專利名稱：基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)。
背景技術：
汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)的概念最早出現(xiàn)于1981年的美國專利文獻中(專利號 US4257554)，該專利首次提出了用電子控制的冷卻風扇取代由發(fā)動機曲軸傳動的冷卻風扇。 此后，汽車引擎冷卻風扇經(jīng)歷了由簡單的繼電器控制到復雜的MCU及軟件算法控制的發(fā)展歷 程，尤其是PWM技術的引入，才真正意義上實現(xiàn)了發(fā)動機ECU對冷卻風扇轉速的實時控制，使 得風扇轉速及工作模式與發(fā)動機的溫度運行狀態(tài)完全按照一定的模型運行。
直流電動機應用廣泛，對于有電壓源電池的電動車，更是普遍采用直流電機。無刷直流 電動機用一套電子換相裝置代替了有刷直流電動機的機械換相裝置，保留了有刷直流電動機 寬闊而平滑的優(yōu)良調速特性。同時又克服了有刷直流電動機機械換相帶來的一系列缺點，具 有高能量密度，高轉矩慣性化高效率等特點。
目前永磁無刷直流電機無位置傳感器控制研究的核心和關鍵就是架構一個轉子位置信號 檢測線路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得可靠的轉子位置信號，借以觸發(fā)導通相應的功率 器件，驅動電機運轉。近年來，國內外均出現(xiàn)了很多的位置信號檢測方法，其中較為成熟的 主要有四類反電動勢法、續(xù)流二極管法、反電動勢積分法和狀態(tài)觀測器法。
對于電機控制，與常規(guī)的橋式電路方案相比，半波電路的優(yōu)點在于使用的功率器件只有 全橋方案的一半，大幅降低了控制器的成本，同時也提高了逆變器的可靠性。但是，半波電 路的缺點在于電機利用率相比全橋電路為低。此發(fā)明的控制對象為經(jīng)過特殊設計的一種基于 四相雙線繞組無刷直流電機電機，使得采用半波電路也可具有較高的轉矩輸出能力，可以滿 足轉矩性能要求。因此，半波無刷無位置傳感器控制方案具有低成本、高可靠性的優(yōu)勢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系 統(tǒng)，用于控制汽車內的引擎風扇，以實現(xiàn)最大程度的散熱?？刂葡到y(tǒng)具有低成本，高可靠性 的特點。
為達到上述目的，本發(fā)明的構思如下首先，選擇采用一個經(jīng)過特殊設計的四相雙線繞
組無刷直流電機作為控制對象。使得此控制對象不僅保持了比全波電機結構簡單的優(yōu)勢，而且由于能夠實現(xiàn)能量回饋，更能體現(xiàn)它的效率優(yōu)勢。
其次，針對車用冷卻風扇，采用汽車專用控制MCU，以達到系統(tǒng)溫度要求。同時，此MCU 內含有電機控制模塊，以方便對電機進行控制；系統(tǒng)在工作過程中，需要不斷采樣電機反電 動勢，根據(jù)反電動勢檢測法，從而確定電機轉子位置，按照順序依次驅動四相，保證電機得 到正確的啟動和運行。此外，為使控制器能在系統(tǒng)處于異常情況進行自我保護，從硬件角度 出發(fā)，采用電流霍爾傳感器，溫度傳感器等元件，設計以下保護功能過流(短路)保護、 溫度保護、CPU異常保護。
最后通過通訊模塊，使得系統(tǒng)與PC機連接，通過PC機控制電機的轉速快慢等工作模式。
根據(jù)上述的發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述的技術方案
