项目编号：? 1910??

车用电子水泵控制器通用开发平台的研究及实现

Research and Realization of Universal Development Platform for Vehicle Electronic Water Pump Controller

 

项目研制单位：上海工程技术大学? 华域皮尔博格泵技术有限公司

主要研制人员：范平清 ?牛晓威 ?马西沛 ?张琳 ?郭辉 ?杨超 ?马明辉 ?马丽凤

袁涛 ?赵恒 ?胡鑫洋 ?李森 ?葛阳洋

主题词：电子水泵 ?国产芯片 ?控制器 ?滑模观测器

• 研究内容介绍

1.1 目的意义

电子水泵是汽车冷却系统中必不可少的一个关键部件，而电子水泵驱动电机控制器的设计更是衡量电子水泵性能优劣的核心。基于国产MCU芯片，无位置传感器FOC控制，开发电子水泵控制器通用开发平台，满足不同控制方式的电子水泵控制器开发需求；考虑各个控制模块的可靠性和整个控制系统的实用性，对软硬件系统进行模块化设计；基于驱动电机数学模型，提出了电子水泵驱动电机全速段复合控制策略，以满足汽车电子水泵对于调速性能精确性的需求；形成具有自主知识产权的电子水泵控制器产品，实现汽车电子水泵控制器国产化设计，减少对于进口电机控制芯片的依赖，降低中小功率电子水泵的开发周期，解决我国汽车产业在此类领域中长期受制于人的困境。

1.2关键技术

(1) 采用无位置传感器控制方案，对电子水泵的无传感器全速阶段控制，实现水泵转子位置和转速的准确估计；

(2) 针对60W的电子水泵，通过性能预测和成本控制，完成基于国产MCU的中小功率电子水泵控制器硬件系统研发；

(3) 电子水泵控制器模块化软件系统设计，最终形成具有可移植的控制器开发平台软件及源代码；

(4) 完成基于国产MCU的电子水泵控制器原型机制作、在试验台架上对电子水泵的各种性能测试，验证该控制系统的可行性和实用性。

1.3技术路线和方法

汽车电子水泵驱动电机所采用的电机类型为永磁同步电机，永磁同步电机是一个非线性、强耦合的复杂系统。依据电机的已知参数，建立永磁同步电机的数学模型，对电子水泵控制器系统进行整体方案设计，实现硬件系统、控制策略、软件系统，以及电子水泵测试平台的设计，项目研究及开发的技术路线如图1所示。

图1 技术路线

(1) 硬件系统：电子水泵控制系统硬件采用AC7801x与E523.01C，通过SPI通讯进行数据交换，实现电机控制的目的。该系统支持9V～24V直流工作电压，采用PWM通信方式实现调速功能。电子水泵控制系统原理框如图2所示。

图2 硬件控制系统原理框图

(2) 全速段复合控制策略：基于驱动电机数学模型和无位置传感器矢量控制理论，提出电子水泵驱动电机全速段复合控制策略，如图3所示。使电子水泵电机不同运行状态－零低速状态、中高速状态以及过渡阶段对应不同的控制策略，有效提高永磁同步电机无传感器控制系统转速的跟踪效果，改善转速的超调与抖振问题，提高系统的抗外部干扰能力。

图3全速控制策略系统框图

(3) 软件系统设计：在软件系统的结构中，本项目采用分层化和模块化的方法进行编写，将软件结构分为硬件驱动层、控制中间层和应用层三层，其分层结构如图4所示。

图4软件系统架构

(4) 实验测试平台：为测试汽车电子水泵不同工作状态下的运行性能参数，其中包括进水口压力、出水口压力和流量等性能参数，参照行业标准设计一款汽车电子水泵测试试验台架。试验台架主要由平台本体、蓄水箱、测试管路、出口压力传感器、进口压力传感器、流量计、冷煤、电子水泵总成、示波器、直流可调电源以及PWM信号发生器等部件构成，其中试验台架如图5所示。

图5 电子水泵试验台架

1.4效果与水平

本项目以某电子水泵为研究对象，基于国产MCU芯片，完成国产芯片控制器原型机控制算法及软硬件系统的研究，开发基于国产MCU的电子水泵控制器系统，控制器所需器件的国产化达到98.68%，形成具有自主知识产权的电子水泵产品，提高汽车产业的核心技术竞争力。与现有研究相比，项目研究成果具有电子水泵控制器通用开发平台开放且兼容性好、控制算法先进且稳定、控制器软硬件系统功能可靠而且实用等技术先进性。

