摘要：為解決傳統(tǒng)冷卻水泵不能依據(jù)汽車實際所需要的散熱要求來自主調(diào)節(jié)冷卻液的流量，滿足汽車在任何工況時的溫度需求和工作性能，文中設(shè)計一款基于國產(chǎn)芯片AC7811為控制核心的電子水泵控制器。在分析控制器功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制器的硬件電路；在程序設(shè)計中采用FOC算法實現(xiàn)對電子水泵的無傳感器控制，以解決傳感器在高溫下失效的問題，同時設(shè)置多種保護(hù)策略來避免永磁同步電機(jī)的損壞。試驗測試結(jié)果為，測試轉(zhuǎn)速在3100~5400r/min時，其最高流量達(dá)到20.20L/min，壓差達(dá)到55.0kPa，功率始終穩(wěn)定在60W以內(nèi)。試驗測試表明，所開發(fā)的電子水泵控制器達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的要求，并能穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電子水泵；MCU；永磁同步電機(jī)；控制器；電路設(shè)計；程序設(shè)計；無傳感器控制

0 引言

目前，市面上燃油車的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)依舊采用機(jī)械式的冷卻水泵，其驅(qū)動方式是通過皮帶與發(fā)動機(jī)曲軸直接相連，在這種驅(qū)動方式下，冷卻水泵的轉(zhuǎn)速與曲軸的轉(zhuǎn)速始終為固定比值，導(dǎo)致冷卻能力和發(fā)動機(jī)散熱需求不匹配，使得散熱效率低下。因此，針對傳統(tǒng)機(jī)械式發(fā)動機(jī)冷卻水泵的這一點不足，各大車企高校著手研發(fā)配合發(fā)動機(jī)各種工況的電子水泵。韓曉峰等人設(shè)計研發(fā)一種GDI發(fā)動機(jī)電子水泵控制器系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制策略主要分為增壓氣體溫度冷卻和增壓器溫度冷卻。徐方海等人設(shè)計研發(fā)的汽車電子水泵控制器以BLDC電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)，選擇MLX81207為主控芯片，采用基于反電動勢電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的控制算法，實現(xiàn)電子水泵的無感控制，但該控制器算法在電機(jī)效率的問題上優(yōu)勢不夠突出。袁濤等人設(shè)計研發(fā)了一套發(fā)動機(jī)冷卻水泵智能控制系統(tǒng)，選擇了STM32F103為主控芯片，通過傳感器讀取冷卻液溫度及時調(diào)節(jié)循環(huán)水量，并可以將實時溫度及故障狀態(tài)傳輸至手機(jī)APP，但該系統(tǒng)也同時增加控制器的成本。朱瀟瀟設(shè)計研發(fā)的汽車電子水泵控制器實現(xiàn)了一種基于LIN協(xié)議通信的電機(jī)控制方法，但該控制器仍舊采用普通的PID控制算法，同時采用BLDC為驅(qū)動電機(jī)，容易產(chǎn)生震動大、噪聲大等不足^[7]。為解決以上所提到的問題，本文采用國產(chǎn)芯片AC7811作為核心控制器，選擇PMSM電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)，同時采FOC控制算法設(shè)計研發(fā)了一種汽車電子水泵控制器，以此來解決芯片成本高昂、性能穩(wěn)定性不足等缺點。

1 電子水泵控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件采用國產(chǎn)MCU+DriverIC方案，該國產(chǎn)MCU滿足車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)支撐DC12～24V的工作電壓，系統(tǒng)最高輸出功率為2000W，采用定速與PWM調(diào)速模式，與ECU的通信方式采用LIN通信模式。水泵位于發(fā)動機(jī)艙中，工作環(huán)境溫度通常高于100℃，在此環(huán)境中，霍爾傳感器容易失效，而且相較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)水泵，使用PMSM電機(jī)水泵效率提升30%~50%，且體積小，通過控制芯片容易實現(xiàn)對于轉(zhuǎn)速、輸出功率等要求的控制^[8]。因此，本文設(shè)計的硬件電路中不含有霍爾傳感器，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 電源轉(zhuǎn)換電路 

