CN108233786A - 电动水泵的无刷直流电机驱动控制方法和*** - Google Patents

电动水泵的无刷直流电机驱动控制方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种控制电动水泵的无刷直流电机的驱动的方法和***。该方法包括使用在缠绕在定子上的三相线圈中检测到的电流的量估计转子的初始位置；基于三相电流将反映所述转子相对于所述初始位置的旋转角度的电流量转换成两个直流电流。所转换的直流电流被输出，并且基于三相电流、由三相电流的流动而生成的电压、预定线圈阻抗以及电感输入的值获得转子的旋转角度、转速、磁通以及扭矩。然后基于所获得的转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩来调节电机的转速。

Description

电动水泵的无刷直流电机驱动控制方法和***
技术领域
本发明涉及一种电动水泵的无刷直流(BLDC)电机驱动控制方法和***，更特别地，涉及一种用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法。
背景技术
通常，设置在汽车发动机中的冷却***允许发动机的工作温度在整个工作范围内保持恒定。该***防止由约2500℃的高温热量所引起的包括气缸体、总管以及发动机的活塞的主要部件劣化，该约2500℃的高温是混合器的燃烧过程中生成的最高温度。
发动机的冷却***包括向发动机水套泵送由散热器冷却的冷却水的水泵。水泵被大致划分为机械式水泵和电动水泵。通常，电动水泵用于优化对发动机冷却的控制、减少发动机负载并提高车辆的燃料效率，同时简化发动机周边的结构。
特别地，电动水泵传递来自电机的叶轮的旋转动力。电动水泵包括引入口，通过该引入口引入冷却水；排出口，通过该排出口排出冷却水、叶轮壳体，具有可旋转地设置在内部的叶轮以泵送冷却水，以及电机壳体，其联接至叶轮壳体的下部并且具有设置在电机壳体内的电机以使叶轮旋转。特别地，DC电机或BLDC电机被用作电机。DC电机具有比BLDC电机更大的尺寸，并且需要单独的密封或旁路管路以防止冷却水渗透。因此，主要使用紧凑且尺寸优化的BLDC电机。
但是，为了利用BLDC电机，需要霍尔传感器来检测在高速下旋转的转子的位置。特别地，需要称为霍尔传感器的单独硬件部件，从而导致材料成本的增加，并可能导致潜在的质量问题。
本部分公开的上述信息仅仅是为了增强对本公开背景的理解，因此其中可能包含不构成本国本领域普通技术人员已知的相关技术的信息。
发明内容
本公开提供一种电动水泵的无刷直流(BLDC)电机驱动控制方法和***，其被配置成通过使用电机被驱动时生成的所有三相而可转换的电压、电流、电机和线圈阻抗以及电感输入的值来获得磁通、角度、转速和扭矩的值，并且可将所获得的值用于电动水泵驱动控制。因此，可实现无传感器驱动，同时可通过省去霍尔传感器来实现成本降低。
在示例性实施例中，本公开提供一种用于控制电动水泵的无刷直流(BLDC)电机的驱动的方法，该方法可以包括通过控制器基于在缠绕在定子上的三相线圈中检测到的电流的量估计转子的初始位置；通过控制器基于三相电流将反映转子相对于初始位置的旋转角度的电流量转换成两个直流电流并通过控制器输出所转换的直流电流；通过控制器基于三相电流、由三相电流的流动生成的电压、预定线圈阻抗以及电感输入的值获得转子的旋转角度、转速、磁通以及扭矩。此外，可以基于获得的转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩来调节电机的转速。
在示例性实施例中，方法可以进一步包括通过控制器将基于转子的当前旋转角度而获得的转子的转速、磁通以及扭矩与基于转子的旋转角度的变化的预定转速、磁通以及扭矩进行比较。在另一示例性实施例中，转换可以包括将三相电流转换成在定子的三相线圈中生成的电流的量以及在转子的磁体中生成的电流的量并且输出该量。
在又一个示例性实施例中，上述获得可以包括基于转子的当前旋转角相对于初始位置的调节来获得转子的转速。在示例性实施例中，上述获得可以进一步包括将基于三相电流的流动生成的电压与转子的转速相加并获得转子的磁通。在又一个示例性实施例中，上述获得可以进一步包括基于转子的旋转角度和转子的转速来获得转子的扭矩。
附图说明
