基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统的制作方法

专利名称：基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统。
背景技术：
汽车引擎冷却风扇控制系统的概念最早出现于1981年的美国专利文献中(专利号 US4257554)，该专利首次提出了用电子控制的冷却风扇取代由发动机曲轴传动的冷却风扇。 此后，汽车引擎冷却风扇经历了由简单的继电器控制到复杂的MCU及软件算法控制的发展历 程，尤其是PWM技术的引入，才真正意义上实现了发动机ECU对冷却风扇转速的实时控制，使 得风扇转速及工作模式与发动机的温度运行状态完全按照一定的模型运行。
直流电动机应用广泛，对于有电压源电池的电动车，更是普遍采用直流电机。无刷直流 电动机用一套电子换相装置代替了有刷直流电动机的机械换相装置，保留了有刷直流电动机 宽阔而平滑的优良调速特性。同时又克服了有刷直流电动机机械换相带来的一系列缺点，具 有高能量密度，高转矩惯性化高效率等特点。
目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号 检测线路，从软、硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率 器件，驱动电机运转。近年来，国内外均出现了很多的位置信号检测方法，其中较为成熟的 主要有四类反电动势法、续流二极管法、反电动势积分法和状态观测器法。
对于电机控制，与常规的桥式电路方案相比，半波电路的优点在于使用的功率器件只有 全桥方案的一半，大幅降低了控制器的成本，同时也提高了逆变器的可靠性。但是，半波电 路的缺点在于电机利用率相比全桥电路为低。此发明的控制对象为经过特殊设计的一种基于 四相双线绕组无刷直流电机电机，使得采用半波电路也可具有较高的转矩输出能力，可以满 足转矩性能要求。因此，半波无刷无位置传感器控制方案具有低成本、高可靠性的优势。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系 统，用于控制汽车内的引擎风扇，以实现最大程度的散热。控制系统具有低成本，高可靠性 的特点。
为达到上述目的，本发明的构思如下首先，选择采用一个经过特殊设计的四相双线绕
组无刷直流电机作为控制对象。使得此控制对象不仅保持了比全波电机结构简单的优势，而且由于能够实现能量回馈，更能体现它的效率优势。
其次，针对车用冷却风扇，采用汽车专用控制MCU，以达到系统温度要求。同时，此MCU 内含有电机控制模块，以方便对电机进行控制；系统在工作过程中，需要不断采样电机反电 动势，根据反电动势检测法，从而确定电机转子位置，按照顺序依次驱动四相，保证电机得 到正确的启动和运行。此外，为使控制器能在系统处于异常情况进行自我保护，从硬件角度 出发，采用电流霍尔传感器，温度传感器等元件，设计以下保护功能过流(短路)保护、 温度保护、CPU异常保护。
最后通过通讯模块，使得系统与PC机连接，通过PC机控制电机的转速快慢等工作模式。
根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案
一种基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统。它包括一个四相双 线绕组的无刷直流电机， 一个微控制器，连接微控制器的驱动模块、通讯模块、模拟信号检 测电路、故障保护电路、PC机和电源模块，所述的微控制器的输出控制信号经所述驱动模块 连接至所述电机，从而对电机进行控制；所述的模拟信号检测电路连接电机，对电机反电动 势信号进行检测，然后模拟检测电路将检测结果传送至微控制器，构成检测回路；所述故障 保护电路连接所述模拟信号检测电路和微控制器，根据检测电路的相关输出信号，操作微控 制器，从而对系统起到保护作用；所述电源模块与微控制器相连，提供工作电压；所述微控 制器通过通讯模块连接PC机。
上述的直流电机，采用现有的经过特殊设计的电机。其定子采用双线绕组的形式，使用 二极管耦合在晶体管开关旁，使感应电势的能量回馈到电网。
