一種汽車直流無刷電子扇驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

浙江毅力汽車空調(diào)有限公司 葉 雨 付忠亮 黃忠毅 季菲菲 吳 慶

?

一種汽車直流無刷電子扇驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

浙江毅力汽車空調(diào)有限公司 葉 雨 付忠亮 黃忠毅 季菲菲 吳 慶

【摘要】介紹一種汽車直流無刷電子扇驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。飛思卡爾的Kinetis EA系列MCU具有豐富的文檔、硬件和軟件工具，尤其它特有的汽車數(shù)學(xué)和電機(jī)控制庫集可大大加速產(chǎn)品的開發(fā)，降低設(shè)計(jì)成本。本設(shè)計(jì)采用Kinetis KEA128實(shí)現(xiàn)了3相無霍BLDC電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)電子扇驅(qū)動(dòng)模塊的開發(fā)，并形成批量產(chǎn)品投放市場，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品具有效率高、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，符合國家提倡節(jié)能減排和使用新能源的倡議。

【關(guān)鍵詞】直流無刷；電子扇；Kinetis

引言

汽車在高速行駛的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)變的很高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)就需要得到冷卻降溫，發(fā)動(dòng)機(jī)電子冷卻系統(tǒng)通過電子扇降溫的原理，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)故障[1]。目前市場上的汽車電子扇按電機(jī)類型劃分主要有直流有刷電子扇和直流無刷電子扇（BLDC）兩種。市場上低端的汽車其電子扇一般采用陶瓷電阻分檔調(diào)速，中高端汽車的電子扇則采用電子調(diào)速模塊進(jìn)行線性調(diào)速，相對陶瓷電阻模塊，具有效率高、調(diào)速好、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。電子調(diào)速模塊根據(jù)配套的風(fēng)機(jī)，又可分為直流有刷調(diào)速模塊和直流無刷調(diào)速模塊。這里介紹一種3相無霍BLDC電子扇的調(diào)速模塊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。目前市面上的電子扇主要為有霍形式，在風(fēng)機(jī)內(nèi)加裝霍爾感應(yīng)裝置，確定轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)所得位置信息對電極進(jìn)行換相。無霍則是通過檢測風(fēng)機(jī)輸出相位中的反電動(dòng)勢來計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置。

圖1　采用Kinetis KEA128實(shí)現(xiàn)3相無霍BLDC電機(jī)控制方案

1 硬件設(shè)計(jì)

采用飛思卡爾官方推薦的3相無霍無刷直流(BLDC)電機(jī)控制解決方案，采用PWM調(diào)速方式，使用Kinetis KEA128作為主控芯片，MC33937A做預(yù)驅(qū)動(dòng)器，控制MOS管構(gòu)建的3路半橋電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相無霍BLDC電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行，系統(tǒng)整體方案見圖1。運(yùn)用KEA128內(nèi)部豐富的外設(shè)，結(jié)合飛思卡爾提供的汽車數(shù)學(xué)和電機(jī)控制庫集，使用反電動(dòng)勢零交叉點(diǎn)檢測結(jié)合閉環(huán)速度控制和動(dòng)態(tài)電機(jī)電流限制方法實(shí)現(xiàn)了電子扇的無級調(diào)速控制。同時(shí)結(jié)合汽車電子扇的實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了調(diào)速控制信號檢測電路、工作電源電壓欠壓/過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路等。

1.1 MCU的選擇

KEA128是飛思卡爾最新推出的Kinetis EA系列基于ARM? Cortex?-M0+的MCU，主要面向汽車應(yīng)用。它覆蓋-40至125°C溫度范圍的汽車級質(zhì)量認(rèn)證。電壓工作范圍2.7V～5.5V；最高128KB的Flash,64KB的RAM；內(nèi)部ICS或外部參考時(shí)鐘經(jīng)FLL倍頻后，可最高工作于48M系統(tǒng)時(shí)鐘。一個(gè)6通道的FlexTimerPWM以及高達(dá)16通道的12位ADC正好滿足了3相無傳感器BLDC電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[2]。

1.2 橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用橋式驅(qū)動(dòng)，6路PWM控制由3個(gè)高邊MOSFET和3個(gè)低邊MOSFET構(gòu)成的3路半橋。簡化和提高可靠性MOSFET驅(qū)動(dòng)采用一款場效應(yīng)晶體管(FET)預(yù)驅(qū)動(dòng)器MC33937A，其專為3相電機(jī)控制和類似應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包含3個(gè)高邊FET預(yù)驅(qū)動(dòng)器和3個(gè)低邊FET預(yù)驅(qū)動(dòng)器，3個(gè)外部自舉電容可為高邊FET提供柵極電荷。通過6個(gè)直接輸入控制信號、一個(gè)用于器件設(shè)置和異步復(fù)位的SPI端口以及使能和中斷信號與KEA128相連接。本設(shè)計(jì)的電子扇最大功率為360W，額定工作電壓12V。MOSFET選用Infineon的IPD100N04S4-02，Vds最大40V，Id最大100A，尤其Rds只有2mΩ。MC33937A內(nèi)置電流檢測器，可在橋式驅(qū)動(dòng)電路的對地公共端中串入一個(gè)康銅采樣電阻，用于檢測風(fēng)機(jī)當(dāng)前是否存在過流/風(fēng)機(jī)卡住情況。