一種基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)。它包括一個四相雙 線繞組的無刷直流電機， 一個微控制器，連接微控制器的驅動模塊、通訊模塊、模擬信號檢 測電路、故障保護電路、PC機和電源模塊，所述的微控制器的輸出控制信號經(jīng)所述驅動模塊 連接至所述電機，從而對電機進行控制；所述的模擬信號檢測電路連接電機，對電機反電動 勢信號進行檢測，然后模擬檢測電路將檢測結果傳送至微控制器，構成檢測回路；所述故障 保護電路連接所述模擬信號檢測電路和微控制器，根據(jù)檢測電路的相關輸出信號，操作微控 制器，從而對系統(tǒng)起到保護作用；所述電源模塊與微控制器相連，提供工作電壓；所述微控 制器通過通訊模塊連接PC機。
上述的直流電機，采用現(xiàn)有的經(jīng)過特殊設計的電機。其定子采用雙線繞組的形式，使用 二極管耦合在晶體管開關旁，使感應電勢的能量回饋到電網(wǎng)。
上述的微控制器采用英飛凌公司推出的8位單片微處理器XC866-4FR，此微處理器中的 電機控制專用模式捕獲/比較單元(CCU6)用來對電機進行控制，其中有兩個獨立的定時器 (T12, T13)、用來產生專門控制交流電機的脈寬調制(PWM)信號，而T13中斷用來按照 檢測到的轉子位置，進行換相操作，從而輸出正確的驅動時序。T12定時器用來控制占空比， 從而對電機轉速進行控制。通過模塊內四路輸出，分別控制四相電機，輪流導通，使電機正 常運轉。此微處理器另一重要模塊就是一個帶有多選一八路模擬輸入通道、10位高性能模數(shù) 轉換單元(ADC)。 ADC采用逐次逼近技術，最多可對8種不同的模擬通道的電壓電平進行 轉換。本發(fā)明利用4路模擬通道對電機的反電動勢不斷進行采樣，而另外三路則分別對溫度, 轉速，電流進行采樣，各參數(shù)作為故障保護電路的輸入，以保護系統(tǒng)的正常工作。ADC采用 通道中斷，當轉換完成并滿足所選的極限檢查條件時產生通道中斷，對模擬采樣進來的反電 動勢進行過零檢測，同時計算換相時間并賦值到T13定時器。此外，微處理芯片中，通用異步收發(fā)器(UART)作為與外部器件相聯(lián)系的模塊，通過串口與PC機相連，收發(fā)信息，以達 到對電機轉速控制的目的。芯片多余IO引腳被用來連接發(fā)光二極管，以備調試時使用。
上述的驅動模塊中，功率開關器件為IR公司的IRF2807 N溝道MOSFET，同時采用兩 片IR公司專用低功耗、高速率的MOSFET驅動芯片IR4426。
上述的通訊模塊中，通訊控制芯片采用MAX3221串行通信控制芯片。
上述的故障保護電路中，溫度傳感器采用MAXIUM公司的DS600溫度傳感器，過流保 護電路主要采用電流霍爾傳感器ACS755。
上述的電源模塊采用英飛凌電源芯片TIE4266-5V作為系統(tǒng)數(shù)字電源芯片，提供系統(tǒng)的主 控MCU和數(shù)字模擬電路使用。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的實質性特點和顯著優(yōu)點首先，本發(fā)明 的控制對象采用四相雙線繞組無位置傳感器無刷直流電機，既滿足了車用設計開發(fā)的要求， 又不必采用全橋控制電路來控制電機，改用半波電路也可獲得全橋控制電路的效果，具有較 高的轉矩輸出能力，可以滿足轉矩性能要求，因此，大幅降低了控制器的成本，提高了逆變 器的可靠性，也提高了電機利用的效率，使得系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了加強。其次，本 發(fā)明的主控芯片是英飛凌公司推出的8位單片微處理器XC866-4FR，此款芯片有電機控制專 用模式捕獲/比較單元(CCU6)，可以方便的對電機進行控制，同時該芯片是汽車級專用芯片， 可在溫度范圍-40° —125°內正常工作，滿足了本發(fā)明的車用系統(tǒng)工作要求。此外，系統(tǒng)的 故障保護電路加入了溫度，電流，速度檢測環(huán)節(jié)，保障了系統(tǒng)的正常運作。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)控制結構框圖。
