新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)控制技術(shù)研究

張麗鳳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

1 電動壓縮機(jī)自控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

本課題所設(shè)計的新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)控制技術(shù)，主要由直流工作電源、功率開關(guān)電路、壓縮機(jī)、驅(qū)動電路、控制器、電流及位置檢測等部分構(gòu)成[1]。不同部分的功能不同，其中壓縮機(jī)為系統(tǒng)的核心構(gòu)件。電動機(jī)需在利用永久磁體的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)磁通源，使之在氣隙磁場的作用下，產(chǎn)生電磁力，進(jìn)而使電動機(jī)能夠克服阻力，帶動空調(diào)運(yùn)行。計算公式如下：Fe=BLI=BINI。

2 通信接口及相關(guān)技術(shù)

2.1 通信接口設(shè)計

新能源汽車內(nèi)部電氣元件較多，采用傳統(tǒng)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸面臨的干擾往往較多，通信質(zhì)量及數(shù)據(jù)的傳輸效率難以得到保證。將控制器局域網(wǎng)應(yīng)用到通信接口的設(shè)計中，實時控制壓縮機(jī)運(yùn)行，可有效提高空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，提高空調(diào)電動壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 電動壓縮機(jī)控制技術(shù)

該技術(shù)要求以傳統(tǒng)的三相電流為基礎(chǔ)，模擬直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方式，將電磁原理應(yīng)用到技術(shù)的實現(xiàn)過程中，使定子電流矢量得以被分解為直軸電流，進(jìn)而推動電動壓縮機(jī)的運(yùn)行。該技術(shù)需以空間矢量脈沖寬度調(diào)制算法為基礎(chǔ)而實現(xiàn)。算法中，定子電壓空間矢量可以以U表示，角頻率以w表示。當(dāng)電流正弦波電壓不變的情況下，兩者呈線性關(guān)系。

3 新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)控制的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1.1 DSP控制芯片

本課題所設(shè)計的壓縮機(jī)，控制芯片以DSP芯片為主，供電電壓3.3V、CPU共32位，主頻最高60MHz、最低40MHz、共包括22個可編程，編程模式統(tǒng)一，代碼效率高，應(yīng)用價值較高。DSP控制芯片中，USB接口多功能調(diào)試器為其核心構(gòu)件。用戶僅需提供電壓為5V的電源，即能夠啟動接口，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。該接口的通信方式以UART串行通信為主，能夠滿足新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動需求。芯片的仿真模式包括自仿真及它仿真兩種。前者需依賴板載仿真器核心板而實現(xiàn)，后者相同。

3.1.2 電路及信號

（1）電路設(shè)計：新能源汽車空調(diào)電動機(jī)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)對電壓的要求較高，必須保證電機(jī)線圈具有精確的電流信號，才可滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。本課題所設(shè)計的電路，以SMI±30DCE-P3-O9/S16霍爾電流傳感器測量電路電流為主，電流范圍-30A--30A，電流信號可經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為可供應(yīng)用的信號，與系統(tǒng)需求的適應(yīng)性較強(qiáng)。（2）信號設(shè)計：空調(diào)電動壓縮機(jī)信號的傳輸，需借助傳感器而實現(xiàn)。傳感器量程±12.5mm、靈敏度 0.157V/mm、響應(yīng)頻率為 1kHz、輸入及輸出電壓分別為12V及3.5V。

3.1.3 驅(qū)動電源

本課題所設(shè)計的新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)，需以永磁式直流電機(jī)為主要動力來源而運(yùn)行。驅(qū)動電源參數(shù)如下：額定電壓63V、額定電容30F、電阻38mΩ、允許運(yùn)行溫度最高為 65℃、最低為-40℃，基本能夠滿足新能源汽車所處的運(yùn)行環(huán)境對車輛電源運(yùn)行溫度的需求。為提高電源容量，本課題決定將活性炭多孔電極與電解質(zhì)相互聯(lián)合，組成雙電層結(jié)構(gòu)，用以儲存電能。當(dāng)汽車停止運(yùn)行后，電力的供應(yīng)將隨之中斷，雙電層結(jié)構(gòu)立即啟動，儲存電能可隨即實現(xiàn)對空調(diào)的電力供應(yīng)，使之能夠繼續(xù)運(yùn)行。

