汽車無刷直流電動機的控制策略研究*

趙 婷

（濱州學院，山東濱州 256600）

0 引言

汽車作為日常生活和工程中不可或缺的商品，正朝著低功耗、節能方向發展，進而促使了新能源汽車的發展和應用。電動機作為汽車的重要元件，其控制策略對于汽車的穩定運行和節能效果均有著關鍵的影響[1]。車載無刷直流電機的控制因素主要包括速度和電流兩方面。在閉環反饋的條件下，可實現較為穩定的控制[2]。但在某些特殊條件下，控制器的電信號仍可能會出現顯著的波動性，進而使得電機的扭矩出現異常[3]，造成電機驅動出現劇烈抖動、過熱等問題。

為了解決該問題，本文以車載供水控制器為研究對象，對電機的控制方案進行研究，以便獲取最佳的速度和電流控制策略。

1 車載電機啟動控制策略

對于電機的精確控制，要求對轉子位置進行實時監測。一般情況下，有的無刷直流電機裝有位置傳感器，可獲取車載電機啟動時的相關工作參數。對于沒有位置傳感器的電機，其轉子運動學特性的監測也是必要的。但是，由于車載電機在啟動過程中，其初始轉速和反向電壓均為非常小的值[4]。因此，若采用反向電壓檢測的方法來確定電機轉動特性難以實現。在該種情況下，只有達到一定轉速后才能獲取準確的電壓信號。為此，可采用過零點反電動勢的三段式啟動方法。

當電動機輸入啟動信號時，初始時刻的轉子位置處于未知狀態，因此需要設置一個參考點位置，當轉子處于該位置（轉子對齊）時確定其后續的運動特性，此外，還需確保電機正常啟動，即保持一定的電磁轉矩。

轉子對齊需要一定的通電流程，即需要先對兩相繞組輸入電流，第三相繞組暫時斷路。這兩相被通電的繞組在電流作用下，將產生一定的電樞磁動勢，此時，轉子在該作用效果下，將自動實現磁勢相對對齊，整個過程如圖1所示。轉子的運動受兩相繞組的影響，在繞組的通電瞬間，磁勢方向和轉子位置具有明顯的偏差，經過特定的時間間隔后（一般不超過1 s），兩者位置達到一致。

當電機轉子的對齊和定位操作完成以后，其本身所產生的反電動勢和自身轉速均為較小的數值，若采用零點反電動勢方案進行數據檢測，進而完成換向調節尚不能保證其可靠性。因此，需要保持一段時間，在經歷這段時間后，電機可以穩定輸出反電動勢。為此，可在轉子端設定一個計時器，通過開環控制以確保電機轉速的控制。比如，當電機開始執行啟動任務時，計數器進行遞減計數，待轉子的轉速和自身產生的電動勢達到設定值時，即可檢測出穩定數值，并立刻進行換向動作。

圖1 轉子對齊原理

車載無刷直流電動機在啟動時，某些情況下會遇到啟動失敗現象。一般地，產生啟動故障的主要原因有兩個：一是轉子的阻力力矩（負載）過大，繞組線圈產生的驅動力矩無法完成電機啟動；二是繞組電流出現問題，無法實現換向操作。在工程上，若由于負載問題造成的驅動故障，可調節PWM占空比的數值。合理的數值有利于電機一定程度的軟啟動效果，確保電機工作穩定性。

2 速度電流閉環控制策略

2.1 工作原理

在電機控制策略中，PID已經具備良好的應用條件。目前，PID 控制策略經過多方面和層次的發展，逐漸趨于框架簡單化、參數易控制化等方向，在當代的控制策略中屬于柔性較高的算法，在工業和工程控制中具備較高的應用率[5]。在車載無刷直流電動機的PID控制策略中，其控制流程如圖2所示?？梢钥闯?，整個PID控制的主要內容要求明確目標參數值和被采集數值之間的差值。根據PID 控制的工作原理，可得出不同環節的控制方法。