圖2是電機定子按圓周展幵圖。
圖3是四相半波主電路。
圖4是微控制器接口電路原理圖。
圖5是系統(tǒng)電源控制電路原理圖。
圖6是系統(tǒng)通訊電路原理圖。
圖7是四相電機驅動電路原理圖。
圖8是系統(tǒng)故障保護電路原理圖。
圖9是反電動勢檢測電路原理圖。
圖10是溫度，速度，電壓三路采樣電路原理圖，其中圖(a)為溫度采樣電路，圖(b) 為速度采樣電路，圖(c)為電壓采樣電路。圖ll是主程序流程圖。
具體實施例方式
結合附圖，本發(fā)明說明如下基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制 系統(tǒng)包括下述硬件和軟件。
基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)的硬件
如圖l所示，本發(fā)明所提出的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系 統(tǒng)主要包括微控制器2，控制器電源模塊l，驅動電路3，四相雙線繞組無刷直流電機4，模擬 信號檢測電路5，故障保護電路6，通訊接口電路7和PC機8。所述微控制器2的輸出控制信號 經(jīng)所述驅動模塊3連接至所述電機4，從而對電機4進行控制；所述模擬信號檢測電路5連接電 機4，對電機4反電動勢信號進行檢測，然后模擬信號檢測電路5將檢測結果傳送至微控制器2， 構成檢測回路；所述故障保護電路6連接所述模擬信號檢測電路5和微控制器2，根據(jù)檢測電路 的相關輸出信號，操作微控制器2，從而對系統(tǒng)起到保護作用；所述電源模塊1與微控制器2 相連，提供工作電壓；所述微控制器2通過所述通訊模塊7連接所述PC機8。其中，四相雙線繞 組無刷直流電機4是本發(fā)明的控制對象，其已經(jīng)經(jīng)過特殊設計，從而使得本發(fā)明的半波控制方 案具有可行性和可靠性。微控制器XC866-4FR是整個系統(tǒng)的核心，它通過通訊模塊7與PC機 進行通訊，獲取加速參數(shù)及上傳調試信息；微控制器2通過與驅動模塊3相連，對上述電機4 進行控制；模擬信號檢測電路5與上述電機4相連，采樣反電動勢，送至微處理器2的ADC模塊 進行相關處理；同時，故障保護電路6與上述模擬信號檢測電路5相連，通過電路設計，對各 模擬量進行監(jiān)測與限制，保證系統(tǒng)的正常工作；整個系統(tǒng)的供電由控制器電源模塊l保證，以 提供12V和5V電源，滿足驅動電路和微控制器的供電電壓。
本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)有如下特點
1、 采用四相雙線繞組無位置傳感器無刷直流電機作為控制對象，既滿足了車用設計的要求，
又具有結構簡單、高效、低噪聲、起動轉矩大、壽命長等其他種類電機無法比擬的
優(yōu)點。同時，不必采用全橋控制電路來控制電機，采用半波電路也可具有較高的轉 矩輸出能力，可以滿足轉矩性能要求，因此，大大降低了控制器的成本，提高了逆 變器的可靠性，也提高了電機利用的效率。
2、 微處理器采用英飛凌公司推出的8位單片微處理器XC866-4FR，此芯片是汽車級專用芯片，
可在溫度范圍-40° —125°內正常工作，滿足了本發(fā)明針對汽車引擎冷卻風扇控制的 系統(tǒng)要求。
3、 系統(tǒng)的故障保護電路加入了溫度，電流，速度檢測環(huán)節(jié)，保障了系統(tǒng)的正常運作。下面將對系統(tǒng)硬件各部分進行詳細介紹。 <一>、控制對象