電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計主要是為了各模塊電壓的不同需求而提供分層電壓。整個系統(tǒng)采用外置直流電壓12V輸入，沒有內(nèi)置電池，所以外部電源急需要給電機(jī)供電，同時也需要給整個系統(tǒng)供電，經(jīng)電源模塊調(diào)節(jié)后輸出5V電壓給MCU供電。因此根據(jù)IC需要，設(shè)計了5V電源轉(zhuǎn)換電路，其電路圖如圖2所示。該電路采用的降壓芯片型號為MPQ4420穩(wěn)壓芯片，完成12V直流電壓向5V直流電壓的轉(zhuǎn)換。額定輸出電壓為：

電路中所使用的MPQ4420芯片的應(yīng)用場景中包含汽車這一場景，同時MPQ4420是一個內(nèi)置功率MOSFET的高頻同步整流降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。它提供一個極其緊湊的方法來獲取一個連續(xù)的2A輸出電流，在大范圍輸入電源范圍內(nèi)負(fù)載和線路調(diào)節(jié)十分出色。同時具備完善的保護(hù)特性，包括過流保護(hù)和熱關(guān)斷。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

1.2 電機(jī)驅(qū)動電路 

電機(jī)驅(qū)動電路是電子水泵控制器硬件電路設(shè)計中最重要的電路之一，其設(shè)計好壞直接決定電機(jī)的驅(qū)動效率高低。在本控制器中，主控芯片輸出引腳產(chǎn)生的控制信號無法直接驅(qū)動MOS管，為了增大驅(qū)動能力，選擇IR2101S芯片為功率驅(qū)動器，該芯片的主要作用是結(jié)合外部電容，使電壓泵升，達(dá)到驅(qū)動MOS管的電壓值。IR2101S的HIN和LIN引腳接收來自單片機(jī)的一對互補(bǔ)PWM控制信號，這一對PWM信號分別控制連接在HO和LO引腳的Q1MOSFET和Q2MOSFET，其打開或關(guān)閉的反應(yīng)時間只有約150ns，打開和關(guān)閉時間分別為100ns和50ns；自舉電容C1選擇1μF/100V；每個控制芯片能控制2個MOS管，因此總共需要6個MOS管，3個控制芯片。如圖3所示為本控制器的功率驅(qū)動電路原理圖。

圖3 功率驅(qū)動電路

1.3 電流采樣電路 

單片機(jī)無法采集電流信號，但具有ADC功能，能采集范圍內(nèi)的電壓信號，所以需要采樣電阻把電流電信號轉(zhuǎn)為電壓信號。本控制器采用MCP6022芯片進(jìn)行電流采集，該芯片的應(yīng)用場景廣泛，符合汽車行業(yè)使用，同時該芯片具有雙運(yùn)放的特點，在PCB布局中有利于布局，集成度高。以U相電流模擬電壓采樣為例，U相電流模擬信號經(jīng)過運(yùn)放U4進(jìn)行增益放大后輸出至MCU模塊采樣。如圖4所示為電機(jī)U相電流的采樣電路原理圖，其他兩相同理。根據(jù)運(yùn)放輸入端“虛斷”和“虛短”原則進(jìn)行分析推導(dǎo)可知：

故運(yùn)放輸出與輸入兩端壓差之間的運(yùn)放增益系數(shù)OP_AMPLIFICATION_GAIN為12，其由公式算得出。

圖4 電流采樣電路

1.4 LIN通信電路

LIN是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（CAN總線）提供輔助功能。通過TJA1027將協(xié)議控制器生成的發(fā)送數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成優(yōu)化的總線信號，以使電磁輻射（EME）最小化。LIN總線輸出引腳通過內(nèi)部終端電阻拉高。對于主應(yīng)用，應(yīng)在引腳VBAT和引腳LIN之間連接一個與二極管串聯(lián)的外部電阻。接收器會檢測LIN總線輸入引腳上的接收數(shù)據(jù)流并通過引腳RXD將其傳送至微控制器。LIN通信電路如圖5所示。

圖5 LIN通信電路

1.5 PCB布局設(shè)計

電子水泵的結(jié)構(gòu)緊湊，集成度要求高，對于控制器PCB的大小要求高，因此本控制器采用四層板設(shè)計，將芯片控制線路與MOS管功率驅(qū)動電路分開布局，以此減少二者之間的干擾。頂層主要放置電流小、電壓小的電路，如控制電路、通信電路等；底層放置MOS管載流電路，該電路直接與電機(jī)相連，電流大、電壓高、線寬也大；中間兩層分別為電源層和地層。電子水泵控制器的PCB板布局如圖6所示。

