自動變速器電子油泵電機控制方法研究

曾鷹

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

自動變速器以油液為傳動媒介，驅動離合器和撥叉完成各種動作。傳統液壓系統采用的機械式油泵效率低下，并且在某些對油壓需求較小的工況，仍然滿功率運行，造成能源浪費、油耗高。因此新式的以電子油泵代替機械油泵的液壓系統得到發展應用。電子油泵以無刷直流電機(Brushless Direct Current，BLDC)作為驅動，具有效率高、響應快和功率可調等優點。BLDC是隨著電力電子技術及新型永磁材料的發展而迅速成熟起來的一種新型電機，具有體積小、質量輕、使用壽命長、效率高、慣量小和控制精度高等優點,同時還保留了普通直流電動機優良的機械特性。應用于汽車的產品要求控制系統設計簡易、成本低廉、控制算法合理、開發周期短。

1 無刷直流電機工作原理

圖1展示了BLDC電機的橫截面，可以看出它主要由永磁轉子、定子繞組和轉子位置檢測器(霍爾傳感器)3個部分組成。無刷直流電機的設計思想來源于有刷直流電機，與有刷直流電機相比，除了沒有機械電刷之外，其定子和轉子的位置也互調了。無刷直流電機的轉子由永磁體組成，產生隨轉子旋轉的恒定磁通。無刷直流電機的定子中有多相繞組，常常為三相。其運行原理與有刷直流電機一樣，即都是在一個恒定的磁通密度分布的磁極下，由電流總量是恒定的繞組導條切割由磁極產生的磁力線，感應出恒定大小的電磁轉矩(同一轉速下)。只是無刷直流電機產生磁通的磁極是旋轉的，而切割磁力線的導條是不動的，但是這兩者之間還是保持著相對運動的關系。

圖1 BLDC電機結構示意圖

無刷直流電機驅動有多相結構，可分為半橋驅動和全橋驅動，全橋驅動又分成星形和角形連接以及不同的通電方式。如圖2所示，采用的方式為三相星形全橋驅動，該方式以繞組利用率高、轉矩的波動較小和電路成本較低的優勢而使用最多。

圖2 電子油泵電機三相星型全橋電路示意圖

2 電子油泵電機的控制方法

2.1 直流無刷電機控制方式

無刷直流電動機控制方式通常可以分為三相六狀態120°雙極性、三相六狀態180°雙極性、三相三狀態120°單極性、三相六狀態180°單極性4種方式。三相六狀態雙極性控制方式每次至少兩相繞組導通，可以保證導通繞組處于較大的磁通密度下，對比三相三狀態控制方式，更加充分地利用了永磁體磁極產生的磁通。而三相六狀態180°雙極性控制方式在任意時刻都有三相繞組導通合成的電磁轉矩比三相六狀態120°雙極性方式下的要大，使得電機的耗電量上升，因此較常用的控制方式為三相六狀態120°雙極性控制方式。

2.2 三相六狀態120°雙極性控制方式

圖3 聯結繞組兩兩通電時的合成轉矩矢量圖

如圖4所示，每個狀態下，均有兩相繞組被導通，即每個狀態下，有兩相導通繞組切割磁力線。其感應產生的電磁力將是兩相繞組產生的電磁力的合成。由于在轉子磁極邊緣磁通很小，在兩極的中間位置，磁通為零。為了充分利用轉子磁極產生的磁通，獲得最大的電磁轉矩，在每次兩相繞組導通的情況下，使用60°電角度換相的方法，一共有6個狀態。

定子星形連接，三相繞組完全對稱，工作在二相導通、三相六狀態下；反電勢波形是平頂寬度為120°(電角度)的梯形波；電機在工作過程中磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗；氣隙均勻，磁場為方波,定子電流、轉子磁場分布皆對稱,電樞繞組在定子內表面均勻連續分布；忽略電樞效應、齒槽效應。

圖4 導通狀態圖

在以上假設條件下，可以得到無刷直流電機的數學模型如下：

利用基爾霍夫電壓定律(KVL)可以得到三相繞組的電壓平衡方程：

其中：uA、uB、uC為定子相繞組電壓(V)；iA、iB、iC為定子相繞組電流(A)；eA、eB、eC為定子相繞組電動勢(V)；R為電機相電阻；L為每相繞組的自感(H)；M為每兩相繞組間的互感(H)。p為微分算子，p=d/dt。由繞組電壓方程可知，無刷直流電機的等效電路如圖5所示。

圖5 無刷直流電機的等效電路圖

2.3 電子油泵電機的位置傳感器

無刷直流電機采用霍爾式位置傳感器來完成轉子位置確定和轉速反饋。霍爾式位置傳感器利用了電流的磁效應原理，即通電的半導體介質在外磁場的作用下會產生新的電場。如圖6所示，轉子帶動傳感器磁圈運動，在HALL IC中產生相應電場。

圖6 霍爾傳感器原理圖

如表1所示：6個MOS管V1～V6按照傳感器反饋的霍爾信號值進行導通，從而實現BLDC電機正轉與反轉精準換相。

表1 電子泵電機控制真值表

注：V1～V6 分別表示驅動電橋電路中對應的6個MOS管。

2.4 電子油泵電機控制方式

基于液壓系統需求，需要電子油泵泵出足夠的油來平衡泄漏量以達到增加油壓的目的，所以對油泵電機采用轉速控制的方式。

假設某時刻，電機處于A+B-的導通狀態下，此時的電機電壓平衡方程為：

穩態時，有：

iA=-iB=const

則有：

U-2ΔU=2RiA+Ken

根據上式，可得BLDC的調速方程：

其中:Ke為平均反電動勢系數;ΔU為功率管壓降;KT為平均轉矩系數。

2.5 電子油泵電機控制算法

控制算法中如果只采用轉速閉環控制，在升速調節過程中電壓突然增加，而轉子由于慣性原因不會轉速突變，速度負反饋也不會突變，這樣驅動電流會突然快速上升，造成電流沖擊。因此，一般采用速度-電流雙閉環控制系統。如圖7所示:以速度控制為外環、電流控制為內環，以實現平穩調速。

圖7 速度-電流雙閉環控制系統

2.6 電子油泵電機控制過程

電子油泵電機負載起動或負載突變(擾動)時，調節過程分為3個階段：(1)起動(或擾動)；(2)加速；(3)調節至轉速穩定。

調節過程中，電樞電流Id、轉速n、目標轉速ng、負載電流IL如圖8所示。

圖8 轉速調節過程

在轉速-電流雙閉環控制系統中，速度調節器用于實現快速轉速調節，并在保障調速精度的同時，使得電機機械特性較硬，滿足負載需求，輸出限值取系統允許最大電流(過流保護)；電流調節器用于實現調速的快速動態特性，并滿足負載轉矩要求，限值取自觸發角的移相范圍。

3 結束語

電子油泵電機采用轉速-電流雙閉環控制系統可以極好地適應液壓系統的擾動帶來的負載突變過程，能夠快速達到穩態。而且應用電路簡單，易于實現，體積小。在后續研究中還可加入油壓-電流特性控制，以達到液壓系統精確調節主壓力的控制需求。