電動汽車空調壓縮機用永磁同步電機變頻控制系統

楊 康， 魏海峰， 顧 凱

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)具有體積小、重量輕、結構簡單、運行可靠、功率因數高、易于散熱、易于維護等顯著特點，在機床伺服系統、電梯驅動、電動汽車推進、空調壓縮機等方面得到了廣泛應用[1-2]。其中，PMSM在電動汽車空調壓縮機上的應用與普通的空調壓縮機又有很大的不同：

(1) 使用直流電源作為動力源；

(2) 汽車空調安裝在運動的車輛上，需要承受頻繁的振動與沖擊，對電機運行的安全性和可靠性要求更高；

(3) 需要空調有快速制冷、制熱和低速運行的能力[3]；

(4) 直接消耗電池能源，為保證電動汽車的推進動力，需要提高電機的效率。

PMSM具有響應平滑、轉矩脈動小、控制精度高、調速范圍寬等特點[4]。隨著高速微處理器的發展、電力電子器件的進步和控制算法的不斷完善，PMSM變頻技術的應用愈加成熟、廣泛[5]。本文以STM32F103 MCU為核心，構建了電動汽車空調壓縮機用PMSM的變頻控制系統。

1 電動汽車用空調壓縮機系統

電動壓縮機具有結構緊湊、安裝簡單、運行穩定、工作效率高、噪聲小、可靠性高等特點。驅動器與壓縮機一體式設計，驅動器通過貼合壓縮機冷端表面進行冷卻。電機在壓縮機內部對壓縮機進行驅動，通過冷媒循環可自行冷卻而不需外加冷卻設備。

圖1為電動汽車空調系統實際安裝圖。電動汽車空調系統由電動壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥及連接管路等組成。由圖可見其結構簡單，安裝方便，可大大減小整車重量與體積，并且節約生產成本。

圖1 電動汽車空調系統安裝效果圖

2 PMSM的數學模型

為簡化分析，假設PMSM的磁路不飽和，空間磁場為正弦分布，忽略磁滯和渦流損耗。

將PMSM轉子永磁體磁場的方向定義為d軸，與d軸正交的是q軸，dq坐標系固定在轉子上，與轉子同步旋轉，d軸與A軸之間的夾角為變量θr。圖2所示為PMSM的物理模型。

圖2 PMSM物理模型

在dq坐標系下PMSM的數學模型可用下列方程表示。

定子電壓方程:

(1)

(2)

定子磁鏈方程:

ψd=Ldid+ψr

(3)

ψq=Lqiq

(4)

電磁轉矩方程：

Te=Pψdiq-ψqid=P[ψriq+Ld-Lqidiq]

(5)

運動方程:

(6)

式中：R——定子繞組電阻；

Ld、Lq——定子繞組的d、q軸電感；

ud、uq，id、iq——定子繞組的d、q軸電壓，電流；

ψd、ψq——d、q軸磁鏈；

ψr——轉子永磁體產生的磁鏈；

P——轉子極對數；

ω——轉子角轉速；

Te——電磁轉矩；

TL——負載轉矩；

J——轉子轉動慣量；

B——阻尼系數。

3 控制系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

整個控制系統可劃分為四個部分，分別是電源模塊、控制模塊、通信模塊和功率模塊。其中，控制模塊用STM32系列芯片實現，功率模塊用三菱生產的PS21A79IPM來實現。圖3給出了PMSM控制系統的框圖。

圖3 PMSM控制系統的框圖

電源模塊輸入端接312V高壓直流電，分別對功率模塊和控制模塊供電。STM32的工作電壓為2.0～3.6V，需要設計降壓電路。降壓采用高頻變壓器來實現。利用DC-DC Converter UC2843來控制MOS管的開關，將直流電轉變為高頻振蕩的脈沖波形，由變壓器產生低壓交流電。低壓交流電整流后經由三端穩壓器LM117，輸出控制芯片的工作電壓。

