某车用无刷无感直流电动水泵控制系统设计

车用电动水泵作为汽车内冷却液循环系统重要的动力装置，要求泵内电机的运行可靠、稳定。无刷无感直流电机构造简单、成本低廉，且其控制方法日益成熟、稳定可靠，其应用越来越广。目前常见的无刷无感直流电机控制系统通过电阻、电容等分立元件对定子绕组反电动势进行处理，然后经A/D芯片进行过零检测，或者直接通过由运算放大器和电阻等元件构成的硬件比较电路进行反电动势的过零检测感知转子位置，而后由MCU或者ECU给出换向PWM信号，经相关元器件隔离后通过驱动IC给出相关电子开关管的控制信号，以实现对定子绕组的正确换流控制。但控制系统里转子位置的检测、PWM信号的产生、电子开关管的驱动等功能均通过大量的分立元件实现，不仅使控制系统复杂化，容易引起误差，而且增加了控制系统的故障率，降低了系统的稳定性和可靠性，给水泵的正常运行带来隐患。文中以符合车用标准AEQ的单片机S9S08DV16F1MLC和专用集成控制IC A4962为核心设计开发了无刷无感直流电机控制系统，简单可靠，弥补了传统控制系统的缺陷。

1 总体方案设计

以额定电压12 V、额定功率60 W、额定转速6 400 r·min-1的某车用水泵为控制对象，要求能与整车控制器进行CAN通信，运行转速误差不大于±20 r·min-1，为满足该设计要求，以单片机S9S08DV16F1MLC为MCU，通过其内部集成的A/D外设采集电机母线电压、电流，并接收由控制驱动IC A4962输出的转速脉冲信号（SPD）和故障信号（FAULTn），同时根据转速要求向A4962输出一定占空比的脉宽调制信号（PWM），A4962直接感知电机定子绕组反电动势，并根据选择的控制模式和PWM信号占空比向功率桥提供开关管驱动信号，从而驱动电机运转。此外单片机内部集成的CAN总线控制外设可将电机的运行参数如电机转速、母线电压、电流及故障代码通过CAN总线传送给汽车总控制器，并接收电机转速指令，实现数据通讯控制功能。总体方案如图1所示，其中虚线部分只在开发调试中使用。

  

图1 控制系统设计方案

2 硬件设计

2.1 主要控制芯片简介

S9S08DV16F1MLC是由飞思卡尔半导体公司生产的车用小封装单片机，运行温度为-40～125℃，符合汽车电子AEQ标准，电源电压范围较宽（2.7～5.5 V），内部集成16 k Flash和2 k RAM，CPU运行频率高达40 MHz，还包含10路12位A/D转换、4个16位定时器和1个CAN总线控制外设，具有LQFP32的小封装尺寸，当电源电压为5 V时，单引脚输出电流最大为10 mA，运行功耗低至15 mW。其性能完全满足系统要求，且性价比较高。

A4962是由Allegro MicroSystems公司生产的汽车级三相无刷无感直流电动机控制驱动器，运行温度为-40～125℃，符合汽车电子AEQ标准，电源电压范围为4.2～50 V，控制电机转速范围广（0～30 000 r·min-1），内部集成了电机绕组反电动势检测、电机驱动与保护、故障诊断、转速检测输出等功能，其外电路仅需提供一定占空比的PWM即可，同时其具有多种控制模式，用户可通过上位机串行控制GUI根据控制要求选择控制模式、编辑控制参数，因此功能集成度高，使用方便。

2.2 电机控制驱动电路设计

  

图2 电机控制驱动电路图

根据上述功能分析，该部分电路如图2所示，即由单片机提供PWM信号、驱动控制器检测到PWM信号后，通过分析其占空比和内部各控制参数，结合其检测到的转子位置向功率桥输出电子开关驱动信号，从而使电机定子换向，驱动电机旋转，同时实时输出转速方波信号SPDOUT和故障电平信号，用于单片机测速和元器件保护电子开关管。由于电机额定电压为12 V、额定电流约为5 A，故电子开关选用东芝公司生产的NMOS管TK80S04K3L和PMOS管TJ80S04M3L。

式中：n为电机转速；f为电机转速脉冲信号频率；p为电机极对数。

范式是理论的灵魂，理论是实践的指针。只要实践在变，理论就得变，只要理论在不断创新，范式就得不断转换。思想政治教育话语范式转换的实质就是思想政治教育哲学观点、理论体系和总体方法等方面的整体性变革，即思想政治教育哲学的重构。需要指出的是，范式的转变绝不仅仅是一个概念或者是一系列范畴的转变问题，而是一种方法论意义上的转变，是整个思维模式的变革，它是整体的，而非局部的。不同的范式之间拥有不同的前提假设、概念体系、理论方法和社会背景。因此，范式的转换是哲学观点、理论体系和总体方法的整体性的革命过程。

