电动汽车空调压缩机用永磁同步电机变频控制系统

杨 康， 魏海峰， 顾 凯

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)具有体积小、重量轻、结构简单、运行可靠、功率因数高、易于散热、易于维护等显著特点，在机床伺服系统、电梯驱动、电动汽车推进、空调压缩机等方面得到了广泛应用[1-2]。其中，PMSM在电动汽车空调压缩机上的应用与普通的空调压缩机又有很大的不同：

(1) 使用直流电源作为动力源；

(2) 汽车空调安装在运动的车辆上，需要承受频繁的振动与冲击，对电机运行的安全性和可靠性要求更高；

(3) 需要空调有快速制冷、制热和低速运行的能力[3]；

(4) 直接消耗电池能源，为保证电动汽车的推进动力，需要提高电机的效率。

PMSM具有响应平滑、转矩脉动小、控制精度高、调速范围宽等特点[4]。随着高速微处理器的发展、电力电子器件的进步和控制算法的不断完善，PMSM变频技术的应用愈加成熟、广泛[5]。本文以STM32F103 MCU为核心，构建了电动汽车空调压缩机用PMSM的变频控制系统。

1 电动汽车用空调压缩机系统

电动压缩机具有结构紧凑、安装简单、运行稳定、工作效率高、噪声小、可靠性高等特点。驱动器与压缩机一体式设计，驱动器通过贴合压缩机冷端表面进行冷却。电机在压缩机内部对压缩机进行驱动，通过冷媒循环可自行冷却而不需外加冷却设备。

图1为电动汽车空调系统实际安装图。电动汽车空调系统由电动压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀及连接管路等组成。由图可见其结构简单，安装方便，可大大减小整车重量与体积，并且节约生产成本。

图1 电动汽车空调系统安装效果图

2 PMSM的数学模型

为简化分析，假设PMSM的磁路不饱和，空间磁场为正弦分布，忽略磁滞和涡流损耗。

将PMSM转子永磁体磁场的方向定义为d轴，与d轴正交的是q轴，dq坐标系固定在转子上，与转子同步旋转，d轴与A轴之间的夹角为变量θr。图2所示为PMSM的物理模型。

图2 PMSM物理模型

在dq坐标系下PMSM的数学模型可用下列方程表示。

定子电压方程:

(1)

(2)

定子磁链方程:

ψd=Ldid+ψr

(3)

ψq=Lqiq

(4)

电磁转矩方程：

Te=Pψdiq-ψqid=P[ψriq+Ld-Lqidiq]

(5)

运动方程:

(6)

式中：R——定子绕组电阻；

Ld、Lq——定子绕组的d、q轴电感；

ud、uq，id、iq——定子绕组的d、q轴电压，电流；

ψd、ψq——d、q轴磁链；

ψr——转子永磁体产生的磁链；

P——转子极对数；

ω——转子角转速；

Te——电磁转矩；

TL——负载转矩；

J——转子转动惯量；

B——阻尼系数。

3 控制系统软硬件设计

3.1 硬件设计

整个控制系统可划分为四个部分，分别是电源模块、控制模块、通信模块和功率模块。其中，控制模块用STM32系列芯片实现，功率模块用三菱生产的PS21A79IPM来实现。图3给出了PMSM控制系统的框图。

图3 PMSM控制系统的框图

电源模块输入端接312V高压直流电，分别对功率模块和控制模块供电。STM32的工作电压为2.0～3.6V，需要设计降压电路。降压采用高频变压器来实现。利用DC-DC Converter UC2843来控制MOS管的开关，将直流电转变为高频振荡的脉冲波形，由变压器产生低压交流电。低压交流电整流后经由三端稳压器LM117，输出控制芯片的工作电压。

通信电路采用光耦隔离，可在输入信号异常时保护控制芯片不被烧坏。智能功率模块设有故障保护功能，当有温度、电流、电压等故障发生时，模块的FO脚会输出故障信号使电机停止运行，从而起到保护作用。图4为FO脚温度保护的实测波形图，FO拉低后会迅速复位，以等待故障信号的清除。

图4 FO脚检测故障

3.2 软件设计

控制程序由主程序和中断服务子程序构成。系统在每次复位后，主程序首先执行初始化子程序，完成控制器内部设定和初始状态的检测，以及程序中变量的定义和初始值的设置。然后进入开环起动程序，设置定时器T1作为系统的控制周期，完成后进入闭环运行程序。当中断到来时，响应并执行相应的中断服务子程序。程序框图如图5所示。

图5 程序框图

4 试验研究

根据上述软硬件设计，搭建了基于STM32F103的PMSM控制系统，并对其工作性能和安全可靠性进行了试验验证。试验中所用三相PMSM的参数如下： 直流母线电压312V，极对数3，可调转速范围2000～6000r/min，对应占空比20%～80%线性变化。

图6 转速-时间曲线图

图6为PMSM转速波形，图中设有 3000r/min的基准转速，以避免电机在高负荷下全速起动时造成失步现象[6]。基准转速的设定范围为 3000～4500r/min，可根据用户的实际需求调整。

起动策略为三段式低速起动，包括转子定位、开环加速和闭环运行三个阶段[7]。转速为零的阶段由PARK运算将转子拉到指定位置；然后由控制部分向功率模块输入设定好的占空比信号，开始开环运行阶段；随着电机转速的慢慢上升，反电势也被建立起来，最后切换到闭环运行阶段，图中标示了开环阶段与闭环阶段的切换点。

图7、图8分别为6000r/min常态工况下PMSM的相电流波形和最大转矩时的相电流波形。“常态工况”是压缩机行业的一个标准，这里以吸气压力0.196±0.005MPa，排气压力1.47±0.02MPa时的工况为准。

图7 常态工况时相电流波形

图8 转矩6N·m时相电流波形

图7所示相电流有效值为7.86A，图8所示相电流有效值为20.5A，最大转矩可以达到6N·m，最大功率4500W，完全可以满足车载空调正常运行和高负荷运行工况的要求。

5 结 语

本文结合电动汽车车载空调压缩机工况条件，设计了一种以STM32F103为核心的PMSM变频控制系统。最后给出了试验结果波形，分析了电机的控制性能，验证了控制系统的适用性，为下一步的整机匹配奠定了良好的基础。

【参考文献】

[1] 满春涛,张凯博,金祯伊,等.SVPWM变频空调永磁同步压缩机控制系统[J].哈尔滨理工大学学报,2011,16(4): 82-85.

[2] 彭海涛,何志伟,余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].微电机,2010,43(6): 78-81.

[3] 李冬青,张永学.电动汽车空调的发展现状与趋势[J].电子测试,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] 白长发.有关永磁同步电动机失步转矩和牵入同步转矩的问题[J].电机技术,2005(3): 45- 48.

[7] 于落星.永磁同步电机控制器改良算法的实现与设计[D].杭州： 浙江师范大学,2011.