【热门方案】基于S12ZVM的电子燃油泵参考方案

电子燃油泵 (Electrical Fuel Pump,以下简称EFP) 是汽车动力控制系统的核心组成部件之一，主要负责将油箱的燃油输送到发动机内。

目前，市场上的EFP大部分都是基于直流有刷(DC)电机，但DC电机采用机械电刷换向相结构，在使用过程中存在机械磨损、噪声、火花以及寿命短等缺点，从而导致EFP寿命下降以及可靠性降低等问题。而无刷直流电机(以下简称BLDC)相比DC电机，使用电子换相取代机械换相，解决以上DC电机的缺点的同时保留其良好的调速性能，因此BLDC电机在EFP的应用中有逐渐取代DC电机的趋势。

为了避免燃油中的一些具有腐蚀性质的化学物质对传感器造成腐蚀，BLDC电机在EFP中的应用基本采用无位置传感器控制。启动技术一直是无位置传感器控制技术的挑战，由于EFP对快速稳定的启动具有更高的要求，解决这一难题是整个参考设计的关键所在。

基于这样的背景和市场需求，恩智浦开发了基于S12ZVM的EFP参考设计，该参考设计为12V汽车系统中的基于BLDC和PMSM的EFP应用提供总体解决方案，以帮助客户缩短开发周期、降低开发成本。该参考设计不仅适用于EFP，同时可以应用于鼓风机等其他功率低于250W的BLDC和PMSM的控制系统。

EFP参考设计采用的芯片是NXP MagniV家族中的MC9S12ZVM，它具有16位MCU的所有优势，主频最高可达100MHz，同时保留了现有S12（X）系列用户目前所享有的低成本、低功耗、EMC和代码大小的效率优势。

MC9S12ZVM系列提供不同的引脚输出选项，采用80引脚、64引脚和48引脚LQFP-EP封装，以适应LIN、CAN和基于外部PWM的应用接口。此芯片提供了电机控制中所需要的几个关键外设模块，如ADC、PTU、PMF、GDU，这种高集成度的MCU可优化系统架构并节省大量空间，可以实现完全集成的单芯片解决方案，可驱动多达6个外部功率MOSFET，应用于BLDC或PMSM电机驱动中。MC9S12ZVM系列框图如图1所示：

图1：MC9S12ZVM系列框图

该方案的技术指标主要包含参考设计的设计目标以及所需的性能要求。详细列示如下：

• 供电电压范围：8V 到 16V，12V以下供电时最高转速允许降速；

• 额定电压：12V；

• 最高功率：12V供电电压下功率最高可达250W；

• 启动时间：满足可靠、快速启动，从静止到额定转速，启动时间<150ms；

• PMSM无传感器FOC控制，支持双电阻和单电阻电流采样；

• 集成初始位置检测和电流交错启动算法，保证快速可靠启动；

• S12ZVM-EFP系统通过供电电压波动、负载波动、速度指令跳转以及温升测试；

• 完善的保护机制，支持过压欠压保护、过温保护、堵转保护、硬件过流及限流保护等；

• 支持LIN/PWM发送速度指令。

该参考设计的硬件部分采用S12ZVML128 + 7*NMOSFED的设计。硬件部分的简洁设计得益于S12ZVM的高集成度，常规电机控制需要用到的驱动芯片、电源转换芯片以及运放等模拟电路都进行了内部集成。

本参考设计支持两种电流采样方案：双电阻和单电阻电流采样，同时提供了跳线帽设置，使得用户可以通过跳线帽选择任何一种控制方案。此参考设计虽然使用无位置传感器控制，但也在参考设计板预留了Hall传感器接口，给用户使用提供更多的选择。

具体硬件设计详细信息，大家可以参考S12ZVM EFP RDB Hardware User Guide。其硬件系统框图和PCB实物图分别如图2、图3所示。

图2：EWP参考设计的硬件框图

图3：EWP PCB实物图

该参考设计的PCB已经通过FCC 认证，其采用4层板结构来实现，如图4所示。

图4：EWP参考设计的PCB

该方案整体软件架构在沿用恩智浦公司的基于S12ZVM的PMSM双/单电阻样例程序的基础上，优化了启动策略，集成了电流交错启动和初始位置检测。大家可以参考恩智浦官网的软件使用手册S12ZVM-EFP RDB Software User Manual以及相应示例代码。下面的软件部分描述主要内容包括整体的软件架构以及初始位置检测、电流交错启动、电机参数测量以及保护策略。

该参考设计的软件架构如图 5所示，底层是硬件部分，中间层是相关外设驱动和中间件组件，最上层是用户APP和电机控制模块。外设驱动模块由CPMU、ADC、PMF、GDU和PTU模块组成。

• CPMU模块用于配置系统时钟；

• ADC模块用于采样电机相电流，总线电压和芯片温度；

• PMF用于生成六路PWM信号；

• PTU用于在特定的PMF重载时间点触发ADC采样；

• GDU是栅极驱动器单元，它可以放大PMF信号以使MOSFET导通或关闭，还可以实现电荷泵管理，故障机制配置等。

图5：系统软件架构

此参考设计的初始位置检测利用PMSM的凸极特点，如果一个永磁同步电机的凸极性比较明显，那么电机的电感和磁阻会随着转子位置的不同而不同。特别的，如果绕组的磁阻呈正弦规律变化，则其电感也会呈现出正弦的变化规律。