• 技术创新点
• 电子水泵控制器通用开发平台的开放和兼容性。电子水泵控制器通用开发平台采用国产车规级微控制器、预驱动、MOS全桥电路、电流电压温度采样的开放式架构。为满足后期开发升级需要，当选用不同型号的微控制器、预驱动和MOS管时，只需利用基础代码生成工具快速生成控制源代码即可。

开发面向应用的软件库和功能块库，以适应多种型号的微控制器、预驱动、MOS管。支持的控制功能有：单电阻/双电阻FOC、有感/无感方波控制、滑模观测器/磁链观测器算法、CAN/LIN/PWM调速、顺/逆快速启动算法、过压/欠压/过流/堵转/缺相/空转等保护机制。各种功能在软件中已模块化设计，可以根据电子水泵的实际控制需求，进行选用和配置。电子水泵控制器的源代码可以在Keil、IAR和Codewarrior等多种开发环境进行编译。

• 基于国产芯片控制器控制算法先进和稳定性。为了满足汽车电子水泵对于调速性能精确性的需求，本项目基于所推导的驱动电机数学模型和无位置传感器矢量控制理论，提出了电子水泵驱动电机全速段复合控制策略。基于电子水泵电机不同运行状态，零低速状态、中高速状态以及过渡阶段所对应的不同的控制策略进行分析，有效提高永磁同步电机无传感器控制系统转速的跟踪效果，改善转速的超调与抖振问题，同时提高系统的抗外部干扰能力。

在零低速阶段，采用两次预定位、I/F控制策略以实现在低速段的无位置传感器控制，并对传统角度阈值切换策略加以改进，从而实现从零低速阶段平滑过渡至中高速阶段；在中高速阶段，采用基于锁相环的滑模观测器，以及新型趋近律的滑模转速环的控制策略以实现在中高速段的无位置传感器控制。该复合控制策略保证了无位置传感器控制的调速精度和动态特性。

• 控制器的软硬件系统功能可靠性和实用性。基于控制器通用开发平台，研制的电子水泵控制器软硬件可靠性设计是保证电机控制系统稳定运转的基础。开发过程中既考虑了各个控制模块的可靠性，又考虑整个控制系统的实用性。在电子水泵控制器硬件控制系统中，通过模块化设计了硬件电路，主要包含：电源模块、主控模块以及功率驱动模块。采用模块设计减低了复杂性、便于修改、且使得支持系统不同部分的并行开发实现起来更容易。以上关键模块设计符合此次项目硬件实用性需求。

软件平台控制系统采用分层化和模块化的方法进行编写，主要把软件结构分为硬件驱动层、控制中间层和应用层三层。硬件驱动层集成了外设HAL接口，以Cortext-M0内核，结合TIMER定时器、GPIO、ADC、SPI、PWM等模块，构成驱动芯片控制的基础。中间层将控制策略进行模块化划分，包含相电流采样、SVPWM、观测器算法、坐标变换等，通过API接口对应用层提供服务。通过改变中间层中的观测器算法即可实现对汽车电子水泵不同控制算法的无位置传感器控制。应用层包括汽车电子水泵各状态的状态机切换、故障检测与保护策略、控制算法与通讯模块等模块。通过模块化设计方便后续程序的调制、移植和开发。

3、专利/论文/获奖情况

申请并受理发明专利1项，专利全称为：新型具有动态误差补偿的永磁同步电机位置观测器；专利号：202110249690.4；发明人：范平清, 张琳, 郭辉, 马西沛, 牛晓威；

发表相关学术论文8篇。

4、 人才培养

培养研究生3名，在项目中更加了解汽车电子水泵产品的使用环境、功能要求、测试要求等。

培养企业工程师2名，使企业工程师对电子水泵控制算法理论及硬件设计加深理解，以国产MCU AC7801为主控的电子水泵控制器软件及硬件设计平台为基础，指导企业后续国产化控制器的开发及应用工作。

5、成果应用及经济效益预测

随着新能源汽车的发展，汽车行业对电子水泵等新型汽车零部件的需求也与日俱增。每台电动汽车需要配备2～5个电子水泵。该项目产品首先可在上汽集团内部企业推广，提升自主研发的电子水泵性能，而后向上汽集团以外的整车及零部件设计开发、制造等企业进行有偿推广和使用。