本發(fā)明的控制對象是現(xiàn)有的經(jīng)過特殊設計的四相直流電機，參見圖2，其電機定子采用雙 線繞組的形式，線圈匝與匝靠的很近，這會導致每個磁極上線圈間的磁耦合。那就是說，在 任何一個極上有兩個線圈產生的磁場在本質上是相同的。因為解耦磁場沒有任何損失，所以 由一個線圈產生的磁場本質上可以將它所有的能量返回到雙股導線中的另一個線圈中。使用 的耦合二極管既能保護其相關聯(lián)的晶體管以防高電壓，也能使感應電勢的能量回饋到電網(wǎng)。 參見圖3，根據(jù)以上所述，就不必釆用全橋控制電路來控制電機，采用半波電路也可具有較高 的轉矩輸出能力，可以滿足轉矩性能要求，因此，大大降低了控制器的成本，提高了逆變器 的可靠性，也提高了電機利用的效率。 <二>、微處理器2
XC866是高性能8位微控制器XC800的系列產品，基于和標準8051處理器兼容的XC800 核。XC866高度集成片內器件，例如片內振蕩器或嵌入式電壓調節(jié)器(從而可由3.3V或5.0V 的單電源供電)，因此具備了許多增強功能以滿足新型應用。此外，嵌入式閃存(Flash)器 件為系統(tǒng)開發(fā)和批量生產提供了很大的靈活性；兼容ROM器件為大批量生產提供了節(jié)省成本
的空間。
XC866是汽車專用控制MCU，具有低成本、高可靠性的特點。該型MCU為8位CPU，汽 車級工作溫度范圍，具有強大的處理能力和豐富的外設。XC866的一些主要特性包括用來 產生脈寬調制信號、帶有電機控制專用模式的捕獲/比較單元(CCU6);功能擴展的IO位模 數(shù)轉換單元(ADC)，具有如自動掃描和結果累加(用于抗混迭濾波或結果平均)等特性； 功能擴展的通用異步收發(fā)器(UART)，支持局域互聯(lián)網(wǎng)(LIN)應用，并為許多器件提供LIN 的低級驅動程序；提供不同的省電模式選擇，以滿足低功耗應用；用于優(yōu)化中斷處理的智能 分頁機制，擴展了控制片內外設功能的特殊功能寄存器(SFR)的地址范圍。
參見圖4，芯片工作電壓由控制器電源模塊提供；芯片27引腳和28引腳與串口通訊模塊7 相連接，與PC機通訊；引腳15, 16， 17， 20， 22， 23， 26分別與模擬信號檢測模塊5相連， 用于采樣檢測四相反電動勢，速度，溫度和電壓；引腳32， 33， 34, 35與驅動模塊3相連，用 于PWM驅動控制四相電機運行；引腳9， 10， 30分別與故障保護電路6相連，從而保護系統(tǒng)的正 常運行工作。引腳12， 14， 13， 2分別與四個發(fā)光二極管相接，起到調試或顯示系統(tǒng)正常工作 的指示作用。
<三>、控制器的電源模塊l控制器MCU采用+5V供電電壓等級?？紤]到系統(tǒng)工作溫度范圍較高，采用英飛凌電源芯 片TIE4266-5V作為系統(tǒng)數(shù)字電源芯片，參見圖5。電源電路的輸入為控制器主電源+12V，來 自蓄電池。輸出為+5V，提供系統(tǒng)的主控MCU和數(shù)字模擬電路使用，額定輸出負載為200mA。 <四>、通訊模塊7
控制器的通訊模塊7主要負責與上位PC機進行通訊聯(lián)系，迸行程序燒寫下載以及實際實 驗操作時接受來自上位機的轉速指令。通訊控制芯片采用MAX3221串行通信控制芯片，參見 圖6。
<五>、驅動模塊3
根據(jù)用戶提供的性能要求，額定電流為40A。因此，系統(tǒng)主電路采用的功率開關器件為IR 公司的IRF2807 N溝道MOSFET,最大工作電流可達70A。工作電壓為70V完全滿足該系統(tǒng)控 制要求。根據(jù)該款MOSFET的驅動參數(shù)和主電路結構特點，我們選擇兩片IR公司專用MOSFET 驅動芯片IR4426構成控制器的功率驅動電路，參見圖7，其高電平輸出為+15V，低電平輸出 0V，可實現(xiàn)低功耗、高速率的驅動效果。 <六〉、故障保護電路6
