浙江毅力汽车空调有限公司 叶 雨 付忠亮 黄忠毅 季菲菲 吴 庆



一种汽车直流无刷电子扇驱动电路的设计

浙江毅力汽车空调有限公司 叶 雨 付忠亮 黄忠毅 季菲菲 吴 庆

【摘要】介绍一种汽车直流无刷电子扇驱动电路的设计。飞思卡尔的Kinetis EA系列MCU具有丰富的文档、硬件和软件工具，尤其它特有的汽车数学和电机控制库集可大大加速产品的开发，降低设计成本。本设计采用Kinetis KEA128实现了3相无霍BLDC电机控制，实现了汽车冷却系统电子扇驱动模块的开发，并形成批量产品投放市场，获得较好的经济效益。该产品具有效率高、节能的优点，符合国家提倡节能减排和使用新能源的倡议。

【关键词】直流无刷；电子扇；Kinetis

引言

汽车在高速行驶的过程中，发动机的温度会变的很高，因此发动机就需要得到冷却降温，发动机电子冷却系统通过电子扇降温的原理，降低发动机的温度，保证发动机的正常运行，避免出现故障[1]。目前市场上的汽车电子扇按电机类型划分主要有直流有刷电子扇和直流无刷电子扇（BLDC）两种。市场上低端的汽车其电子扇一般采用陶瓷电阻分档调速，中高端汽车的电子扇则采用电子调速模块进行线性调速，相对陶瓷电阻模块，具有效率高、调速好、节能等优点。电子调速模块根据配套的风机，又可分为直流有刷调速模块和直流无刷调速模块。这里介绍一种3相无霍BLDC电子扇的调速模块驱动电路的设计方法。目前市面上的电子扇主要为有霍形式，在风机内加装霍尔感应装置，确定转子位置，根据所得位置信息对电极进行换相。无霍则是通过检测风机输出相位中的反电动势来计算转子的位置。

图1　采用Kinetis KEA128实现3相无霍BLDC电机控制方案

1 硬件设计

采用飞思卡尔官方推荐的3相无霍无刷直流(BLDC)电机控制解决方案，采用PWM调速方式，使用Kinetis KEA128作为主控芯片，MC33937A做预驱动器，控制MOS管构建的3路半桥电路驱动一个三相无霍BLDC电机，电机运行以“两相导通三相六状态”方式运行，系统整体方案见图1。运用KEA128内部丰富的外设，结合飞思卡尔提供的汽车数学和电机控制库集，使用反电动势零交叉点检测结合闭环速度控制和动态电机电流限制方法实现了电子扇的无级调速控制。同时结合汽车电子扇的实际工作需要，设计了调速控制信号检测电路、工作电源电压欠压/过压保护电路、过流保护电路、过热保护电路等。

1.1 MCU的选择

KEA128是飞思卡尔最新推出的Kinetis EA系列基于ARM® Cortex®-M0+的MCU，主要面向汽车应用。它覆盖-40至125°C温度范围的汽车级质量认证。电压工作范围2.7V～5.5V；最高128KB的Flash,64KB的RAM；内部ICS或外部参考时钟经FLL倍频后，可最高工作于48M系统时钟。一个6通道的FlexTimerPWM以及高达16通道的12位ADC正好满足了3相无传感器BLDC电机的驱动系统设计要求[2]。

1.2 桥式驱动电路设计

电机驱动电路采用桥式驱动，6路PWM控制由3个高边MOSFET和3个低边MOSFET构成的3路半桥。简化和提高可靠性MOSFET驱动采用一款场效应晶体管(FET)预驱动器MC33937A，其专为3相电机控制和类似应用而设计，包含3个高边FET预驱动器和3个低边FET预驱动器，3个外部自举电容可为高边FET提供栅极电荷。通过6个直接输入控制信号、一个用于器件设置和异步复位的SPI端口以及使能和中断信号与KEA128相连接。本设计的电子扇最大功率为360W，额定工作电压12V。MOSFET选用Infineon的IPD100N04S4-02，Vds最大40V，Id最大100A，尤其Rds只有2mΩ。MC33937A内置电流检测器，可在桥式驱动电路的对地公共端中串入一个康铜采样电阻，用于检测风机当前是否存在过流/风机卡住情况。