通过下文结合附图的详细描述，本公开的以上和其它特征将变得更加显而易见，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的示例性实施例；
图2是根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的控制逻辑的示例性实施例；
图3是用于不带有传统霍尔传感器的电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的控制逻辑的示例性实施例；以及
图4是根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的精确控制的示例性实施例。
应当理解的是，附图呈现了说明本公开的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示，而不一定按比例绘制。本文所公开的包括例如具体尺寸、取向、位置和形状的本公开具体设计特征将部分由特定的预期应用和使用环境来确定。在附图中，附图标记在整个附图的多个附图中指代本公开的相同或等同部分。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施例，以允许本领域技术人员容易地实践本公开。参照结合附图的实施例的以下详细描述，将清楚地理解本公开的优点和特征以及实现该优点和特征的方法。
然而，本公开不限于本文公开的示例性实施例，而是可以以各种不同的形式来实施。仅给出示例性实施例以使得本公开的公开内容完整并且向本领域的技术人员完整地说明本公开的范围，并且本公开应当由权利要求的范围来限定。另外，在本公开的描述中，当判断相关的已知技术等的详细描述会使得本公开的主题不清楚时，其将被省略。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。除非上下文另有明确指示，如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。例如，为了使本公开的描述清楚，没有示出不相关的部分，并且为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。此外，当陈述层在另一层或衬底“上”时，所述层可以直接在另一层或衬底上或者可以在其间设置第三层。
此外，本公开的控制逻辑可以被实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在网络连接的计算机***中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)以分布式方式被存储和执行。
理解的是，如本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用车，包括各种小船和大船的船舶，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料(例如，源自除石油以外的资源的燃料)车辆。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，汽油和电动双动力车辆。
图1示出根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的示例性BLDC电机驱动控制方法。图2示出根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的控制逻辑。图3示出用于不带有传统霍尔传感器的电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的控制逻辑。图4示出根据本公开的示例性实施例的用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法的示例性精确控制。
在下文中，将参照图1和图2按顺序描述用于电动水泵的BLDC电机驱动控制方法。可以基于在缠绕在定子上的三相线圈中检测到的电流的量来估计转子的初始位置(S100)。通常，为了估计转子的位置，分压器可被配置成分配基于流入三相BLDC电机的u相线圈、v相线圈和w相线圈的三相电流生成的反电动势，模数转换器可以被配置成将由分压器分配的各个反电动势转换成数字电压，而数字低通滤波器可以被配置成对模数转换器的输出电压进行数字积分。此外，相位延迟补偿器可以被配置成补偿数字低通滤波器的输出信号相位，使得相位正好延迟90°，并且比较器可以被配置成将补偿器的输出电压与接地电压进行比较并输出三相BLDC电机转子的位置估计信号。
