基于無傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的節(jié)流控制方法

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0150-03

AThrottle Control Method Based on Transducorless BrushlessDCMotor

WANGAixian1，PengYan2，WangSen3 （1.Research Institute of Technology，Jiangsu Chaoli Electric Appliances Co.，Ltd.，Danyang 212321，China; 2.Jingjiang College，Jiangsu University，Zhenjiang212O18，China; 3.Sinomach Automobile Co.，Ltd.，Beijing 100190，China）

【Abstract】Traditional brushless DC motor control methods usualy require the use of sensors to measure the rotor positionand speedof the motor.However，theuseofthesensors increases thecomplexityandcostof thesystem.Based onthis，this paper proposes athrotle control method basedon transducerbrushless DC motoris proposed，sothat the motorcan achieve accurate throtle control without thesensor.This method is basedon thein-Fand current information of themotortoitsderipositionand modeling.First，themotoriscalculatedusingthecurent information.Then，therotor positionofthemotor isestimatedbythewaveformcharacteristicsand thecurrentinformation.Finally，therotorspeedof themotorisobtainedbydistinguishingtheestimatedvalueoftherotorposition.Basedontheobtainedrotorpositionand speed information，the throttling control of the motor can be achieved.

【Key words】 no sensor;brushless DC motor;throttling control

0 引言

從提高車輛操縱的穩(wěn)定性及改善車輛加速時(shí)的體感等要求出發(fā)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率自由地進(jìn)行控制，節(jié)流裝置就是一種向發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)吸入空氣量的控制裝置。在實(shí)現(xiàn)這種控制方式的手段中，最有效的方法就是采用導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電子節(jié)流器。

電子節(jié)流裝置的驅(qū)動(dòng)源采用了無刷直流電動(dòng)機(jī)。汽車中通常使用的節(jié)流閥與駕駛室內(nèi)的加速踏板和加速器索鏈形成了機(jī)械上的連接，踏下加速踏板時(shí)，由于這種機(jī)械上的連接而使節(jié)流閥動(dòng)作。與機(jī)械節(jié)流裝置不同，電子節(jié)流裝置廢棄了上述的加速器索鏈2，采用導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)技術(shù)來控制節(jié)流閥，即把加速踏板的操作量變換成電量并進(jìn)行檢測，然后由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥動(dòng)作。如此，駕駛員在進(jìn)行加速踏板操作時(shí)，可以獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的自由控制[3]。

1電子節(jié)流系統(tǒng)的構(gòu)成

電子節(jié)流系統(tǒng)設(shè)置了用于檢測駕駛員加速踏板操作量（變換成電信號(hào)）的加速踏板位置傳感器（AcceleratorPedalPositionSensor，APS），根據(jù)APS信號(hào)及其他控制信號(hào)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等）計(jì)算出節(jié)流閥的目標(biāo)開度值，作為節(jié)流控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的給定信號(hào)，用節(jié)流調(diào)節(jié)器信號(hào)檢測出實(shí)際節(jié)流開度4，構(gòu)成了反饋控制的節(jié)流控制器。最后根據(jù)節(jié)流控制器輸出的電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥，把節(jié)流閥的開度位置變換成電量并進(jìn)行檢測的元件稱為節(jié)氣門位置傳感器（ThrottlePositionSensor，TPS）。電子節(jié)流系統(tǒng)構(gòu)成的簡要框圖如圖1所示。

2節(jié)流閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

節(jié)流閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。節(jié)流閥控制器采用了三相電壓型PWM變頻器，對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相線圈電流按正弦波形進(jìn)行控制。三相電壓型PWM變頻器依靠三相PWM控制信號(hào)把直流電壓變成三相正弦波交流電壓，為電動(dòng)機(jī)的三相（U相、V相、W相）線圈供電。電動(dòng)機(jī)的三相線圈中流過與各相電壓成比例的電流，產(chǎn)生與電流值成比例的轉(zhuǎn)矩，并通過減速齒輪傳遞到節(jié)流軸，與在節(jié)流軸上配置的返回環(huán)路的附加力矩相平衡，來驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥，使之處于一個(gè)平衡位置。

3無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制

圖3為無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖。將來自發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的節(jié)流目標(biāo)開度信號(hào)和由TPS輸出的實(shí)際開度信號(hào)送人節(jié)流控制器，由于需要進(jìn)行實(shí)際開度跟蹤目標(biāo)開度值的控制，可根據(jù)位置反饋控制運(yùn)算，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)控制Duty（與電動(dòng)機(jī)電流成比例關(guān)系）的值。另外，還需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)值、TPS輸出信號(hào)及電動(dòng)機(jī)相位角初值等，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的相位角。再根據(jù)上述電動(dòng)機(jī)控制Duty值和電動(dòng)機(jī)相位角計(jì)算出三相電壓控制Duty值。

3.1電動(dòng)機(jī)控制Duty值計(jì)算

電動(dòng)機(jī)控制Duty（電流）值可以根據(jù)節(jié)流開度的位置反饋控制計(jì)算式算出。若節(jié)流目標(biāo)開度為 V₀ 節(jié)流實(shí)際開度為 V_r ，則由式（1）算出開度偏差 V_er

