔位置信号和绕组电流换相的对应表。在电 动机旋转时，根据霍尔信号和换相顺序对应表来实现换相。 ( 1 ) 速度闭环 9 上海大学硕士学位论文 采用p i d 控制算法，使电机在负载情况下保持期望的转速。 ( 2 ) 起动过程及初始方向 带位置传感器的无刷直流电动机起动过程控制比较容易实现，只需增大电机 起动时电压或电流，实现电机旋转。根据电机静止时的位置信号，按照正向( 或 反向) 换相顺序进行通电，即可确保电机的初始旋转方向。 ( 3 ) 超高速控制 无刷直流电机在超过额定转速的高速运行，通常采用弱磁控制的方法来实 现。 2 2 2 无位置传感器的无刷直流电动机控制 无位置传感器控制，即为无机械的位置传感器控制，在电机运转的过程中， 作为逆变桥功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信 号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施代替，即以提高电 路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以，目前永磁无刷直流电机无位置传 感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号检测线路，从软、硬件两 个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电 机运转。近年来，国内外均出现了很多的位置信号检测方法，其中较为成熟的主 要有四类：反电动势法、续流二极管法、反电动势积分法和状态观测器法【1 1 , 1 2 , 1 3 】。 其中无刷直流电动机反电动势过零点检测法，是目前应用最为广泛、性能最稳定 的电机运行过程中转子位置检测法，该方法是在无刷直流电动机稳态运行时，忽 略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的 关键位置信号，从而可以控制绕组电流的切换，实现电机的运转。 2 3 无刷直流电动机的转子位置检测 1 直接反电势检测法 在无刷直流电动机中，绕组的反电势( 即发电机电势) 通常是j 下负交变的梯 形波，当某绕组的反电势过零时，转子直轴与该相绕组轴线重合，因此只要检测 到各相反电势的过零点，就可以获知转子的若干个关键位置，从而实现无位置传 感器的位置检测。测量绕组的反电势有两种方法：一、对于两两导通型的无刷电 1 0 上海大学硕士学位论文 机控制，由于每一时刻总有一相绕组是悬空的，其相电压等于总的感应电势，如 果忽略电枢反应，则绕组中总的感应电势等于反电势；二、反电势的过零点通常 是发生在绕组悬空期间，可以采用电压比较器检测到相电压的过零时刻，即可间 接获得反电势的过零点【1 4 1 。 2 定子三次谐波法 b l d c m 的反电势波形为梯形波，它包含了三次谐波分量，将此分量检测出 来进行积分，积分值为零( 用于过零检测) 时得到功率器件的开关信号。当电机 的中性点有引出线时，在星形连接的绕组端子并联一组星形连接电阻，两个中性 点之间的电压即为三次谐波分量。当电机的中性点没有引出线时，采用星形电阻 中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波【1 9 ，2 0 】。 3 电流通路监视法 这种方法是通过监视逆变器中的电流通路来获得转子位置信息，通过一种二 极管导通检测来监视逆变器反并联续流二极管是否导通。b l d c m 的绕组中总有 一相处于断开状态，监视续流二极管的导通就可以获得功率晶体管的开关顺序， 它在每个功率管导通期间的前半段实行斩波控制。电机的磁势与定子电流同相 位，通过检测相电流的波形可以得到转子位置信号【2 1 , 2 2 1 。 4 检测开路相电压法 在永磁转子的表面粘贴非磁性的导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非 磁性材料的涡流效应，使开路相电压随转子位置角而变化，从而通过检测开路相 电压判断转子位置【2 3 】。 5 反电势逻辑电平积分比较法 反电势逻辑电平积分比较法将两路非导通相反电势进行过零比较处理，得到 逻辑电平后再对两路逻辑电平进行积分，这两路逻辑电平积分值反映了相位关 系，从而确定电机转子磁场位型2 4 1 。 上海大学硕上学位论文 本文中无位置传感器控制系统采用反电动势过零检测法( b e m f ) 实现位置 检测。通过电阻分压网络将无刷直流电机的相绕组端电压转换为o - 5 v 的电压 信号。该电压通过小电容滤波后送入单片机的模数转换器进行采样。系统将对四 相绕组进行采样，并将采样值与电源电压1 2 v 进行比较来确定反电势过零点。 上述基于软件采样的方法与传统硬件比较器方案相比具有结构简单，可靠性高的 优点，是目前无位置传感器控制技术中比较有竞争力的解决方案。 图2 2 所示为四相反电动势示意图