為使控制器能在系統(tǒng)處于異常情況進行自我保護，從硬件角度出發(fā)設計了以下保護功能-過流(短路)保護、溫度保護、CPU異常保護。
參見圖IO，溫度傳感器采用MAXIUM公司的DS600溫度傳感器可工作于高溫度范圍，具 有較高的分辨率。經(jīng)過傳感器轉換后，代表溫度的電壓信號將被輸入MCU模數(shù)轉換通道。 MCU根據(jù)內部設定判別系統(tǒng)是否處于溫度過高狀態(tài)，從而觸發(fā)溫度過高保護。內部溫度保護 設定值為攝氏-40~+125度。
參見圖8和圖9，過流保護電路主要采用電流霍爾傳感器ACS755，測量范圍為0-50A，可 工作與較寬的工作溫度范圍，采用+5V供電，大大簡化了電源電路設計。參見圖8，其電流檢 測輸出為電壓信號。該信號送入過流保護電路LM393。當該電壓超過電路保護電路設定值， 比較器將實現(xiàn)翻轉，觸發(fā)過流(短路)保護。同時電流檢測信號將被送入MCU模數(shù)轉換器通 道。
參見圖7和圖8，故障保護電路受到故障觸發(fā)后將輸出低電平故障信號，以封鎖PWM輸出， 實現(xiàn)逆變器保護。同時故障信號還將送往MCU。故障保護電路實現(xiàn)自鎖功能，需MCU判別后 輸出故障復位信號才能將故障保護電路復位。 <七>、模擬信號檢測電路5
模擬信號檢測電路主要負責檢測繞組反電勢，直流側電壓、直流側電流、溫度和電位器給定等模擬信號輸入，參見圖9，圖10。對于反電勢信號和直流側電壓信號，通過電阻分壓電 路將被測電壓轉換至0-+5 V輸入MCU模數(shù)轉換通道。
基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)的軟件設計
汽車引擎冷卻風扇控制器固件在windows XP操作系統(tǒng)下，采用Keil uVision3進行編程， 語言主要采用C語言，同時利用DAvE軟件對主控芯片XC866-4FR的相關寄存器進行配置， 起到輔助編程作用。
在軟件算法方面，本發(fā)明采用反電動勢過零點檢測法用來檢測電機運行中轉子的位置。 該方法是在無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時，忽略電機電樞反應的前提下，通過檢測關斷相反電 動勢的過零點來獲得永磁轉子的關鍵位置信號，從而可以控制繞組電流的切換，實現(xiàn)電機的 運轉。另一方面，對于啟動算法，本發(fā)明采用直接啟動并加速，然后再切換到無傳感運行的 電機啟動方式。
在固件中的程序流程如圖11所示，首先，對軟件系統(tǒng)各模塊進行初始化，包括10端 口模塊，UART串口通訊模塊，ADC采樣保持模塊和CCU6電機控制模塊。其中，對于CCU6 的兩個定時器T12， T13也進行初始化。然后，在主程序中驅動電機一相，同時開始給電機 加速，加速過程主要在CCU6的T13中斷中完成，通過不斷減少換相時間，達到升頻加速的 效果。與此同時，設定ADC中斷為通道中斷，在其中斷中，不斷判斷反電動勢是否有效過零。 一旦確定有效過零，則切換到無傳感電機正常運行模式。CCU6的定時器T12主要提供驅動 電機的PWM調制，通過通訊端口獲取PC機的加減速信息傳遞，調整電機轉速。ADC中斷 的另一個作用就是計算反電動勢過零后到接下來換相之間的延遲時間。本軟件通過截取兩次 有效反電動勢過零時間，從而計算出準確的換相延遲時間，并把此延遲時間的值賦予CCU6 中定時器T13，從而在T13的中斷程序中完成電機換相動作。
由于采用半波控制方案，整個程序邏輯清晰，換相次序明確，并且使得系統(tǒng)達到了預期的運 轉狀態(tài)。
權利要求