3.2 電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1 軟件運(yùn)行流程

新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)軟件運(yùn)行流程如下：（1）程序初始化，等待中斷服務(wù)程序，判斷通用定時器下溢中斷是否產(chǎn)生。如未產(chǎn)生，需循環(huán)等待中斷，直至中斷產(chǎn)生為止。（2）待中斷產(chǎn)生后，軟件可立即實現(xiàn)對位置信號的檢測，并計算給定電流的大小。（3）檢測電流信號，采用模糊PID調(diào)節(jié)的方式，實現(xiàn)對電流的調(diào)節(jié)。（4）待PWM波產(chǎn)生后，中斷退出，軟件隨即結(jié)束此次運(yùn)行，繼續(xù)等待中斷服務(wù)程序。

3.2.2 子程序設(shè)計

（1）初始化子程序：設(shè)計人員可于定義函數(shù)的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)變量清零，使之關(guān)閉。同時，調(diào)整DSP時鐘頻率，將其控制在60MHz左右，將信號采樣頻率控制在3MHz左右，以滿足子程序初始化的要求。子程序初始化定義串口通信波特率為115300，在此波特率下，空調(diào)通信完全能夠正常進(jìn)行。（2）中斷子程序：設(shè)計人員可首先賦予寄存器以變量，在此基礎(chǔ)上，等待中斷循環(huán)。當(dāng)定時器顯示為1時，表明通訊中斷。定時器顯示為2時，表明通信已重新連接。

3.2.3 信號檢測軟件

本課題所應(yīng)用的信號檢測硬件以傳感器為主，傳感器初始電壓為 0.5120V，精確度為 0.1326V/mm、測量范圍處于0--25mm之間。輸出位移s=u-0.5050/0.160。中斷程序每周期采樣4次，設(shè)計人員可通過查詢電流控制表的方式，得到給定電流值，以之為參考，做斷電處理。為避免碰撞問題產(chǎn)生，可對止步點的極限位置進(jìn)行約束。本課題所設(shè)計的極限止步點為0.7mm。當(dāng)系統(tǒng)檢測到活塞位移已處于極限值時，電機(jī)可立即對之施加反方向的電磁力，將活塞調(diào)整至正常的工作狀態(tài)，降低活塞碰撞風(fēng)險的發(fā)生幾率，提高空調(diào)電動壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性。

3.2.4 模糊PID調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)的PID算法，需于計算偏差e（t）的基礎(chǔ)上，分別計算u（p）、u（i）及u（d），根據(jù)四者之間的關(guān)系，得到最終解。采用該算法計算，效率較高，但計算結(jié)果的精確度差，因此不予使用。將改進(jìn)的模糊PID算法應(yīng)用到空調(diào)電動壓縮機(jī)的控制中，可有效解決上述問題。模糊PID算法要求在計算偏差e（t）的基礎(chǔ)上，得到偏差的變化率ec（t）。將兩者與量化因子模糊化相乘，通過查詢模糊控制表的方式，得到最終的PID修正參量，得到最終解。

3.3 模擬實驗及結(jié)果

3.3.1 實驗設(shè)計

（1）壓縮機(jī)參數(shù)：電阻0.7Ω、額定電壓90V、峰值推力860N、額定電流30A。（2）MOS管型號為IRFP150N，工作電流42A、控制電壓15V（最大100V）、可允許的最大環(huán)境溫度為175℃，最小為零下55℃。（3）模擬新能源汽車空調(diào)電壓縮機(jī)硬件平臺，由仿真器、電腦、芯片、驅(qū)動板、五針式插座等構(gòu)成，傳感器供電電壓為15V。

3.3.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果提示：采用該方法設(shè)計，電壓加載及時，動態(tài)響應(yīng)好，單周期 25ms、上移速度峰值為 2m/s。表明，該設(shè)計方式能夠有效滿足新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)的控制需求，使數(shù)據(jù)傳輸效率得以提升，使汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。

4 結(jié)論

綜上所述，本課題應(yīng)用新能源汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)控制技術(shù)所設(shè)計的控制系統(tǒng)，單周期短、上移峰值速度高，控制效果佳。新能源汽車設(shè)計人員可考慮將該技術(shù)應(yīng)用到汽車空調(diào)硬件系統(tǒng)的設(shè)計中。

[1] 徐俊芳,牟連嵩,劉雙喜.國內(nèi)外典型純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)方案解析[J].汽車與配件,2017,(32):73-75.