V_er=V₀-V_r

按式（2）對(duì)開度偏差信號(hào) V_er 作PID控制運(yùn)算，就可以算出與電動(dòng)機(jī)控制電流成比例關(guān)系的電動(dòng)機(jī)控制 Duty 值 （D_m） 。

式中： K_p. ——比例增益; K_i ——積分增益； K_d 微分增益。

3.2轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)

這里采用的無刷直流電動(dòng)機(jī)不使用檢測轉(zhuǎn)子位置的專用傳感器（磁電傳感器或光電編碼器等），而是采用了檢測節(jié)流開度的TPS來檢測磁極位置并計(jì)算出電動(dòng)機(jī)相位角的方式。為了使轉(zhuǎn)子磁極位置與TPS的輸出信號(hào)之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)、鑰匙、開關(guān)OFF時(shí)，令無刷直流電動(dòng)機(jī)按表1所示的通電狀態(tài) ①② ： 依次通電驅(qū)動(dòng)，則節(jié)流閥將從全閉位置到全開位置依次動(dòng)作。定子線圈位置和由幾何學(xué)的位置關(guān)系所決定的轉(zhuǎn)子磁極位置由TPS的輸出信號(hào)檢測[5，并與各通電狀態(tài)相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，還要以第一步動(dòng)作位置的電動(dòng)機(jī)相位角作為初始相位角進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖4為三相4極無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置的學(xué)習(xí)動(dòng)作。當(dāng)通電狀態(tài)從 ② 切換到 ③ 時(shí)，轉(zhuǎn)子向節(jié)流全開方向轉(zhuǎn)過 x/6rad ；當(dāng)通電狀態(tài)從 ② 切換到 ① 時(shí)，轉(zhuǎn)子向節(jié)流全閉方向動(dòng)作。

3.3電動(dòng)機(jī)相位角計(jì)算

根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)值、電動(dòng)機(jī)相位角初值及TPS的輸出電壓，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的相位角 θ_m （rad），如式（3）所示。這里的電動(dòng)機(jī)位角是一個(gè)機(jī)械角度。

θ_m=θ_m0+

{（V_TPS-V_MPLN（i））/[V_MPLN（i+1）-V_MPLN（i）]+i}xπ/6

式中： V_MPLN（i） ， i=0～n-1） —轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)值，這是以電動(dòng)機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置作為TPS輸出值的學(xué)習(xí)值； θ_m0 ——電動(dòng)機(jī)相位角初始值，rad，這是以第一步動(dòng)作位置時(shí)電動(dòng)機(jī)相位角作為初始相位的學(xué)習(xí)值； V_TPS ——電動(dòng)機(jī)相位角計(jì)算用TPS輸出電壓，V，這是電動(dòng)機(jī)相位角計(jì)算時(shí)使用的TPS輸出電壓的A/D值。電動(dòng)機(jī)相位角與轉(zhuǎn)子磁極位置學(xué)習(xí)值的關(guān)系如圖5所示。

3.4 電動(dòng)機(jī)相位控制

3.4.1 各相磁通計(jì)算（CW基準(zhǔn)）

將上述電動(dòng)機(jī)的相位角（機(jī)械角度）變換成電角度來計(jì)算各相的相位角，并對(duì)各相的磁通進(jìn)行控制。通過式（4）＼～式（6）進(jìn)行各相磁通的計(jì)算，此處各相磁通使用無量綱的相對(duì)值來表示。磁通的大小可由通過位置反饋控制運(yùn)算所求得的電動(dòng)機(jī)控制占空比 D_m 來確定。

Φ_v=sin（θ_E+π/2-2π/3）

Φ_w=sin（θ_E+π/2+2π/3）

轉(zhuǎn)子磁通波形 Φ_R 與各相磁通波形的關(guān)系如圖6所示。

3.4.2 三相電壓控制占空比的計(jì)算

為了產(chǎn)生如圖6所示的各相磁通，可根據(jù)各相磁通 （φ_U，φ_v，φ_w） 及在位置反饋控制運(yùn)算時(shí)求得的電動(dòng)機(jī)控制占空比，通過以下各式計(jì)算三相電壓控制占空比U、V、 W .

ΔU=0.5+0.5X（ΔD_Ω）Xφ_u

V=0.5+0.5X（D_m）Xφ_v

W=0.5+0.5X（D_m）Xφ_w

采用以上方法，可以把無霍爾傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于汽車的電子節(jié)流裝置。未來，電子節(jié)流裝置在汽車中的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大，電子節(jié)流技術(shù)將向著體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化以及低成本和采用非接觸式傳感器等方面進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。

4結(jié)論

本方法基于電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢和電流信息，通過推導(dǎo)和建模來估計(jì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度。能夠在無傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的節(jié)流控制。與傳統(tǒng)的傳感器控制方法相比，該方法具有簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本和提高可靠性的優(yōu)勢。具有潛在的應(yīng)用前景。

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（編輯楊凱麟）