1.3 反电动势过零检测电路设计

普通的无刷直流电机采用三相逆变器供电，其绕组具有梯形波反电动势和方波电流，每相绕组通电120°电角度，无刷直流电机在正常导通期间只有两相绕组通电，另外一相绕组断开，因为断开相绕组中没有电流流过，因此其端电压反映了该相绕组反电动势的大小，而反电动势的过零点领先该相绕组换相信号30°电角度[3]。利用这个电压、电流信息，通过软件算法可以得到电动机转子位置。反电动势过零检测电路其实是一个同步采样电路，风机的3相电压信号经过电阻分压并钳位后使用KEA128内部的高速12位ADC进行采样，然后与对应零点数据值进行比较，判断过零点。在反电动势过零后，再过30°后开始换向。

1.4 其他电路设计

电子扇驱动模块需要通过检测空调ECU发出的调速信号，进行无级调速输出。本电子扇配套的ECU输入的调速信号为15Hz的PWM脉宽信号，同时还具有一个使能控制端，使能端接工作电源电压时有效。输入信号检测电路见图2，IN为PWM信号输入端,EN为使能控制端，CAP_IN接到KEA128的捕获输入引脚实现占空比测量。

图2　输入信号检测电路

当工作电源欠压/超压时应及时停止输出从而保护系统驱动电路以及风机。12V汽车系统一般保护点下限为7.5V，上限17.5V。将电源电压分压、滤波并使用二极管钳位后送到KEA128的AD引脚，由软件程序完成判别处理。KEA128的AD通道中还有一路内置的温度传感器通道，读取其采样值并经过简单的数学计算，可大致推算出IC当前温度，为系统的过温保护提供依据。

系统工作电源主要分为5V和12V，外部主电源经过LC滤波等EMC处理后，直接得到12V用于预驱动器等外围电路供电，另外使用L4949E汽车级电源管理IC稳压得到一个5V电源用于KEA128及其外设供电。

2 软件设计

软件部分基于MDK516平台开发，使用C语言完成。KEA系列MCU附带的一套丰富的文档、硬件和软件工具及应用说明，大大加速了开发过程并降低了设计成本。借助驱动程序和固件库完成底层设计后，使用Freemaster 和MCAT工具进行风机的PI参数调试，使产品尽可能的高效率、节能。它们都基于HTML的调试界面，用户能够在仿真环境中进行调试，实时优化控制结构参数，节约制作原型的时间和成本。

风机驱动主要过程，以预先决定的顺序将线圈通电，借此在开回路配置下启动风机。风机可能无法高效操作，但会开始转动。当速度足以产生足够的反电动势时，系统自动切换到正常的（高效）闭回路运转模式。MOSFET驱动PWM信号频率采用24KHZ。

系统主程序除了实现过零检测调整相序外，还需要根据输入的PWM脉宽调速信号对风机进行闭环速度控制、动态电机电流限制，同时实时对 DC总线过压、欠压和过流故障监测。

3 结论

无霍无刷电子扇相比有霍无刷电子扇具有成本低、安装简单、无需维护等优点，正逐渐代替有霍无刷电子扇。借助飞思卡尔的Freemaster和MCAT工具，并基于Kinetis KEA128和MC33937A的一种汽车直流无刷电子扇驱动电路的设计相对以往变得更加简便、大大降低了产品的开发周期和成本。目前使用该方案设计的汽车直流无刷电子扇驱动模块及其总成已形成产品，并向市场批量供货，取得了较好的经济效益。

参考文献

[1]齐文江.浅谈现代汽车发动机冷却系统[J].华东科技学术版,2013,3:263.

[2]http://www.freescale.com/.

[3]胡延奇,范永坤,熊皑等.一种新的无刷直流电机反电动势检测方法[J].微电机,2015,2:49.

叶雨（19805—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事机电产品开发。

付忠亮（1985—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事检测仪表、智能控制系统方面的研究、开发和产品设计。

黄忠毅（1968—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司总经理，主要从事机电产品的设计开发。

季菲菲（1999—），女，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司机械工程师，主要从事机电产品设计。

吴庆（1987—），男，浙江龙泉人，浙江毅力汽车空调有限公司电子工程师，主要从事电子产品开发。

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