帶觀測(cè)器的FOC算法在電池散熱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任金波，胡冰樂(lè)，張 翔，施火結(jié)

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

新能源汽車電池在大電流工作或充電的過(guò)程中會(huì)因蓄電池的內(nèi)阻而產(chǎn)生大量的熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液的汽化，如不對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制散熱，溫度過(guò)高后可能導(dǎo)致蓄電池爆炸而產(chǎn)生危險(xiǎn)。受布置空間和整車質(zhì)心位置的限制，蓄電池?zé)o法布置在前艙通風(fēng)處以充分利用汽車行駛過(guò)程中的空氣流進(jìn)行散熱，在充電過(guò)程中，也缺少流動(dòng)空氣帶走大量熱量，因此需要采用散熱風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱以抑制蓄電池在汽車行駛或充電過(guò)程中的溫升[1]。永磁同步電機(jī)（PMSM）具有電磁兼容性好、體積小、噪聲小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、效率高和工作轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)、且能克服無(wú)刷電機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，常被采用作為電池散熱風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。PMSM控制技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的工程問(wèn)題，主要分為矢量控制（Field Orientation Control，F(xiàn)OC）技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）技術(shù)[2,3]。FOC具有良好的中、低速性能，雖然其轉(zhuǎn)速及扭矩的瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但其目標(biāo)轉(zhuǎn)速和扭矩的響應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)算法改進(jìn)；DTC雖然具有瞬態(tài)響應(yīng)良好、受電機(jī)參數(shù)變化影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其起動(dòng)和低速性能差，電流和轉(zhuǎn)矩有很大的脈動(dòng)。由于帶觀測(cè)器的FOC算法對(duì)電機(jī)的控制更準(zhǔn)確，電機(jī)模型對(duì)實(shí)際電機(jī)的參數(shù)更不敏感，能適應(yīng)電機(jī)負(fù)荷的突變工況，因而本文采用帶觀測(cè)器的FOC控制算法對(duì)電池散熱風(fēng)扇PMSM驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 帶觀測(cè)器的FOC算法模型

1.1 FOC算法框圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用帶狀態(tài)觀測(cè)器的磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)（FOC算法）。FOC算法的框圖如圖1所示[4～6]。

圖1 FOC算法框圖

1.2 FOC算法數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)Clarke變換將電機(jī)的三相電流變換為定子坐標(biāo)系下的兩相電流，Clarke變換如式(1)所示：

式(1)中： iα、iβ為定子坐標(biāo)系下兩相電流，ia、ib為電機(jī)三相繞組中A相和B相的工作電流。

將iα和iβ經(jīng)Park變換轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的電機(jī)交直軸工作電流iq和id，Park變換如式(2)所示：

式(2)中，θ為轉(zhuǎn)子的位置角度。

控制器根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并由速度PI控制所產(chǎn)生的目標(biāo)交軸電流，將目標(biāo)交軸電流和經(jīng)Park變換得到的電機(jī)工作實(shí)際交軸電流送給PI控制器計(jì)算得到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的交軸控制電壓vq；將直軸目標(biāo)電流和經(jīng)Park變換得到的電機(jī)工作實(shí)際直軸電流送給PI控制器計(jì)算得到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的直軸控制電壓vd；通過(guò)觀測(cè)器計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的負(fù)角速度，并對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行修正，根據(jù)角速度估算電機(jī)轉(zhuǎn)子的下一工作位置，將vd、vq和估算的轉(zhuǎn)子位置θ按式(3)進(jìn)行Park逆變換，得到定子坐標(biāo)系下的兩相控制電壓vα和vβ。

將定子坐標(biāo)系的兩相控制電壓vα和vβ按式(4)進(jìn)行Clarke逆變換轉(zhuǎn)換為定子坐標(biāo)下三個(gè)繞組的三相正弦控制信號(hào)：

將計(jì)算所得的定子線組控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂迫郒橋6個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子三相繞組工作電流的控制。

1.3 電池散熱風(fēng)扇電機(jī)模型

電池散熱風(fēng)扇電機(jī)模型依據(jù)式(5)估算電機(jī)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的交直軸控制電壓vqs和vds：

式(5)中：rs為繞組電阻，Ls為繞組電感，ω為電機(jī)角速度，λ、φ為磁鏈。

電機(jī)的估算力矩Te為：

式(6)中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

將PMSM的電壓方程變換到α、β坐標(biāo)系，并把a(bǔ)軸定位在α軸上得式(7)、式(8)：

把磁鏈方程式(8)代入電壓方程得：

將式(9)變換后得到電機(jī)模型的狀態(tài)方程：

簡(jiǎn)化方程，引入兩個(gè)新的狀態(tài)變量，分別為α軸和β軸的反感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

假設(shè)機(jī)械變量相對(duì)于電變量變化緩慢得多，則式(10)可簡(jiǎn)化為式(11)：

與式(11)電機(jī)模型相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)器模型為：

式(12)中：K1、K2為模型修正增益。將式(12)按控制周期T離散化得差分方程(13)：

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置根據(jù)式(14)計(jì)算得到，由轉(zhuǎn)子位置微分即可得到轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的角速度。

因此，將iα、iβ、vα和vβ分別按電機(jī)模型式(11)和觀測(cè)器模型式(13)計(jì)算，比較二者輸出結(jié)果的差異，并根據(jù)差值大小，乘以修正增益來(lái)修正觀測(cè)器模型參數(shù)，從而有效保證二者在控制過(guò)程中始終保持一致。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PMSM驅(qū)動(dòng)器由穩(wěn)壓模塊、過(guò)欠壓保護(hù)模塊、過(guò)熱保護(hù)模塊、逆變模塊、FOC計(jì)算控制模塊、過(guò)流保護(hù)模塊和接口通訊模塊組成，各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件模塊

