汽车引擎冷却风扇控制器的设计与芯片化研究

摘要

目前，汽车电子化控制已经成为不可逆转的潮流，汽车最终将成为集信息化、电子化和智能化为一体的载体。其中，汽车发动机在高温工作环境下必须得到适度的冷却，以使其保持在适宜的温度下工作，这样才能满足发动机良好的工作性能、耐久性和废气排放的要求。发动机冷却系统在此起着关键作用。而发动机冷却系统的控制技术，主要就是冷却风扇的控制技术。如何以最低的成本、功耗，最好地完成发动机冷却系统的任务，冷却风扇控制技术值得深入的研究分析。
　　 本论文在充分考虑冷却风扇控制器自身故障检测及其保护等关键技术的基础上，研发出一套具有自主知识产权的车用冷却风扇的BLDC控制系统。该系统主要针对一款经过特殊设计的四相无位置传感器无刷直流风扇电机进行控制，其无刷无位置传感器的特性克服了有刷直流电动机机械换相带来的一系列缺点，也使得电机体积减小，制造成本降低，可靠性提高。同时，由于其双线绕组的特殊性能特点，本文采用半波电路控制方案来替代传统全桥电路控制方案，结果依然可以获得较高的转矩输出能力，满足转矩性能要求，达到接近全桥电路效果，从而使得控制器具有低成本，高效、高可靠性的特点。
　　 整个系统控制采用无位置传感器电机控制算法，利用反电动势来检测确定转子位置，从而保证换相时序的正确。同时，系统建立发动机工作温度与风扇转速之间的数学模型，根据功率器件温度采样信号，自动调整风扇电机的运行模式，保证发动机工作在最佳效率点。此外，系统还设计完成了应用于汽车电子控制器的多任务操作算法，采用基于时间片的多任务操作，将电机失步保护、过流保护、过压/欠压保护、开路/短路保护和通信诊断等功能按优先级分为不同的任务，任务仲裁单元对各个任务统一调度，以满足汽车应用中对冷却风扇控制器可靠性和实时性的高要求。整个系统进行了测试，其测试结果达到了预期的设想。
　　 最后，本论文对控制器各个模块进行数字电路的设计，并且采用CycloneⅡEP2C20F484C7N硬件开发板来实现FPGA验证，对整个系统控制器的芯片化进行研究，为下一步汽车专用微控制器芯片设计奠定了基础。