2.3 信号检测电路设计

电机的检测信号主要有母线电压、母线电流、转子转速和故障信号，信号检测电路如图3所示。其中故障信号可直接由A4962输出给单片机，而转子转速可将A4962输出的转速方波信号经电阻上拉后供给单片机，单片机通过检测其频率即可得到当前电机转速，当A4962通过控制参数选择SPD端输出磁场频率FG方波信号时，电机转速与该信号频率间的关系为

软件设计包括A4962内部控制参数的设定和单片机程序的编写。

注：1Torr是指“将细直管内的水银顶高一毫米之压力”，而标准大气压力可以将水银升高760 mm，故此将1Torr定为标准大气压力的1/760倍。

 

设计阶段是项目建设成本控制的关键和重点。设计质量的优劣直接影响项目建设产生的费用和施工工期的成本，直接决定人力、物力、财力的投入，因此，甲方在本阶段管理中，要特别注意初步设计和概算编制。通过初步设计和概算编制将立项批复中的内容具体化和明确化，使其成为下一阶段项目实施的具体指导性依据。

  

图3 电机信号检测电路图

学校的作息时间与农业生产相匹配，也分为一天三节，每周上6天课。因为没有统筹，许某上一天课就算一天工，周日不出工就没有工分。生产队开始只给他评了三级工——9分，因为“我们还是后生，做不了多少，体力没有多少，一级一般要担得100多斤，我们一般是三级，四、五级一般是老人或者是妇女。如果一个月有四个星期日你没参加生产劳动，就少了36分。”(XJA170325)可见教师与社员一样，对工分都是非常重视的。

 

式中：UVout为电机母线电压经检测电路处理后对应的电压值；UMP为电机母线电压；UIout为电机母线电流经检测电路处理后对应的电压值；I为电机母线电流。

电机的母线电压检测需经过分压、滤波、光耦隔离、运放隔离和二极管钳位等过程处理后，送入单片机内进行A/D转换和数据处理计算，为保证检测精度，设计了以高精度线性光耦HCNR200和集成运放LM358为核心的模拟处理电路。对于电机电流的检测，首先需通过图2中的取样电阻R29和R30，使用2个低阻值大功率并联电阻一方面是为减小因取样电阻引起的电压降，另一方面是增大取样电阻的额定功率，防止因过流而导致取样电阻发热、烧毁，将其转换为电压信号，经放大后再采用类似电压检测法进行处理，最后将该电压值除以取样电阻值即可得到电机母线电流值。根据信号检测电路中各器件的电气特性，可得：

参数设定通过专用的上位机图形化编辑界面经TTL RS232—USB接口根据控制要求进行相关寄存器参数的设置，并实时观测当前电机的运行状态和故障信息，当调试完成后，相关控制参数会自动写入A4962内部，并永久保存。根据控制要求，系统对电机转速的控制精度不高（±20 r·min-1），且负荷波动较小，同时考虑到单片机输出的PWM信号频率和功率桥的驱动频率，因此控制模式可选择间接开环速度控制，其由单片机提供一个低频（5～1 000 Hz）PWM信号，A4962先通过内部电路检测其占空比，而后向功率桥输出6路相同占空比的可编辑高频（14.4～50 kHz）功率管驱动信号，从而驱动电机以正比于占空比的转速运行。编辑界面如图5所示。

2.4 软启动电路设计

单片机软件编程基于片内资源和系统功能控制要求，需要完成PWM信号生成、转速信号测量、电机母线电压、电流检测、故障处理、CAN总线通信等功能。主程序流程如图6所示，即系统上电后，先对单片机内部外设、I/O口、各中断、PWM占空比等进行初始化，并由定时器外设输出一定频率和较低占空比的PWM信号至A4962,完成电机的起动控制。由于在A4962的间接开环控制模式下，电机转速与PWM信号的占空比成正比，即

  

图4 软启动电路图

3 软件设计

由于煤燃烧产生的污染物主要是二氧化硫和一氧化碳，所以在此选择二氧化硫为计算对象，煤炭中硫可分为两部分，一部分叫做可燃性硫，它燃烧之后会释放出二氧化硫，另一部分是不可燃性硫，顾名思义不可以燃烧直接归为灰尘。根据相关化学方程式，可以得到以下关系：

电路设计中，工作时MOS功率管会有明显的发热现象，为了防止电路板局部过热而烧毁相关器件或影响其工作性能，在设计PCB板时应尽量增大其散热面积，并在相应位置处加装散热片，提高其散热性能。此外，为保证整个控制系统的可靠性，在硬件选型时所有使用的元器件都必须符合汽车级标准AEQ。