（1）比例環節。比例控制環節主要用于調整目標參數值和被采集數值之間的偏差。當控制系統通過反饋得出偏差數值時，在比例環節控制下，能夠增加或減小輸出。

（2）積分環節。積分環節主要用于靜態誤差的消除。在實際控制過程中，可通過積分作用大小的調節，最終實現靜態誤差強弱的控制。

（3）微分環節。微分環節的控制效果主要體現在誤差范圍的調整，這對于偏差的修正有著重要的作用，也是促進控制器快速工作的基本環節。在PID控制中，只有合理地選用各個環節才能獲取最佳的控制效果。這不但利于電機控制精度，還能確?？刂菩省?/p>

圖2 PID控制原理

2.2 溫度傳感器轉速控制

車載無刷直流電機的重要輸出端為水泵，實現空調溫度的調節。在不同的戶外溫度條件下，采用合理的控制策略實現電機的高效控制是節能降耗的重要手段[6]。汽車在不同的行駛狀態，車載無刷直流電動機所處的工作條件顯著不同。因此，車內水泵的負載也需要隨著電動機的控制而發生變化。比如，當水泵處于持續的高負荷運行條件時，若電機轉速匹配不合理，將導致電機浪費大量的機械能。電機轉速的合理調節不但有利于車內溫度的快速調節，同時也有利于水泵負載的合理運用，以便達到節能降耗的目的。為此，可采用溫度傳感器對轉速進行反饋控制。

若溫度傳感器檢測到車內水泵的溫度較高時（超過50 ℃），此時的水泵需要提升其功率狀態，否則難以滿足功能需求。因此，可將水泵的轉速提升至4 000 r/min。這樣一來，能夠有效地確?？照{系統內的換熱器件穩定運行。為實現節能減排的目的，可根據溫度傳感器實時調節轉速。如當水溫開始下降，低于45 ℃時，可將水泵電機轉速降至3 000 r/min。通過溫度的反饋控制，能夠在滿足空調系統正常工作的條件下，大大減少機械能的浪費。根據工程實踐可知，基于溫度控制轉速的方法，存在溫度的回滯現象。如圖3所示，當溫度檢測在42～44 ℃時，水泵的負載有一個相對明顯的突變。因此，在轉速調節時，需要考慮該回滯現象，即轉速的控制需要存在一定的延遲，否則控制效果會不顯著。

圖3 溫度回滯特性圖

圖4 脈沖寬度調節原理

2.3 占空比轉速控制

占空比轉速控制主要基于PWM 的調節而實現。PWM 為脈沖寬度調制，其工作原理為通過中央處理器的數字化控制手段完成電子電路導通和斷開的控制[7]。在該控制策略條件下，便于根據輸入波形的占空比來實現電動機轉速的控制。從本質上講，占空比調節的主要目的為電機輸入波形的寬度控制，其控制原理如圖4所示。

脈沖寬度調制可通過脈沖極性差異性進行分類，主要包括單極性、雙極性等。兩者之間具有顯著的差別，特別是倒向電路的調整，雙極性模式可直接對三角波形進行調制。車載無刷直流電動機的PWM 控制易于實現，可通過電控系統的設計實現各個電子器件的數字信號控制。在占空比控制條件下，輸入脈沖信號的寬度能夠約束對應的電樞電壓，通過電壓大小的調節，進而實現電機轉速的控制。該控制策略具有特定的優勢，比如，車載電機在不同的運行條件下，水泵的轉速可保持穩定。由于占空比轉速控制易于實現，靈活性非常高，在很多新能源汽車上有著廣泛的應用。

3 結束語

車載無刷直流電動機在PID控制條件下，其啟動穩定，電機轉子磁勢相對對齊的時間為100 ms，通過開放性速度調節，可使得電機快速完成啟動，零點反電動勢檢測的可靠性良好。基于溫度傳感器和占空比控制的轉速調節，在節能降耗方面均有著良好的控制效果。車載無刷直流電機在合理的控制策略下，不但能夠有效地保護電機自身的電子器件，避免電流超載，同時能夠實現速度的準確、合理調節。