1.3 反電動(dòng)勢過零檢測電路設(shè)計(jì)

普通的無刷直流電機(jī)采用三相逆變器供電，其繞組具有梯形波反電動(dòng)勢和方波電流，每相繞組通電120°電角度，無刷直流電機(jī)在正常導(dǎo)通期間只有兩相繞組通電，另外一相繞組斷開，因?yàn)閿嚅_相繞組中沒有電流流過，因此其端電壓反映了該相繞組反電動(dòng)勢的大小，而反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)領(lǐng)先該相繞組換相信號30°電角度[3]。利用這個(gè)電壓、電流信息，通過軟件算法可以得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置。反電動(dòng)勢過零檢測電路其實(shí)是一個(gè)同步采樣電路，風(fēng)機(jī)的3相電壓信號經(jīng)過電阻分壓并鉗位后使用KEA128內(nèi)部的高速12位ADC進(jìn)行采樣，然后與對應(yīng)零點(diǎn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，判斷過零點(diǎn)。在反電動(dòng)勢過零后，再過30°后開始換向。

1.4 其他電路設(shè)計(jì)

電子扇驅(qū)動(dòng)模塊需要通過檢測空調(diào)ECU發(fā)出的調(diào)速信號，進(jìn)行無級調(diào)速輸出。本電子扇配套的ECU輸入的調(diào)速信號為15Hz的PWM脈寬信號，同時(shí)還具有一個(gè)使能控制端，使能端接工作電源電壓時(shí)有效。輸入信號檢測電路見圖2，IN為PWM信號輸入端,EN為使能控制端，CAP_IN接到KEA128的捕獲輸入引腳實(shí)現(xiàn)占空比測量。

圖2　輸入信號檢測電路

當(dāng)工作電源欠壓/超壓時(shí)應(yīng)及時(shí)停止輸出從而保護(hù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路以及風(fēng)機(jī)。12V汽車系統(tǒng)一般保護(hù)點(diǎn)下限為7.5V，上限17.5V。將電源電壓分壓、濾波并使用二極管鉗位后送到KEA128的AD引腳，由軟件程序完成判別處理。KEA128的AD通道中還有一路內(nèi)置的溫度傳感器通道，讀取其采樣值并經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可大致推算出IC當(dāng)前溫度，為系統(tǒng)的過溫保護(hù)提供依據(jù)。

系統(tǒng)工作電源主要分為5V和12V，外部主電源經(jīng)過LC濾波等EMC處理后，直接得到12V用于預(yù)驅(qū)動(dòng)器等外圍電路供電，另外使用L4949E汽車級電源管理IC穩(wěn)壓得到一個(gè)5V電源用于KEA128及其外設(shè)供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分基于MDK516平臺開發(fā)，使用C語言完成。KEA系列MCU附帶的一套豐富的文檔、硬件和軟件工具及應(yīng)用說明，大大加速了開發(fā)過程并降低了設(shè)計(jì)成本。借助驅(qū)動(dòng)程序和固件庫完成底層設(shè)計(jì)后，使用Freemaster 和MCAT工具進(jìn)行風(fēng)機(jī)的PI參數(shù)調(diào)試，使產(chǎn)品盡可能的高效率、節(jié)能。它們都基于HTML的調(diào)試界面，用戶能夠在仿真環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，實(shí)時(shí)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)參數(shù)，節(jié)約制作原型的時(shí)間和成本。

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主要過程，以預(yù)先決定的順序?qū)⒕€圈通電，借此在開回路配置下啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)可能無法高效操作，但會(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)速度足以產(chǎn)生足夠的反電動(dòng)勢時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到正常的（高效）閉回路運(yùn)轉(zhuǎn)模式。MOSFET驅(qū)動(dòng)PWM信號頻率采用24KHZ。

系統(tǒng)主程序除了實(shí)現(xiàn)過零檢測調(diào)整相序外，還需要根據(jù)輸入的PWM脈寬調(diào)速信號對風(fēng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)速度控制、動(dòng)態(tài)電機(jī)電流限制，同時(shí)實(shí)時(shí)對 DC總線過壓、欠壓和過流故障監(jiān)測。

3 結(jié)論

無霍無刷電子扇相比有霍無刷電子扇具有成本低、安裝簡單、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸代替有霍無刷電子扇。借助飛思卡爾的Freemaster和MCAT工具，并基于Kinetis KEA128和MC33937A的一種汽車直流無刷電子扇驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)相對以往變得更加簡便、大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本。目前使用該方案設(shè)計(jì)的汽車直流無刷電子扇驅(qū)動(dòng)模塊及其總成已形成產(chǎn)品，并向市場批量供貨，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]齊文江.淺談現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)[J].華東科技學(xué)術(shù)版,2013,3:263.

[2]http://www.freescale.com/.

[3]胡延奇,范永坤,熊皚等.一種新的無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢檢測方法[J].微電機(jī),2015,2:49.

葉雨（19805—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)。

付忠亮（1985—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事檢測儀表、智能控制系統(tǒng)方面的研究、開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

黃忠毅（1968—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司總經(jīng)理，主要從事機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。

季菲菲（1999—），女，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司機(jī)械工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

吳慶（1987—），男，浙江龍泉人，浙江毅力汽車空調(diào)有限公司電子工程師，主要從事電子產(chǎn)品開發(fā)。

作者簡介：