车载水泵油泵控制方案测评

只看该作者 · 2023-1-29 16:24

本帖最后由鸥芯电驱港港于 2023-2-17 09:30 编辑

车载水泵油泵控制方案测评

下面以车载水泵进行说明，车载油泵与水泵电机控制方面基本一样，除了功能方面有所不同，这里就不区别说明啦。
水泵是汽车发动机冷却系统的重要组成部件，主要作用是负责驱动冷却液循环，吸收发动机多余的热量并通过散热装置传递到外部空气中，避免发动机温度过高。发动机温度过高会使机油润滑能力下降，导致机件磨损加剧，温度高到一定值会导致发动机拉缸或烧瓦等严重故障出现，最终导致发动机烧毁报废。
水泵分为传统机械水泵和电子水泵两种。传统发动机一般使用的是机械水泵，是通过皮带轮带动水泵轴承及叶轮转动，水泵中的冷却液被叶轮带动—起旋转，在离心力的作用下被用向水泵壳体的边缘，同时产生—定的压力，然后从出水道或水管流出。叶轮的中心处由于冷去却液被甩出而压力降低，水箱中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经水管被吸入叶轮中，实现冷却液的往复循环。
电子水泵工作原理如下∶ECU（电子控制单元）根据水温等反馈信号，通过PWM（脉冲宽度调制）调节占空比的大小，并把信号传到电子水泵内部的控制器，控制器根据占空比大小控制电机转动，从而驱动叶轮转子旋转，进而实现冷却液循环。
传统机械水泵是基于发动机转速而工作的，这也就导致了即使在对流量需求不高的冷启动和低负荷高转速工况下仍然需要很大功率来驱动，在此时提供的冷却能力远大于发动机实际需求的冷却能量，而且需要很大功率来驱动。这样机械水泵冷却能力有很大部分被浪费了，既要耗费很多额外的驱动能力，冷却效果又与发动机实际所需有一定差异，就会造成发动机的动力性和经济性的下降。而电子水泵可以冷却装置对冷却液的需求来精确控制流量。随着科技的发展及对燃油效率的高要求，电子水泵的应用越来越多市场上混动及新能源发动机都开始使用电子水泵。

图1 电子水泵与控制板实物图

车载水泵硬件控制系统框图：

图2 车载水泵硬件系统框图

车载MCU推荐产品型号：
LKS32AT085（无内置预驱）
LKS32AT086（内置6N预驱）
方案特点：
1、恒功率运行，PWM调节功率。
2、稳定的高速观测器及弱磁算法。
3、快速刹车功能、掉电失压保护。
4、入水恒功率，离水恒转速。
5、过流、过压、欠压、过温、缺相、堵转、离水空转保护功能。
车载水泵与油泵硬件设计参考：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。反电动势电路一般用在顺逆风启动功能，因为水泵本身工作在液体中，运转阻力较大，基本不存在停机自转情况，所以水泵方案反电动势电路可以去掉。

图3 车载水泵硬件设计参考原理图

车载方案一般会使用CAN通讯或者对水泵转速精度要求较高，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3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 有源晶振硬件连接参考图

车载水泵与油泵方案，软件状态机：车载水泵和油泵状态机较为风机类控制较为简单。首先对硬件自举电容充电，充电完毕后进行参数初始化。因为水泵的转子在泵体内，转子启动发生一些反转后再正转的现象人眼观察不到，所以对启动控制效果要求较低。因此电机启动时不需要进行转子的初始位置检测，只需要进行初始位置定位，当转子达到预定位角度后，进行开环强拖（此时是角度开环，电流闭环）。当电机转速到达设定的开环强拖最终频率后，切入角度闭环进行运转。再以上每一步检测到如过流，过欠压，堵转，缺相等错误，电机运行状态机切入错误状态，在错误状态将关闭电机启动标志，电机停止运转，并且错误标志置一。

图5 车载水泵软件控制状态机

水泵运行效果：如图6红色标注1为开环强拖相电流波形（电流闭环角度开环），标注2为开环切闭环时相电流波形，标注3为角度闭环相电流波形（电流闭环角度闭环）。

图6 车载水泵启动相电流波形

图7 车载水泵启动软件部分调试参数

图8为水泵功能要求为入水为恒功率，出水为恒转速控制的整体相电流波形图，图9为水泵由离水到入水相电流波形图，图10为水泵由入水到离水相电流波形图。图11为水泵在水带载频率波形，此时为恒功率，电机电频率大约为164HZ。图12为水泵离水空载时电频率波形，频率大约为125HZ。

图8 水泵由离水到入手与由入水到离水相电流波形

图9 水泵由离水到入水相电流放大波形

图10 水泵由入水到离水相电流放大波形

图11 水泵入水频率波形

图12 水泵离水频率波形

方案注意点分享：
1、官方提供的方案只有速度环嵌套电流环或者功率环嵌套速度环，而为了实现入水功率环，离水速度环，本人采用的是功率环嵌套速度环，在离水空转内判断如果离水将功率功率环限制最大输出速度值减小，如果入水带载将功率环限制最大输出速度减小为要求转速即可。功率环嵌速度环通过在功率环内将速度环PI和斜坡函数加入，然后将功率环输入赋值给速度环设定值。这里需要注意功率环速度限制为速度环最大输出，不然功率环输出过大会导致电机失控。（注意速度环和功率环初始化部分需要开启）