上述的微控制器采用英飞凌公司推出的8位单片微处理器XC866-4FR，此微处理器中的 电机控制专用模式捕获/比较单元(CCU6)用来对电机进行控制，其中有两个独立的定时器 (T12, T13)、用来产生专门控制交流电机的脉宽调制(PWM)信号，而T13中断用来按照 检测到的转子位置，进行换相操作，从而输出正确的驱动时序。T12定时器用来控制占空比， 从而对电机转速进行控制。通过模块内四路输出，分别控制四相电机，轮流导通，使电机正 常运转。此微处理器另一重要模块就是一个带有多选一八路模拟输入通道、10位高性能模数 转换单元(ADC)。 ADC采用逐次逼近技术，最多可对8种不同的模拟通道的电压电平进行 转换。本发明利用4路模拟通道对电机的反电动势不断进行采样，而另外三路则分别对温度, 转速，电流进行采样，各参数作为故障保护电路的输入，以保护系统的正常工作。ADC采用 通道中断，当转换完成并满足所选的极限检查条件时产生通道中断，对模拟采样进来的反电 动势进行过零检测，同时计算换相时间并赋值到T13定时器。此外，微处理芯片中，通用异步收发器(UART)作为与外部器件相联系的模块，通过串口与PC机相连，收发信息，以达 到对电机转速控制的目的。芯片多余IO引脚被用来连接发光二极管，以备调试时使用。
上述的驱动模块中，功率开关器件为IR公司的IRF2807 N沟道MOSFET，同时采用两 片IR公司专用低功耗、高速率的MOSFET驱动芯片IR4426。
上述的通讯模块中，通讯控制芯片采用MAX3221串行通信控制芯片。
上述的故障保护电路中，温度传感器采用MAXIUM公司的DS600温度传感器，过流保 护电路主要采用电流霍尔传感器ACS755。
上述的电源模块采用英飞凌电源芯片TIE4266-5V作为系统数字电源芯片，提供系统的主 控MCU和数字模拟电路使用。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点首先，本发明 的控制对象采用四相双线绕组无位置传感器无刷直流电机，既满足了车用设计开发的要求， 又不必采用全桥控制电路来控制电机，改用半波电路也可获得全桥控制电路的效果，具有较 高的转矩输出能力，可以满足转矩性能要求，因此，大幅降低了控制器的成本，提高了逆变 器的可靠性，也提高了电机利用的效率，使得系统的可靠性和稳定性得到了加强。其次，本 发明的主控芯片是英飞凌公司推出的8位单片微处理器XC866-4FR，此款芯片有电机控制专 用模式捕获/比较单元(CCU6)，可以方便的对电机进行控制，同时该芯片是汽车级专用芯片， 可在温度范围-40° —125°内正常工作，满足了本发明的车用系统工作要求。此外，系统的 故障保护电路加入了温度，电流，速度检测环节，保障了系统的正常运作。


图l是本发明系统控制结构框图。
图2是电机定子按圆周展幵图。
图3是四相半波主电路。
图4是微控制器接口电路原理图。
图5是系统电源控制电路原理图。
图6是系统通讯电路原理图。
图7是四相电机驱动电路原理图。
图8是系统故障保护电路原理图。
图9是反电动势检测电路原理图。
图10是温度，速度，电压三路采样电路原理图，其中图(a)为温度采样电路，图(b) 为速度采样电路，图(c)为电压采样电路。图ll是主程序流程图。
具体实施例方式
结合附图，本发明说明如下基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制 系统包括下述硬件和软件。
基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统的硬件
如图l所示，本发明所提出的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系 统主要包括微控制器2，控制器电源模块l，驱动电路3，四相双线绕组无刷直流电机4，模拟 信号检测电路5，故障保护电路6，通讯接口电路7和PC机8。所述微控制器2的输出控制信号 经所述驱动模块3连接至所述电机4，从而对电机4进行控制；所述模拟信号检测电路5连接电 机4，对电机4反电动势信号进行检测，然后模拟信号检测电路5将检测结果传送至微控制器2， 构成检测回路；所述故障保护电路6连接所述模拟信号检测电路5和微控制器2，根据检测电路 的相关输出信号，操作微控制器2，从而对系统起到保护作用；所述电源模块1与微控制器2 相连，提供工作电压；所述微控制器2通过所述通讯模块7连接所述PC机8。