通信電路采用光耦隔離，可在輸入信號異常時保護控制芯片不被燒壞。智能功率模塊設有故障保護功能，當有溫度、電流、電壓等故障發生時，模塊的FO腳會輸出故障信號使電機停止運行，從而起到保護作用。圖4為FO腳溫度保護的實測波形圖，FO拉低后會迅速復位，以等待故障信號的清除。

圖4 FO腳檢測故障

3.2 軟件設計

控制程序由主程序和中斷服務子程序構成。系統在每次復位后，主程序首先執行初始化子程序，完成控制器內部設定和初始狀態的檢測，以及程序中變量的定義和初始值的設置。然后進入開環起動程序，設置定時器T1作為系統的控制周期，完成后進入閉環運行程序。當中斷到來時，響應并執行相應的中斷服務子程序。程序框圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

4 試驗研究

根據上述軟硬件設計，搭建了基于STM32F103的PMSM控制系統，并對其工作性能和安全可靠性進行了試驗驗證。試驗中所用三相PMSM的參數如下： 直流母線電壓312V，極對數3，可調轉速范圍2000～6000r/min，對應占空比20%～80%線性變化。

圖6 轉速-時間曲線圖

圖6為PMSM轉速波形，圖中設有 3000r/min的基準轉速，以避免電機在高負荷下全速起動時造成失步現象[6]。基準轉速的設定范圍為 3000～4500r/min，可根據用戶的實際需求調整。

起動策略為三段式低速起動，包括轉子定位、開環加速和閉環運行三個階段[7]。轉速為零的階段由PARK運算將轉子拉到指定位置；然后由控制部分向功率模塊輸入設定好的占空比信號，開始開環運行階段；隨著電機轉速的慢慢上升，反電勢也被建立起來，最后切換到閉環運行階段，圖中標示了開環階段與閉環階段的切換點。

圖7、圖8分別為6000r/min常態工況下PMSM的相電流波形和最大轉矩時的相電流波形。“常態工況”是壓縮機行業的一個標準，這里以吸氣壓力0.196±0.005MPa，排氣壓力1.47±0.02MPa時的工況為準。

圖7 常態工況時相電流波形

圖8 轉矩6N·m時相電流波形

圖7所示相電流有效值為7.86A，圖8所示相電流有效值為20.5A，最大轉矩可以達到6N·m，最大功率4500W，完全可以滿足車載空調正常運行和高負荷運行工況的要求。

5 結 語

本文結合電動汽車車載空調壓縮機工況條件，設計了一種以STM32F103為核心的PMSM變頻控制系統。最后給出了試驗結果波形，分析了電機的控制性能，驗證了控制系統的適用性，為下一步的整機匹配奠定了良好的基礎。

【參考文獻】

[1] 滿春濤,張凱博,金禎伊,等.SVPWM變頻空調永磁同步壓縮機控制系統[J].哈爾濱理工大學學報,2011,16(4): 82-85.

[2] 彭海濤,何志偉,余海闊.電動汽車用永磁同步電機的發展分析[J].微電機,2010,43(6): 78-81.

[3] 李冬青,張永學.電動汽車空調的發展現狀與趨勢[J].電子測試,2013(6): 199-200.

[4] GUO Q F, LIANG B, ZHANG Y L. Aplication of PMSM drive system in air-conditioning[J]. Power Electronics, 2011(2)： 15.

[5] PING X, JING B. SMC with disturbance observer for high performance PMSM[C]∥Mechatronic Science, Electric Engineering and Computer (MEC), 2011 International Conference on IEEE, 2011: 986-989.

[6] 白長發.有關永磁同步電動機失步轉矩和牽入同步轉矩的問題[J].電機技術,2005(3): 45- 48.

[7] 于落星.永磁同步電機控制器改良算法的實現與設計[D].杭州： 浙江師范大學,2011.