车载冷凝风机直接闭环启动与单电阻不移相启动两种方案详解

只看该作者 · 2023-1-28 17:46

本帖最后由清风一面于 2023-1-29 14:16 编辑

车载冷凝风机直接闭环启动与单电阻不移相启动两种方案详解

在当今时代，汽车已经被视为一种非常重要的出行工具，几乎家家户户都有。说到汽车我们会想到车内的空调加热降温功能，那这个功能是通过什么实现的呢？汽车空冷凝器将压缩机排出的高温高压制冷剂气体的热量通过冷凝器散发到汽车空外的空气中，使高温高压制冷剂气体将表面的高温高压液体冷凝。因此冷凝器是一个热量交换器，将制冷剂在车内吸收的热量通过冷凝器散发到大气当中。小型客车的冷凝器通常安装在汽车的前面（一般安装在散热器前），通过风扇进行冷却（冷凝风扇一般与散热风扇共用，也有车型采用专用的冷凝器风扇）。

图1 车载冷凝系统

车载冷凝风机方案软件调试难点：

电压纹波大。一般供电电压在7.5V~26V。电源部分特殊处理。

功率较大，正常300~600W（12V 50A）。电机控制时要注意高速顺风启动，电机状态机需要更改。

负载较大。启动难调。既要求启动速度有又要求启动成功率。等

车载风机方案特点：

1、各种负载条件下可靠启动，启动成功率100%。

2、控制方案：

1）单电阻直接闭环启动，启动平稳速度快，低速噪声小。

2）单电阻电流采样不移相启动，解决低速启动电磁噪声问题。

3、稳定的高速观测器及弱磁算法

4、快速刹车功能、掉电失压保护

5、支持顺逆风平稳启动。

6、过流、过压、欠压、过温、堵转、缺相保护功能。

车载冷凝风机硬件系统框图：

图2 车载冷凝风扇硬件系统框图

车载冷凝风机硬件设计参考：注意下面原理图电塔为12V至16V，电流小于18A，如果项目使用功率较大需要更改电源和功率预驱部分。

图3 车载冷凝风扇硬件设计参考原理图

车载方案一般会使用CAN通讯或者对风机转速精度要求较高，这时需要使用外部晶振啦，内部晶振不可以使用了。使用外部晶振注意事项：

考虑车载PCB布板小，需要晶振器件体积小，所以很多会考虑使用有源晶振。

有源晶振产生的时钟从OSC_IN引脚送进去，OSC_OUT浮空。

如果使用无源晶振，如图4晶振部分，直接将无源晶振两端接入芯片OSC_OUT和OSC_IN两端，并且分别在OSC_OUT和OSC_IN对地接一个12到15pf的启振电容。

图4 有源晶振连接参考图

方案一，车载冷凝风机单电阻直接闭环启动方案，软件状态机：

该方案状态机如图5所示：系统初始化后，先经过空闲状态，等待电机启动标志位置1。若电机启动标志位置1后，先经过顺逆风检测。若检测此时风机处于顺风低速或者逆风状态，电机进行刹车处理，然后将一些运行变量进行init初始化，再进入电机启动环节。若检测到风机此时处于顺风高速状态，则状态机直接切入RUN状态（高速观测器）运行。电机启动与正常运行分开，是两个部分，电机启动使用的是（我个人称之为）低速观测器，该观测器低速收敛较快，测试发现基本电机抖动半个或者一个电周期即可收敛，电机就可以正常运行。最后在启动状态，电机将运行速度提升到设定转速后，进入level.3学习的方案使用的观测器（我称为高速观测器）。这个方案熟悉后，发现与level.3学习的通用方案只有启动有差别，启动都是一样。Level.3学习的方案启动使用初始位置检测，然后预定位，再开环强拖，最后切入观测器（高速观测器）。该方案启动就简单的多，直接闭环启动（使用低速观测器），达到一定转速后，切入高速观测器。启优点是启动步骤简单的多，缺点是启动参数难调，调试参数没有规律，只能靠经验和不断地尝试进行调试。（注意顺风高速启动时不能进行预充电，直接进行顺逆风判断，然后运转，因为电机在高速运转进行预充电，下管在PWM斩波，会导致母线电压过冲，从而损坏MOS和预驱。补充自举电容预充电通过硬件反电动势电路进行实现）

图5 方案一风机软件控制状态机

运行效果：图6第一图为电机从启动到低速角度闭环再到高速角度闭环时，电机相电流波形。第二状图为电机启动时波形放大波，可以看出电机相电流在第一个周期内周期时间较长，此时为人为设定的最小频率在进行强拖，然后一个周期后电机有运转后低速观测器角度基本收敛完毕，最后进入低速角度闭环运行。

图6 方案一相电流波形图

方案二，车载冷凝风机单电阻电流采样不移相启动，解决低速启动电磁噪声问题方案，软件状态机：

该方案状态机如图7所示：系统初始化后，先经过空闲状态，等待电机启动标志位置1。若电机启动标志位置1后，先经过顺逆风检测。若检测此时风机处于顺风低速或者逆风状态，电机进行刹车处理，然后将一些运行变量进行init初始化，最后进入电机运行环节。该方案状态机没有开环和闭环状态，在电机预定位结束后，直接进入RUN状态，我们只需要设置好运行转速，方案内部自动进行状态切换，例如设置电机运行速度为50HZ,开环拖动最终频率为30HZ，电流环闭环频率20HZ，那么电机运行状态即为0到20HZ之间为VF强拖（电流开环角度开环），然后20到30HZ之间为电流环强拖（电流闭环角度开环），大于30HZ后进入角度闭环。若检测到风机此时处于顺风高速状态，则状态机直接切入RUN状态（高速观测器）运行。

该方案与level.3通用方案相比，电机控制状态较为简单，经过预定位后直接RUN，启动也无需初始位置检测。缺点是调试复杂，必须对level.3程序很熟练，因为该方案出来一个预定位，其它VF，IF和角度闭环状态，三个步骤合封在一起，所以我们只能通过设定转速让电机一直运行其中一种状态，如设置10HZ，那么电机会运行在VF状态，此时调试VF强拖对应参数。当到达20HZ时，电机会运行IF状态，此时调试IF强拖参数等。当电机切入角度闭环后，其它部分和level.3方案一样。（注意顺风高速启动时不能进行预充电，直接进行顺逆风判断，然后运转，因为电机在高速运转进行预充电，下管在PWM斩波，会导致母线电压过冲，从而损坏MOS和预驱。补充自举电容预充电通过硬件反电动势电路进行实现）

图7 风机软件控制状态机

运行效果：图8第一图为电机转速给到最大转速波形图，第二张图为给定转速设置为电机运行最小转速波形图。如图红色标志1，为VF预定位波形，因为电机转子抖动所以电流波形也跟随抖动，红色标志2为VF强拖波形，当到达一定转速后转换为红色标志3，电流闭环IF（角度开环）状态，最后当转速到达开环最终拖动频率后电机运行状态变为红色标志4，角度电流均闭环。这里需要注意1、该方案只能运行速度环，电流环无法电流运行，因为方案内部状态切换是通过给定和反馈自动切换的。2、因为IF切到角度闭环后为速度环，所以在低速且速度闭环时会导致电流波形过冲一段时间，在经过PI稳定住，所以程序内增加根据速度反馈，设置一个转速阈值，大于阈值一组电流环和转速环KPKI，低于设定阈值一组电流环和转速环KPKI。第二张图是调试后的电机相电流效果图。