來源：汽車工程 作者：秦國平　姚維

    1 前言

    隨著汽車部件的電動化、自動化程度不斷提高和對汽車電機(jī)的噪聲、電磁兼容、效率的高要求,永磁無刷直流電機(jī)正在逐步替代有刷的永磁直流電機(jī) 。永磁無刷電機(jī)具有體積小、壽命長、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),利用它作為汽車部件的驅(qū)動執(zhí)行元件可有效地提高汽車部件的性能。例如在freightliner公司的m2系列商務(wù)車上,采用無刷電機(jī)驅(qū)動其空調(diào)系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī),更好地調(diào)節(jié)了送風(fēng)速度 。

    由于汽車總線技術(shù)的日趨成熟,汽車內(nèi)多個電機(jī)單元的控制方式正從傳統(tǒng)的集中式線束控制向分布式總線控制轉(zhuǎn)變。分布式總線控制可以減少線束,降低成本,便于各個電機(jī)控制單元和車內(nèi)其它電控單元一起形成一個綜合協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng),提高各控制單元的運(yùn)行可靠性,減少冗余的傳感器及相應(yīng)的軟硬件配置,實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享。目前常用的汽車總線包括can、lin等,其中l(wèi)in面向低速場合的應(yīng)用。作者設(shè)計(jì)基于lin總線的無刷直流電機(jī)控制器,該控制器以文獻(xiàn)中介紹的mc68hc908mr16單片機(jī)、pc33896前置驅(qū)動器、mc33399lin收發(fā)器為核心構(gòu)成,以低廉的成本獲得了較好的控制性能。

    2 基于lin總線的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)?

    lin總線是一種新型的低成本汽車車身總線,1999年由歐洲汽車制造商audi、bmw、daimler2chrysler、volvo、volkswagen、vct等公司和半導(dǎo)體廠商motorola共同組成的lin協(xié)會推出,從2003年開始投入使用。

    lin總線使用串行通信協(xié)議,它有下面的特性:單主機(jī)多從機(jī)組織(即無需總線仲裁) ; 基于普通uart/sci接口的低成本硬件實(shí)現(xiàn),低成本軟件或作為純狀態(tài)機(jī);從機(jī)節(jié)點(diǎn)不需要石英或陶瓷諧振器即可以實(shí)現(xiàn)自同步;保證信號傳輸?shù)难舆t時間;低成本的單線通信介質(zhì),通信速率最大可達(dá)20kb/s。一個lin網(wǎng)絡(luò)由1個主節(jié)點(diǎn)、最多不超過15個從節(jié)點(diǎn)組成。所有節(jié)點(diǎn)都有一個從機(jī)任務(wù),從機(jī)任務(wù)分為接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù),主節(jié)點(diǎn)還有一個主機(jī)任務(wù)。lin網(wǎng)絡(luò)上的通信總是由主機(jī)任務(wù)所發(fā)起,主機(jī)任務(wù)傳輸報文幀頭,報文幀頭包括同步間隔場、同步場和標(biāo)志符場;從機(jī)任務(wù)作出報文響應(yīng),報文響應(yīng)包括2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場和校驗(yàn)場,報文幀頭和報文響應(yīng)組成完整的報文幀。

    lin總線作為can總線的補(bǔ)充,主要用于車身控制。車身網(wǎng)絡(luò)主要連接對象有座椅、車門、空調(diào)和儀表顯示等系統(tǒng)。基于lin總線的全自動空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。其中空調(diào)中央控制單元起can /lin網(wǎng)關(guān)和lin主節(jié)點(diǎn)的作用,其他單元為從節(jié)點(diǎn),分為傳感器從節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)。傳感器從節(jié)點(diǎn)將溫度、濕度、日照強(qiáng)度等環(huán)境狀態(tài)值發(fā)送給主節(jié)點(diǎn),主節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些狀態(tài)值以及駕駛員設(shè)定的車內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行綜合決策,向執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)傳達(dá)控制命令,執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)依據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的動作。這樣的空調(diào)系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分布式控制,減少汽車上的安裝線束,同時實(shí)現(xiàn)真正的全自動控制,使得空調(diào)系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)運(yùn)行,從而使室內(nèi)溫度達(dá)到并保持在駕駛員設(shè)定值上,創(chuàng)造一個舒適的室內(nèi)環(huán)境。由于無刷直流電機(jī)擁有良好的調(diào)速性能,所以空調(diào)系統(tǒng)中一些執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)把它作為驅(qū)動部件,如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇等。這些從節(jié)點(diǎn)分別和主節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了基于lin總線的無刷直流電機(jī)速度閉環(huán)控制,主節(jié)點(diǎn)通過決策算法給定電機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速的反饋和控制算法由從節(jié)點(diǎn)來完成,從節(jié)點(diǎn)即是作者所要設(shè)計(jì)的控制器。

    3 控制器硬件結(jié)構(gòu)

    控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,圖中包括:電源管理模塊、mc68hc908mr16 單片機(jī)控制模塊、pc33896 前置驅(qū)動模塊、三相fet 全橋模塊、mc33399lin物理層通信模塊。

    霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置,它是3個脈寬為180°(電角度) 、互差120°(電角度)的信號。單片機(jī)的定時器輸入捕捉單元捕捉到位置信號的變化,實(shí)現(xiàn)定子繞組電流的換向,確保定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場保持平均的垂直關(guān)系,以利產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。同時,通過定時器記錄的2次換向之間的時間間隔,可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速,根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與計(jì)算轉(zhuǎn)速之間的差值通過pi算法調(diào)節(jié)pwm占空比,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速、起/停、正/反轉(zhuǎn)等信息來自lin總線的報文幀。

    3.1 電源管理模塊

    現(xiàn)代