如图6所示，电感的变化周期是转子电周期的两倍。例如，当施加在电机上的电压方向为V-W，W->U，U->V时，浮空那一相的电感会随着转子位置的不同而变化，因此该相上的电压也会变化。例如，当U相电压等于母线电压的一半，V相电压小于母线电压一半，W相电压大于母线电压一半时，则可以认为转子处于-180°或0°位置上，这样转子的位置就被定位在180°以内的范围了。

图6：不同转子位置的电感变化

为了得到精确的转子位置，需要判断出转子N极的方向，即判断出转子的朝向是-180°还是0°位置。总的来说，对于电感而言，磁阻越小，电感越大；磁阻越大，电感越小。如果是一个空心电感，那么其磁阻是一定的，因而电感也是一定的。

因此，可以向电机施加一个适当的电压矢量，利用磁饱和效应来区分N极和S极。如图7所示，此时转子永磁体产生的磁场加强了定子线圈所产生的磁场，在达到磁饱和前，定子电感变化率为负值，磁阻增大。若将转子永磁体旋转180°，则定子绕组的电感变化率就为正值了。 

图7：磁场与电感关系

永磁同步电机转子位置与三相绕组之间的关系如图8所示，U相定子绕组离转子的d轴更近，V相绕组离转子q轴更近，因此U、V两相被转子磁化的程度不同，U相被磁化的程度高于V相。当向电机施加一个电压矢量时（U相接VDC, V相接GND）,开始的时候Lu小于Lv，但是两者的差距逐渐缩小，最后趋于相等。即通过W相电压的变化规律即可分辨出转子N极的指向。 

图8：转子位置与三相绕组关系

本参考设计采用的DQ轴电流交错启动算法是保证EFP快速可靠启动的关键，使得EFP在150ms之内从静止达到额定转速。两个速度阈值的设置是DQ轴交错算法的关键，其一是设置DQ轴开始变化时的临界值，当速度达到此阈值，D轴电流减小，Q轴电流增加。其二是确定电机进入无传感闭环运行临界点，此时D轴为0并将电机强拉进入无传感闭环运行状态。此种算法能较好的改善启动性能。

对于EFP的保护策略，和常规电机控制器类似，包括过压欠压保护、过流保护、短路保护、堵转保护和过温保护。这里就不再一一赘述，具体可查看此公众号的另一篇文章“基于S12ZVM的电子水泵参考设计”，这篇文章里面对各种保护策略分别详细介绍。

如果用户没有此参考设计指定的电机，或者根据自己的项目需求使用自己的电机，那么首先需要测量所使用电机的参数。要测量电动机参数，您需要准备一些通用设备，例如万用表、示波器、LCR表、电源。关于如何测量参数的具体方法，请参考恩智浦官网的文档AN4680。这里我们也不再一一赘述，具体可以参考恩智浦官网的软件使用手册S12ZVM-EFP RDB Software User Manual。

结合燃油泵的实际需求，对于该项目做快速可靠启动测试、负载波动测试、供电电压波动测试、PWM发送跳变速度指令以及温升测试等基本测试。

环境搭建的油泵系统如图9所示，测试设备包括4通道示波器、电流探头和可调直流电源和信号发生器。

图9：测试环境搭建：油泵系统

通过频繁打开和关闭S12ZVM-EFP,一共做了100次实验，结果是100％成功启动。初始位置检测和电流交错启动使启动快速而稳定。其中一个启动电流波形如图10所示。额定速度高达8000rpm，时间为107.6ms，小于150ms。

图10：快速启动相电流波形图

S12ZVM-EFP在电压13V，速度8000rpm的条件下运行，通过改变油泵的负载，检查负载变化时的相电流和速度变化。从图12看出，即使从轻负载到重负载，或者从重负载到轻负载，速度仍然稳定并且不会改变

图11：负载抖动时的相电流变化

在8V，13V和16V中测试EFP的工作状态，动态更改电源电压并检查速度变化。测试结果显示在不同电源下速度没有太大波动。如图12为供电电压13V和8000rpm下测试的速度波动。该速度波动实际上是瞬时速度的波动，如果从平均值来看，速度的波动很小。

图12：13V 8000rpm的速度波动

通过使用输入PWM不同占空比来发送速度指令并且动态输入跳变的速度指令，测试S12ZVM-EFP在这种条件下的速度值和动态性能。从下面的图可以看出，速度下降坡度小于速度上升的时间，这是因为减速的加速度小于加速的加速度，也就是说我们设置的速度上升比速度下降更快。

图13：PWM速度指令下的相电流

图14：FreeMASTER中显示的速度

在供电电压为13V、250W的额定功率下在室温条件下运行EFPMOSFET，测试开发板上的MOSFET的温度，温度变化范围从18℃升至52℃，在运行时间为5分钟时温度稳定并且接近52℃，可以看出温升为34℃。当长时间运行时，其温度变化基本稳定为52摄氏度，如图16所示。 

图15：温升测试结果

S12ZVM-EFP参考设计为用户提供了软件和硬件的参考设计，而且在软件方面通过集成初始位置检测和电流交错启动进行算法优化，使得EFP可以快速可靠的启动，这是整个参考设计最关键的技术难点及挑战。

同时我们的参考设计应用非常广泛，不仅适用于BLDC/PMSM的EFP应用，而且还可以为其他汽车小节点电机应用（如油泵、水泵、风扇、冷却系统）提供参考。