其中，四相双线绕 组无刷直流电机4是本发明的控制对象，其已经经过特殊设计，从而使得本发明的半波控制方 案具有可行性和可靠性。微控制器XC866-4FR是整个系统的核心，它通过通讯模块7与PC机 进行通讯，获取加速参数及上传调试信息；微控制器2通过与驱动模块3相连，对上述电机4 进行控制；模拟信号检测电路5与上述电机4相连，采样反电动势，送至微处理器2的ADC模块 进行相关处理；同时，故障保护电路6与上述模拟信号检测电路5相连，通过电路设计，对各 模拟量进行监测与限制，保证系统的正常工作；整个系统的供电由控制器电源模块l保证，以 提供12V和5V电源，满足驱动电路和微控制器的供电电压。
本系统的硬件系统有如下特点
1、 采用四相双线绕组无位置传感器无刷直流电机作为控制对象，既满足了车用设计的要求，
又具有结构简单、高效、低噪声、起动转矩大、寿命长等其他种类电机无法比拟的
优点。同时，不必采用全桥控制电路来控制电机，采用半波电路也可具有较高的转 矩输出能力，可以满足转矩性能要求，因此，大大降低了控制器的成本，提高了逆 变器的可靠性，也提高了电机利用的效率。
2、 微处理器采用英飞凌公司推出的8位单片微处理器XC866-4FR，此芯片是汽车级专用芯片，
可在温度范围-40° —125°内正常工作，满足了本发明针对汽车引擎冷却风扇控制的 系统要求。
3、 系统的故障保护电路加入了温度，电流，速度检测环节，保障了系统的正常运作。下面将对系统硬件各部分进行详细介绍。 <一>、控制对象
本发明的控制对象是现有的经过特殊设计的四相直流电机，参见图2，其电机定子采用双 线绕组的形式，线圈匝与匝靠的很近，这会导致每个磁极上线圈间的磁耦合。那就是说，在 任何一个极上有两个线圈产生的磁场在本质上是相同的。因为解耦磁场没有任何损失，所以 由一个线圈产生的磁场本质上可以将它所有的能量返回到双股导线中的另一个线圈中。使用 的耦合二极管既能保护其相关联的晶体管以防高电压，也能使感应电势的能量回馈到电网。 参见图3，根据以上所述，就不必釆用全桥控制电路来控制电机，采用半波电路也可具有较高 的转矩输出能力，可以满足转矩性能要求，因此，大大降低了控制器的成本，提高了逆变器 的可靠性，也提高了电机利用的效率。 <二>、微处理器2
XC866是高性能8位微控制器XC800的系列产品，基于和标准8051处理器兼容的XC800 核。XC866高度集成片内器件，例如片内振荡器或嵌入式电压调节器(从而可由3.3V或5.0V 的单电源供电)，因此具备了许多增强功能以满足新型应用。此外，嵌入式闪存(Flash)器 件为系统开发和批量生产提供了很大的灵活性；兼容ROM器件为大批量生产提供了节省成本
的空间。
XC866是汽车专用控制MCU，具有低成本、高可靠性的特点。该型MCU为8位CPU，汽 车级工作温度范围，具有强大的处理能力和丰富的外设。XC866的一些主要特性包括用来 产生脉宽调制信号、带有电机控制专用模式的捕获/比较单元(CCU6);功能扩展的IO位模 数转换单元(ADC)，具有如自动扫描和结果累加(用于抗混迭滤波或结果平均)等特性； 功能扩展的通用异步收发器(UART)，支持局域互联网(LIN)应用，并为许多器件提供LIN 的低级驱动程序；提供不同的省电模式选择，以满足低功耗应用；用于优化中断处理的智能 分页机制，扩展了控制片内外设功能的特殊功能寄存器(SFR)的地址范围。
参见图4，芯片工作电压由控制器电源模块提供；芯片27引脚和28引脚与串口通讯模块7 相连接，与PC机通讯；引脚15, 16， 17， 20， 22， 23， 26分别与模拟信号检测模块5相连， 用于采样检测四相反电动势，速度，温度和电压；引脚32， 33， 34, 35与驱动模块3相连，用 于PWM驱动控制四相电机运行；引脚9， 10， 30分别与故障保护电路6相连，从而保护系统的正 常运行工作。引脚12， 14， 13， 2分别与四个发光二极管相接，起到调试或显示系统正常工作 的指示作用。