圖6 PCB布局設(shè)計

2 程序設(shè)計

2.1 主程序流程

電子水泵控制器在軟件系統(tǒng)層面需要實現(xiàn)的功能主要為：實現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；根據(jù)ECU的控制指令實現(xiàn)“啟動”“調(diào)速”“停止”等動作；實時向ECU傳遞電機(jī)信息。同時控制器還承擔(dān)著對于水泵的運(yùn)行狀況的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象執(zhí)行水泵保護(hù)機(jī)制，向ECU發(fā)送診斷信息。電子水泵控制器軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)行初始化通信模式，將電機(jī)的初始狀態(tài)設(shè)置為“停機(jī)”。當(dāng)控制器通過LIN通信與ECU通信成功后系統(tǒng)開始自檢，當(dāng)系統(tǒng)自檢發(fā)現(xiàn)沒有問題后，初始化控制器的保護(hù)策略，判斷水泵是否需要進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)并等待ECU的控制指令。當(dāng)控制器接收到ECU的“運(yùn)行水泵”命令后開始運(yùn)行水泵，與此同時進(jìn)行實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)保護(hù)機(jī)制發(fā)現(xiàn)水泵發(fā)生故障后，系統(tǒng)向ECU上傳錯誤代碼，并停止水泵運(yùn)行。

2.2 FOC控制算法流程

本控制器采用無位置傳感器的FOC算法驅(qū)動，FOC算法由三相電流采樣、CLARK變換、PARK變換、速度環(huán)、電流環(huán)以及SVPWM調(diào)制等模塊構(gòu)成。PMSM配合FOC算法在電機(jī)效率上相較于BLDC配合換向法能效高出15%。FOC控制算法流程如圖8所示。

圖8 FOC控制算法流程

3 試驗驗證

為驗證本文所設(shè)計的電子水泵控制器控制策略的有效性和硬件功能的有效性，對使用該控制器組裝的電子水泵進(jìn)行了臺架試驗。試驗測試系統(tǒng)中主要包括水泵臺架試驗臺架、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集卡、PC、數(shù)據(jù)采集軟件）及相關(guān)測試設(shè)備。本實驗中運(yùn)行狀態(tài)點通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)，測試位置為水平，測試介質(zhì)為一定容積比例的水/乙二醇混合液（混合比例為50：50），環(huán)境溫度為（23±5）℃，電壓為（13±0.2）V，檢測時刻從啟動運(yùn)行穩(wěn)定后開始。電子水泵測試設(shè)置如圖9所示。

圖9 電子水泵測試設(shè)置

本實驗通過節(jié)流閥設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速節(jié)點作為檢測節(jié)點，分別為3100r/min、3600r/min、5400r/min、5400r/min，分別對每個工況測量流量、壓差、電壓、電流4個物理量。其檢測結(jié)果如表1所示。

表1 電子水泵控制器實驗測量結(jié)果

從表1中可以看出，該控制在所設(shè)置的4個節(jié)點中，功率均滿足60W的設(shè)計要求，同時依據(jù)上汽的SMTC9353001發(fā)動機(jī)輔助水泵》的標(biāo)準(zhǔn)，該控制器的流量和壓差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的電子水泵控制器主要基于國產(chǎn)芯片AC7811，該芯片為車規(guī)級芯片，使用該芯片實現(xiàn)了電子水泵國產(chǎn)化的重要一步，該控制器外圍電路簡單，成本低。使用了FOC的控制算法，可以免除傳感器在電子水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中的尺寸影響，使得電子水泵結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性得到提高并且成本降低。本設(shè)計電路具有設(shè)計簡潔、拓展性強(qiáng)、可靠性高的特點，可應(yīng)用與后續(xù)對于使用國產(chǎn)芯片所設(shè)計的電子水泵的開發(fā)與研究。該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步完善，如在FOC算法中加入龍伯格觀測器可以使電子轉(zhuǎn)子位置估計更加準(zhǔn)確，同時在其低速啟動階段，PMSM轉(zhuǎn)子位置偏差大，所以提高PMSM低速段的無位置傳感器算法估算精度是今后改進(jìn)完善的方向。