在下文中，将基于如上配置的转子位置估计设备来描述转子的初始位置的估计过程。首先，可以基于开关控制信号选择性地接通和断开逆变器单元的开关元件以输出三相电流。输出的三相电流可以施加到缠绕在三相BLDC电机的定子上的u相线圈、v相线圈和w相线圈，该三相BLDC电机被配置成使转子旋转。另外，当三相电流流经u相线圈、v相线圈和w相线圈时，可生成反电动势。生成的反电动势可以通过分压器分配，然后通过模数转换器转换成数字反电动势。例如，从模数转换器输出的反电动势可以在数字低通滤波器中被积分以将相位延迟小于90°，并且数字低通滤波器的输出电压的相位延迟可以通过相位延迟补偿器补偿以将相位延迟90°。
最后，通过数字低通滤波器和相位延迟补偿器将相位延迟90°的积分反电动势被输入到比较器，并可以与接地电位进行比较以检测零交叉。零交叉可以作为三相BLDC电机的转子位置估计信号输出。因此，可以估计转子的初始位置。当如上所述输出转子的初始位置时，使用三相电流输出的三相交流波形的输出信号可以被转换成两个直流电流并被输出(S200)。
换言之，定子的三相线圈中生成的电流的量以及转子的磁体中生成的电流的量可以通过控制器被转换成基于三相电流的DC波形的输出信号。因此，通过识别相对于转子的初始位置的位置信息，可以输出反映转子的旋转角度的电流量。
在示例性实施例中，可以基于通过如上所述对三相电流/电压执行Clark变换生成的三相交流(AC)波形的输出信号来确定相对于转子的初始位置的位置信息。然而，在现有技术中，当如图3所示霍尔传感器被省去时，三相中的两相被激励，然后在驱动电机时未被激励的一相的反电势电压可被识别。然后，通过计算估算剩余两相的位置信息来识别关于转子的位置信息。例如，在相关技术的常规控制逻辑中，通过对w相加120°来检测v相，并且通过从w相减120°来检测u相。因此，可以通过计算这两相的位置信息来估计和识别关于转子的位置信息。
然而，在传统的控制方法中，由于在驱动三相BLDC电机时，其中两相被激励，所以效率会被降低并且扭矩波动和振动噪声特性可能被劣化。因此，在该示例性实施例中，激励三相以解决上述传统问题。
此外，基于三相电流、由三相电流的流动生成的电压、预定线圈阻抗和电感输入的值来获得转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩(S300)。特别地，三相电流和电压是基于对转子角度值的调节而测量的值。线圈阻抗和电感输入的值根据电机的规格被固定为预定值。
例如，在通过三相电流和电压、线圈电阻和电感输入的值来获得转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩中，可以通过表示电流量的DC波形的输出信号基于转子的旋转角度相对于初始位置的变化即转子的旋转角度获得转子的RPM，其中电流量反映如图2所示对电流-电压的Park变换。然后，转子的磁通可以通过将获得的转速与根据三相电流的流动生成的电压相加来计算，该电压是当电机旋转时可能生成的电压分量。此外，转子的扭矩可以基于如上所述所获得的转子的旋转角度和转子的转速来获得，并且随着转子的转速的变化而变化。
因此，当转子的旋转角度变化时，反映转子角度的电流量和电压也可变化，因此转子的转速、磁通和扭矩变化。换言之，利用通过对转子的旋转角度的调节而获得的转子的转速、磁通和扭矩，控制器(例如，PI控制器、反向Park变换或空间向量调制(SVM))可以调节电机的转速(S400)。因此，可以执行高效的无传感器驱动。因此，在该示例性实施例中，因为转子的旋转角度、转速、磁磁通和扭矩通过调用三相电流和电压、线圈电阻和电感输入值被计算，并被用于调节转子的转速，所以可以省去通常已被采用的霍尔传感器，从而可以降低成本。
在示例性实施例中，如图4所示，根据转子的旋转角度的变化的预定转速、磁通和扭矩可以与基于在上述步骤S300中获得的转子的当前旋转角度的转速、磁通和扭矩进行比较(S500)。基于对转子旋转角度的调节的预定转速、磁通和扭矩可以作为数据被存储在控制器中。通过将该数据与根据转子的当前旋转角度的转速、磁通和扭矩进行比较，可以检测在驱动电机期间出现的问题。换言之，当根据转子的当前旋转角度的磁通大于预定值时，电机旋转时生成的电压可能增加并引起电机过载。因此，可以如上所述执行与预定值的比较，以根据电机的驱动实现精确控制。因此，可以有效地识别电机的异常，并且可以消除电机的潜在质量问题。