<三>、控制器的电源模块l控制器MCU采用+5V供电电压等级。考虑到系统工作温度范围较高，采用英飞凌电源芯 片TIE4266-5V作为系统数字电源芯片，参见图5。电源电路的输入为控制器主电源+12V，来 自蓄电池。输出为+5V，提供系统的主控MCU和数字模拟电路使用，额定输出负载为200mA。 <四>、通讯模块7
控制器的通讯模块7主要负责与上位PC机进行通讯联系，迸行程序烧写下载以及实际实 验操作时接受来自上位机的转速指令。通讯控制芯片采用MAX3221串行通信控制芯片，参见 图6。
<五>、驱动模块3
根据用户提供的性能要求，额定电流为40A。因此，系统主电路采用的功率开关器件为IR 公司的IRF2807 N沟道MOSFET,最大工作电流可达70A。工作电压为70V完全满足该系统控 制要求。根据该款MOSFET的驱动参数和主电路结构特点，我们选择两片IR公司专用MOSFET 驱动芯片IR4426构成控制器的功率驱动电路，参见图7，其高电平输出为+15V，低电平输出 0V，可实现低功耗、高速率的驱动效果。 <六〉、故障保护电路6
为使控制器能在系统处于异常情况进行自我保护，从硬件角度出发设计了以下保护功能-过流(短路)保护、温度保护、CPU异常保护。
参见图IO，温度传感器采用MAXIUM公司的DS600温度传感器可工作于高温度范围，具 有较高的分辨率。经过传感器转换后，代表温度的电压信号将被输入MCU模数转换通道。 MCU根据内部设定判别系统是否处于温度过高状态，从而触发温度过高保护。内部温度保护 设定值为摄氏-40~+125度。
参见图8和图9，过流保护电路主要采用电流霍尔传感器ACS755，测量范围为0-50A，可 工作与较宽的工作温度范围，采用+5V供电，大大简化了电源电路设计。参见图8，其电流检 测输出为电压信号。该信号送入过流保护电路LM393。当该电压超过电路保护电路设定值， 比较器将实现翻转，触发过流(短路)保护。同时电流检测信号将被送入MCU模数转换器通 道。
参见图7和图8，故障保护电路受到故障触发后将输出低电平故障信号，以封锁PWM输出， 实现逆变器保护。同时故障信号还将送往MCU。故障保护电路实现自锁功能，需MCU判别后 输出故障复位信号才能将故障保护电路复位。 <七>、模拟信号检测电路5
模拟信号检测电路主要负责检测绕组反电势，直流侧电压、直流侧电流、温度和电位器给定等模拟信号输入，参见图9，图10。对于反电势信号和直流侧电压信号，通过电阻分压电 路将被测电压转换至0-+5 V输入MCU模数转换通道。
基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统的软件设计
汽车引擎冷却风扇控制器固件在windows XP操作系统下，采用Keil uVision3进行编程， 语言主要采用C语言，同时利用DAvE软件对主控芯片XC866-4FR的相关寄存器进行配置， 起到辅助编程作用。
在软件算法方面，本发明采用反电动势过零点检测法用来检测电机运行中转子的位置。 该方法是在无刷直流电动机稳态运行时，忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电 动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制绕组电流的切换，实现电机的 运转。另一方面，对于启动算法，本发明采用直接启动并加速，然后再切换到无传感运行的 电机启动方式。
在固件中的程序流程如图11所示，首先，对软件系统各模块进行初始化，包括10端 口模块，UART串口通讯模块，ADC采样保持模块和CCU6电机控制模块。其中，对于CCU6 的两个定时器T12， T13也进行初始化。然后，在主程序中驱动电机一相，同时开始给电机 加速，加速过程主要在CCU6的T13中断中完成，通过不断减少换相时间，达到升频加速的 效果。与此同时，设定ADC中断为通道中断，在其中断中，不断判断反电动势是否有效过零。 一旦确定有效过零，则切换到无传感电机正常运行模式。CCU6的定时器T12主要提供驱动 电机的PWM调制，通过通讯端口获取PC机的加减速信息传递，调整电机转速。ADC中断 的另一个作用就是计算反电动势过零后到接下来换相之间的延迟时间。本软件通过截取两次 有效反电动势过零时间，从而计算出准确的换相延迟时间，并把此延迟时间的值赋予CCU6 中定时器T13，从而在T13的中断程序中完成电机换相动作。