1. 一種基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)，它包括一個四相雙線繞組無刷直流電機(4)，一個微控制器(2)，連接微控制器的驅動模塊(3)、通訊模塊(7)、模擬信號檢測電路(5)、故障保護電路(6)、PC機(8)和電源模塊(1)，其特征在于所述微控制器(2)的輸出控制信號經(jīng)所述驅動模塊(3)連接至所述電機(4)，從而對電機(4)進行控制；所述模擬信號檢測電路(5)連接電機(4)，對電機(4)反電動勢信號進行檢測，然后模擬信號檢測電路(5)將檢測結果傳送至微控制器(2)，構成檢測回路；所述故障保護電路(6)連接所述模擬信號檢測電路(5)和微控制器(2)，根據(jù)檢測電路的相關輸出信號，操作微控制器(2)，從而對系統(tǒng)起到保護作用；所述電源模塊(1)與微控制器(2)相連，提供工作電壓；所述微控制器(2)通過所述通訊模塊(7)連接所述PC機(8)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)， 其特征在于所述微控制器(2)采用英飛凌公司推出的8位單片微處理器XC866-4FR。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)， 其特征在于所述電源模塊(1)采用英飛凌電源芯片TIE4266-5V作為系統(tǒng)數(shù)字電源芯片。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)， 其特征在于所述通訊模塊(7)主要負責與上位PC機進行通訊聯(lián)系，進行程序燒寫下載 以及實際實驗操作時接受來自上位機的轉速指令；通訊控制芯片采用MAX3221串行通信 控制芯片。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)， 其特征在于所述驅動模塊(3)采用的功率開關器件為IR公司的IRF2807N溝道M0SFET， 最大工作電流可達70A;同時，選擇兩片IR公司專用M0SFET驅動芯片IR4426構成控制 器的功率驅動電路。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)， 其特征在于所述故障保護電路(6)的保護功能為過流(短路)保護、溫度保護、CPU 異常保護；其溫度傳感器采用MAXIUM公司的DS600溫度傳感器可工作于高溫度范圍， 具有較高的分辨率；其過流保護電路采用電流霍爾傳感器ACS755，測量范圍為0-50A， 可工作與較寬的工作溫度范圍，采用+5V供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于四相雙線繞組無刷直流電機的汽車引擎冷卻風扇控制系統(tǒng)。它包括一個四相雙線繞組無刷直流電機，一個微控制器，連接微控制器的驅動模塊、通訊模塊、模擬信號檢測、故障保護電路、PC機和電源模塊，微控制器的輸出控制信號經(jīng)驅動模塊連接至電機，從而對電機進行控制；模擬信號檢測連接電機對電機反電動勢信號進行檢測，然后模擬檢測電路將檢測結果傳送至微控制器，構成檢測回路；故障保護電路連接模擬信號檢測電路和微控制器，根據(jù)檢測電路的相關輸出信號，操作微控制器，從而對系統(tǒng)起到保護作用；電源模塊與微控制器相連，提供工作電壓；微控制器通過通訊模塊連接PC機。本發(fā)明的控制方案具有低成本、高效率和高可靠性的優(yōu)勢，在諸如汽車應用領域等需要高可靠性的場合是最佳的解決方案。
文檔編號F04D27/00GK101545497SQ20091005035
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者峰 冉, 頻 吳, 巍 崔, 徐美華, 王璉洲, 陳應植 申請人:上海大學;上海滬工汽車電器有限公司;上海飛樂股份有限公司