车用智能电机控制样片6件套免费申请！附水泵及案例详解

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水泵，公元前二百多年的产物，在今天和我们的生活密切相关，出现在各类应用中：

农业中的田地灌溉，工业机床的润滑和冷却，城市的供水排水系统……

在汽车上，水泵也有至关重要的作用。如果没有水泵，汽车发动机会因为过热而熄火。那么在汽车上水泵是如何工作，如何设计呢？听金脉电子工程师告诉你：

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下拉文末一键免费申请：电机控制嵌入式集成芯片、MOS管、传感器

第二篇项目分享：500W电子水泵方案诞生记

在农业灌溉中，水泵是利用数字控制的方法精准控制水的流量、流速以及压力进行动态输出，并且可通过反馈控制构成闭环环路进行双反馈控制。实现针对不同的灌溉工况进行不同的控制。

而在汽车中，水泵的作用是对汽车的冷却液加压（一般是水），将冷却液循环送至散热器中构成大循环降温系统。

汽车水泵工作过程

发动机通过皮带轮带动汽车水泵轴承及叶轮转动，汽车水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，汽车防冻液循环液从出水道或水管流出。同时，叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力降低，水箱中的冷却液在汽车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。

上图是机械式离心泵的工作方式，机械式离心泵主要靠腔体之间的压差来控制阀门的开关来控制流量流速，无法完成各腔体流量及流速的精准控制。为了解决该问题，工程师们发明了电子泵。

电子泵由电机、泵体和控制器构成，控制器带有调速指令接口并可从指令接口处获得指令，驱动并控制泵工作在需要的转速和功率下。这样泵的转速和输出功率就可以根据需要自由调整，大大提高了系统的控制鲁棒性和精准性。

在电子泵中，决定系统性能的关键性器件就是电机，驱动汽车水泵的电机主要是异步电机。近几年，永磁同步电机逐渐应用于水泵电机的控制，异步电机和永磁同步电机的区别有：

永磁同步电机可以提高水泵的工作性能并且延长水泵的使用寿命，相比于其它电机，永磁同步电机在水泵中的应用优势主要有如下三点：

1）具有高效率：永磁同步电机比单相异步电机效率高15-20%，比三相异步电机的效率要高7-10%，用了高效的电机作为水泵的动力源，水泵的机组效率可大幅提高。

2）高速应用优势明显：永磁同步电机的转速可以根据要求来设计，速度高时，电机体积小，耗材少，单位功率的成本低。普通异步电机的转速由磁极数决定，常用2极或4极，异步电机的转速在50Hz时2极的最高工作转速不会超过2900转/分，泵的叶轮的设计只能根据这个转速来设计。

3）高速性能优异：汽车水泵电机转速可选4000至7000转/分，相比于其它类型电机的驱动方式，水泵电机在高速运行时性能平稳，可以把转速选定得更高，在大排量多缸汽车高速行驶时，永磁同步电机的转速可达10000转/分。

曾经对驱动泵的电机进行过测试，使用永磁同步电机替代三相异步电机后，当转速为3000转/分时，使用相同规格大小的永磁同步电机的功率是三相异步电机的2.5倍；当转速为4000转/分时，比异步电机功率大4倍，并且泵体的体积可缩短一半，节省材料及成本。同时，其功率等级满足GB/T30253-2013的二级标准，数值接近一级水平。

英飞凌助力汽车水泵的设计

在汽车水泵的设计中，一款优秀的解决方案可以帮助厂商更好的满足主机厂的设计及需求。英飞凌在这一方面做了大量工作，如下面展示的高性能汽车水泵解决方案：

英飞凌电动水泵解决方案

汽车水泵系统主要由12V的汽车电源供电，并在系统中要对电源总线系统进行反向击穿保护。电动汽车水泵的构成主要有3部分模块构成：主控、MOS驱动和传感器三部分。

在主控部分中，英飞凌独创了基于ARM-Cortex M3内核的嵌入式功率系列MCU，集成了主控制器、通讯接口及交互界面、MOS栅极驱动器等器件。在主控器的模块选择中，可选择英飞凌提供的TLE987x系列控制器。这几款芯片内部集成了电流传感器和10位ADC，在使用时可以直接监测MOS的工作电流，同时包含线上电压调节器，该模块同时集成了LIN收发器，可通过LIN总线直接进行通讯，在进行设计时可以有效减小外设数量，精简设计的BOM。