本公开提供一种用于电动水泵的无刷直流电机(BLDC)驱动控制方法，其通过电压、电流、电机线圈阻抗来获得磁通、角度、转速和扭矩的值。电感输入值可以基于当电机被驱动时产生的三相被转换，并且可以利用所获得的值以用于电动水泵驱动控制。因此，可以实现无传感器驱动，同时可以通过省去霍尔传感器来降低成本。另外，由于本公开可以通过比较磁通、角度、转速和扭矩的值与预定参考值来有效地检测电机异常，因此可以消除电机的潜在质量问题。
已经参照其示例性实施例详细描述了本公开。然而，本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下可以对这些示例性实施例进行改变，本公开的范围在权利要求及其等同方案中限定。

Claims (12)

1.一种用于控制电动水泵的无刷直流，即BLDC电机的驱动的方法，包括：
通过控制器基于在缠绕在定子上的三相线圈中检测到的电流的量估计转子的初始位置；
通过所述控制器基于三相电流将反映所述转子相对于所述初始位置的旋转角度的电流量转换成两个直流电流并输出所转换的直流电流；
通过所述控制器基于所述三相电流、由所述三相电流的流动生成的电压、预定线圈阻抗以及电感输入的值获得所述转子的旋转角度、转速、磁通以及扭矩；以及
通过所述控制器基于所获得的所述转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩来调节所述电机的转速。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过所述控制器将基于所述转子的当前旋转角度而获得的所述转子的转速、磁通以及扭矩与基于所述转子的旋转角度的变化的预定转速、磁通以及扭矩进行比较。
3.根据权利要求1所述的方法，所述转换包括：
通过所述控制器将所述三相电流转换成在所述定子的三相线圈中生成的电流的量以及在所述转子的磁体中生成的电流的量并且输出所述量。
4.根据权利要求1所述的方法，所述获得包括：
通过所述控制器基于所述转子的当前旋转角相对于所述初始位置的变化获得所述转子的转速。
5.根据权利要求4所述的方法，所述获得包括：
通过所述控制器将基于三相电流的流动生成的电压与所述转子的转速相加并获得所述转子的磁通。
6.根据权利要求4所述的方法，所述获得包括：
通过所述控制器基于所述转子的旋转角度和所述转子的转速来获得所述转子的扭矩。
7.一种用于控制电动水泵的无刷直流，即BLDC电机的驱动的***，包括：
存储器，被配置成存储程序指令；以及
处理器，被配置成执行所述程序指令，所述程序指令被执行时被配置成：
基于在缠绕在定子上的三相线圈中检测到的电流的量估计转子的初始位置；
基于三相电流将反映所述转子相对于所述初始位置的旋转角度的电流量转换成两个直流电流并输出所转换的直流电流；
基于所述三相电流、由所述三相电流的流动生成的电压、预定线圈阻抗以及电感输入的值获得所述转子的旋转角度、转速、磁通以及扭矩；以及
基于所获得的所述转子的旋转角度、转速、磁通和扭矩来调节所述电机的转速。
8.根据权利要求7所述的***，所述程序指令被执行时被进一步配置成：
将基于所述转子的当前旋转角度而获得的所述转子的转速、磁通以及扭矩与基于所述转子的旋转角度的变化的预定转速、磁通以及扭矩进行比较。
9.根据权利要求7所述的***，所述程序指令被执行时被进一步配置成：
将所述三相电流转换成在所述定子的三相线圈中生成的电流的量以及在所述转子的磁体中生成的电流的量并且输出所述量。
10.根据权利要求7所述的***，所述程序指令被执行时被进一步配置成：
基于所述转子的当前旋转角相对于初始位置的变化获得所述转子的转速。
11.根据权利要求10所述的***，所述程序指令被执行时被进一步配置成：
将基于所述三相电流的流动生成的电压与所述转子的转速相加并获得所述转子的磁通。
12.根据权利要求10所述的***，所述程序指令被执行时被进一步配置成：
基于所述转子的旋转角度和所述转子的转速获得所述转子的扭矩。
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