  

图5 A4962控制参数编辑界面

电机起动时转速很低，定子绕组的反电动势很低或为零，无法感知转子位置。通常对定子某相绕组施加强励磁，然后根据检测到的反电动势过零点换流，直到转子旋转，因此母线起动电流较大。为防止定子过流，一方面可增大起动时功率桥的换流频率，另一方面可减小母线的起动电压，但换流频率受A4962内部控制参数的控制，当其通过PC写入设定后无法在线改变，因此主要通过降低电机起动时的母线电压来降低起动电流。为此，一方面在电机起动时通过单片机软件控制输出较小占空比的PWM波，从而在一个周期内使电子开关管的导通时间较小，以降低母线电压；另一方面通过软启动硬件电路减小电机起动电压，如图4所示，主要通过电容的充电特性延缓母线电压MP的上升，即在上电初始阶段，电源VCC对电容C15、C16充电，从而使MOS管的源极与栅极之间的电压差逐渐增大，最终使电机母线电压MP由0 V逐渐增大。由于所选MOS管TJ80S04M3L通态电阻非常小（约为5.2 mΩ），母线电压MP最终基本接近电源电压VCC（相差约26 mV），保证起动时母线电流逐渐增大至额定电流，这样不会使电机电流突变过流，同时降低其对其他电子设备的电磁干扰。

  

图6 主程序流程图

 

式中：n为电机设定转速；nmax为电机最大转速；D为外部控制电路输出给A4962的PWM信号占空比。

当CAN外设接收到新的转速指令时，单片机只需在程序中更新其对应的占空比即可。此外在定时中断中需不断检测电机转速、母线电压、电流等信号，最后将相关信号数据通过CAN总线发送至汽车主控制器。电机故障处理程序如图7所示，由于A4962能对电机的启动失败、失压、短路、过载及电磁异步等故障进行检测，并能对故障的类型进行有效性的判断，当有严重故障发生时通过故障端口FAULTn输出低电平，因此单片机只需通过外部中断接口接收到故障电平后，立即将PWM信号的占空比设置为0，停止电机运转，保护功率管，并设置相关的故障代码，随信号数据一起通过CAN总线发送至汽车主控制器。

  

图7 故障处理程序流程图

信号检测中母线电流是一个脉动信号，故除了采用单片机内部12位高精度A/D外，还采用了FIR数字低通滤波器进行数据处理，以进一步增大其检测精度，并将其作为判断电机运行正常与否的一个附加条件，即当电机运行出现故障，其控制驱动器A4962由于某种原因没能及时输出故障电平时，单片机可根据检测到的电机母线电流值超限判定电机的故障状态，迅速将输出的PWM信号占空比设置为0，进一步保证电机及相关器件的安全。

叮咬大亨 狮鬃水母看起来软绵绵的，它既没有很强的攻击性，也没法快速逃生。然而，它触手上的毒刺会带来令人瘫痪的剧痛，这让它成为海洋中最令人不寒而栗的生物之一。

4 电气测试

将系统上电，水泵接额定负载时，通过PC机的CAN总线调试助手和电调专用测试仪进行实际电气测试。电机在上电后起动过程中电压、电流、转速的变化趋势（初始化转速为6 400 r·min-1）如图8所示。当电机设定转速改变（由6 400 r·min-1变为5 000 r·min-1）时的转速变化曲线及电机堵转时电机母线电流的变化曲线分别如图9～10所示。

由测试结果可知：当控制系统上电后约2.5 s内即能达到稳定状态，且起动过程中电流基本无突变过程；当改变设定转速20 ms内能再次达到新的稳定状态，且转速基本稳定在4 990～5 010 r·min-1之前，误差完全满足±20 r·min-1的要求；当电机发生堵转时，控制系统能迅速动作，并在5 ms的时间内将电机的母线电流降至0 A，可较好地保护电机和相关电气元件，因此该控制系统的各项电气参数具有较好的静态特性和动态特性。此外，该系统通过了7×24 h的可靠性测试，完全满足车用水泵的电气控制要求。

  

图8 电机上电起动曲线

  

图9 改变设定转速时实际变化曲线

  

图10 电机堵转时母线电流曲线

5 结束语

针对无刷无感直流电机的结构特点、控制原理，结合目前控制系统的缺陷，采用高性价比的飞思卡尔单片机S9S08DV16F1MLC和功能集成度较高的控制驱动器A4962设计了符合车用无刷无感直流电动水泵要求的控制系统，包括硬件电路和各部分控制软件。实际电气测试表明：该设计系统的静态和动态特性均满足控制要求，具有较高的实用和推广价值。

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