在MOS驱动方面，英飞凌可提供高性能的IAUC80N04S6N036、IAUA250N04S6N007、IAUA200N04S5N010、IAUC100N04S6N022、IPZ40N04S5-3R1。这些MOS使用了英飞凌公司先进的OptiMOSTM技术，其具有N沟道增强模式，并满足汽车AEC Q101认证要求并通过了100%雪崩测试，在应用过程中驱动PMSM电机的效果良好。MOS管样片正在申请中：

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传感器应用方面可以使用英飞凌提供的TLE4961-1M霍尔开关，该霍尔开关用于位置检测，具有较高的检测精度，具有反向极性保护和过电压保护功能，并使用小型的SMD封装可节省PCB的空间。

使用英飞凌产品设计电动水泵系统

当要设计一个电子水泵控制项目时，有详细的参数要求，该如何选择芯片呢？

水泵设计的详细参数要求：工作温度范围为-40-120℃，额定工作电压为12V，正常工作电压范围为9-18V，软起动时间为8S，转速范围为500-5500转/分，使用PWM进行速度控制。根据需求，设计的PWM输入信号需求：

由于水泵的空间小，工作稳定性要求较高，因此在使用时需要选择高集成度的单芯片解决方案，比如英飞凌的TLE987x作为主控器件。

电子水泵主要由两大部分构成：水泵机械总成和电子控制部分。机械部分在设计时将小尺寸的永磁同步电机嵌入到水泵的内部总成，永磁同步电机的输出轴连接水泵泵体的转轴，需要在定位时注意同轴度。永磁同步电机带动水泵的机械转轴进行转动并且进行调速，泵体采用双通阀式设计，在同一时刻可以控制阀体腔的开关大小来控制流量。

电子控制电路部分主要包括主控制器电路、LIN总线通讯电路、驱动电路、电源电路等，由于使用了高集成度芯片，设计出的PCB的外径尺寸非常小，并且仅使用单面贴片和双面走线，大大节省了空间。

系统硬件结构框图

软件设计系统框图

主程序在上电后首先对外设进行初始化设计，包括驱动模块的初始化、主控模块的初始化、通讯模块的初始化、供电模块初始化等。随后进行状态机检测，状态机检测（状态机控制主要分为3种状态，分别为准备、工作、错误3种状态。当状态机处于准备状态时，对永磁同步电机做启动的处理；当状态机处于工作状态时，主要进行调速及换相处理；当状态机处于错误状态时，需要启动保护操作并发送错误报文），需要判断中断的工作状态并一直循环工作。

永磁同步电机的控制基本都是在中断中进行，触发中断的两种方式是ADC完成中断和PWM的重载中断。采用电阻中断进程是在ADC中完成的，当完成了电流采样工作后该中断就会被触发，从而执行永磁无刷直流电机的FOC控制。在FOC的控制中，需要使用FOC的坐标做换，包括双闭环控制（电流环和速度环）。速度环在控制中属于慢环控制（SlowLoop），该闭环控制的执行周期间隔比较长，通常设置为1-10ms；电流环在控制中属于快环控制（FastLoop），其执行频率是PWM周期或者PWM周期的整数倍。

电子水泵设计完成后，通过匀速带载和变矩实验，可以看出控制效果优良：

PMSM水泵电机电压波形测试图

观察电机的电压波形，可以发现，在初始换向阶段电压波形存在一定的扰动，这是因为电机起动瞬间机械扰动造成的杂波干扰，经过滤波处理后电机便可进行正常的工作。实验工况为永磁同步电机电机匀速旋转，观察电压波形图发现电压波形稳定，电压扰动较小，可稳定输出转矩。

PMSM水泵电机转矩测试图

上面测试的目的是看电机在连续变转矩的工况下水泵工作的可靠性。测试激励选择TC-16392周期往复测试激励信号，观察输出的转矩测试波形图可以发现。转矩在测试激励的激励下稳定在固定周期内进行变转矩操作。

如果你对上面用到的英飞凌芯片感兴趣，目前正在进行样片申请，样片型号：

1）基于Arm Crtex-M3内核的电机控制嵌入式集成芯片：TLE987QXA40；

2）功率MOSFET：IAUC80N04S6N036，IAUC120N04S6N010；

3）霍尔开关：TLE4961-1M，位置传感器：TLE5501 E0001

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