電源穩(wěn)壓模塊：將供電電壓穩(wěn)壓為三種電壓，即單片機(jī)MCU使用的3.3V、外圍電路使用的5V和逆變橋驅(qū)動(dòng)使用的15V；

過(guò)欠壓保護(hù)模塊：通過(guò)MCU（微控制單元）對(duì)電機(jī)母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并經(jīng)濾波處理后進(jìn)行過(guò)電壓或欠電壓判斷，超出正常工作范圍后，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；

過(guò)熱保護(hù)模塊：用于設(shè)置溫度傳感器和控制熱敏保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度逼近設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)控制風(fēng)扇的功率以控制發(fā)熱量；同時(shí)，熱敏開(kāi)關(guān)對(duì)PCB板和環(huán)境溫度設(shè)置第二重保護(hù)，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，電路斷電以仿造成損壞；

驅(qū)動(dòng)逆變模塊：采用6片N型功率MOS管構(gòu)成三相H橋，并由專用的MOS管驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管開(kāi)或關(guān)的控制；將FOC計(jì)算控制模塊送來(lái)的六路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镸OS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)母線電壓與控制電壓的硬件隔離；

FOC計(jì)算控制模塊：由32位ARM單片機(jī)構(gòu)建，完成信號(hào)的采集、處理、PID環(huán)計(jì)算、三相PWM逆變信號(hào)的產(chǎn)生，以及接口及保護(hù)數(shù)據(jù)的采集與處理；

接口通訊模塊：將電池管理系統(tǒng)發(fā)送的控制轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)為電機(jī)工作的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、保護(hù)狀態(tài)通過(guò)接口傳給電池管理系統(tǒng)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置模塊：采用無(wú)傳感器的FOC算法，電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后才能進(jìn)行閉環(huán)FOC控制，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)控制模塊基于升頻升壓的控制方式，控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)起動(dòng)，同時(shí)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及FOC閉環(huán)控制模塊估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到二者的收斂誤差后，切換到閉環(huán)控制狀態(tài)，使系統(tǒng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和電流可控升高，即實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

控制模塊：控制模塊是對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、換相相位、FOC計(jì)算的交直軸電流進(jìn)行控制，將電機(jī)監(jiān)控參數(shù)、電流信號(hào)、FOC算法參數(shù)、FOC算法結(jié)果上傳給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)傳來(lái)的設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的在線調(diào)試。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電池散熱風(fēng)扇硬件結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)輪、PMSM、PMSM逆變驅(qū)動(dòng)控制器組成。PMSM逆變驅(qū)動(dòng)控制器如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器安裝在電池散熱風(fēng)扇的基座底部，如圖4所示。

圖3 PMSM逆變驅(qū)動(dòng)控制器

圖4 驅(qū)動(dòng)器安裝位置

3.1 調(diào)速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為1600r/min，得到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線如圖5所示。從圖5可以看出，驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)效果，可以快速準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖5 轉(zhuǎn)速為1600r/min時(shí)調(diào)速響應(yīng)曲線

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定后，將電池散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速調(diào)到2600r/min；穩(wěn)定后，在此轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上，調(diào)高散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速至3200r/min，得到圖6所示的響應(yīng)曲線圖，調(diào)低散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速至2600r/min，得到圖7所示的響應(yīng)曲線圖。從圖6、圖7中可以看出，驅(qū)動(dòng)器控制電池散熱風(fēng)扇調(diào)速時(shí)，具有良好的速度調(diào)節(jié)能力。

圖6 調(diào)增速度響應(yīng)曲線

圖7 調(diào)減速度響應(yīng)曲線

3.2 應(yīng)用性能測(cè)試

為檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)電池散熱風(fēng)扇進(jìn)行部分應(yīng)用性能參數(shù)測(cè)試，如圖8所示。

圖8 電池散熱風(fēng)扇性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)表明：風(fēng)扇在DC12V電壓下可正常工作；欠壓時(shí)，在DC8.7V電壓時(shí)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，DC10V時(shí)恢復(fù)工作；過(guò)壓時(shí)，在DC16.2V電壓時(shí)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，DC10V恢復(fù)工作；且能適應(yīng)-40℃～85℃的工作環(huán)境溫度，超出范圍后即進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)至熱穩(wěn)定后，測(cè)取電機(jī)輸入功率和輸出功率，測(cè)試時(shí)選輸出轉(zhuǎn)矩點(diǎn)0.1～0.45N·m，每點(diǎn)間隔0.1N·m測(cè)量輸出功率和輸入功率；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)?00～3200rpm每隔800rpm取點(diǎn)，得到電池散熱風(fēng)扇的電機(jī)效率如表1所示。

表1 電池散熱風(fēng)扇電機(jī)效率

從表1中可以看出，在驅(qū)動(dòng)器控制下，電機(jī)可以在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，當(dāng)轉(zhuǎn)速在3200轉(zhuǎn)/分時(shí)，電機(jī)最高效率達(dá)88%，可以驅(qū)動(dòng)電池散熱風(fēng)扇正常工作。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新能源汽車電池散熱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器，控制系統(tǒng)采用了帶狀態(tài)觀測(cè)器的FOC算法，可對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)算法中的電機(jī)模型參數(shù)進(jìn)行修正，使算法中的電機(jī)模型參數(shù)與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)保持一致，能更準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速性能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，從而保證電池散熱風(fēng)扇安全可靠工作。