由于采用半波控制方案，整个程序逻辑清晰，换相次序明确，并且使得系统达到了预期的运 转状态。
权利要求
1. 一种基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统，它包括一个四相双线绕组无刷直流电机(4)，一个微控制器(2)，连接微控制器的驱动模块(3)、通讯模块(7)、模拟信号检测电路(5)、故障保护电路(6)、PC机(8)和电源模块(1)，其特征在于所述微控制器(2)的输出控制信号经所述驱动模块(3)连接至所述电机(4)，从而对电机(4)进行控制；所述模拟信号检测电路(5)连接电机(4)，对电机(4)反电动势信号进行检测，然后模拟信号检测电路(5)将检测结果传送至微控制器(2)，构成检测回路；所述故障保护电路(6)连接所述模拟信号检测电路(5)和微控制器(2)，根据检测电路的相关输出信号，操作微控制器(2)，从而对系统起到保护作用；所述电源模块(1)与微控制器(2)相连，提供工作电压；所述微控制器(2)通过所述通讯模块(7)连接所述PC机(8)。
2. 根据权利要求1所述的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统， 其特征在于所述微控制器(2)采用英飞凌公司推出的8位单片微处理器XC866-4FR。
3. 根据权利要求1所述的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统， 其特征在于所述电源模块(1)采用英飞凌电源芯片TIE4266-5V作为系统数字电源芯片。
4. 根据权利要求1所述的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统， 其特征在于所述通讯模块(7)主要负责与上位PC机进行通讯联系，进行程序烧写下载 以及实际实验操作时接受来自上位机的转速指令；通讯控制芯片采用MAX3221串行通信 控制芯片。
5. 根据权利要求1所述的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统， 其特征在于所述驱动模块(3)采用的功率开关器件为IR公司的IRF2807N沟道M0SFET， 最大工作电流可达70A;同时，选择两片IR公司专用M0SFET驱动芯片IR4426构成控制 器的功率驱动电路。
6. 根据权利要求1所述的基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统， 其特征在于所述故障保护电路(6)的保护功能为过流(短路)保护、温度保护、CPU 异常保护；其温度传感器采用MAXIUM公司的DS600温度传感器可工作于高温度范围， 具有较高的分辨率；其过流保护电路采用电流霍尔传感器ACS755，测量范围为0-50A， 可工作与较宽的工作温度范围，采用+5V供电。
全文摘要
本发明涉及一种基于四相双线绕组无刷直流电机的汽车引擎冷却风扇控制系统。它包括一个四相双线绕组无刷直流电机，一个微控制器，连接微控制器的驱动模块、通讯模块、模拟信号检测、故障保护电路、PC机和电源模块，微控制器的输出控制信号经驱动模块连接至电机，从而对电机进行控制；模拟信号检测连接电机对电机反电动势信号进行检测，然后模拟检测电路将检测结果传送至微控制器，构成检测回路；故障保护电路连接模拟信号检测电路和微控制器，根据检测电路的相关输出信号，操作微控制器，从而对系统起到保护作用；电源模块与微控制器相连，提供工作电压；微控制器通过通讯模块连接PC机。本发明的控制方案具有低成本、高效率和高可靠性的优势，在诸如汽车应用领域等需要高可靠性的场合是最佳的解决方案。
文档编号F04D27/00GK101545497SQ20091005035
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者峰 冉, 频 吴, 巍 崔, 徐美华, 王琏洲, 陈应植 申请人:上海大学;上海沪工汽车电器有限公司;上海飞乐股份有限公司