新能源汽车空调电动压缩机控制技术研究

2017-12-07张丽凤

汽车实用技术 2017年24期

张丽凤

（山西交通职业技术学院，山西太原 030031）

1 电动压缩机自控制系统的构成及原理

本课题所设计的新能源汽车空调电动压缩机控制技术，主要由直流工作电源、功率开关电路、压缩机、驱动电路、控制器、电流及位置检测等部分构成[1]。不同部分的功能不同，其中压缩机为系统的核心构件。电动机需在利用永久磁体的基础上进行设计，以实现磁通源，使之在气隙磁场的作用下，产生电磁力，进而使电动机能够克服阻力，带动空调运行。计算公式如下：Fe=BLI=BINI。

2 通信接口及相关技术

2.1 通信接口设计

新能源汽车内部电气元件较多，采用传统的方式实现数据传输面临的干扰往往较多，通信质量及数据的传输效率难以得到保证。将控制器局域网应用到通信接口的设计中，实时控制压缩机运行，可有效提高空调系统的数据传输效率，提高空调电动压缩机运行的稳定性。

2.2 电动压缩机控制技术

该技术要求以传统的三相电流为基础，模拟直流电动机的转矩控制方式，将电磁原理应用到技术的实现过程中，使定子电流矢量得以被分解为直轴电流，进而推动电动压缩机的运行。该技术需以空间矢量脉冲宽度调制算法为基础而实现。算法中，定子电压空间矢量可以以U表示，角频率以w表示。当电流正弦波电压不变的情况下，两者呈线性关系。

3 新能源汽车空调电动压缩机控制的设计与实现

3.1 电动压缩机控制系统硬件的设计与实现

3.1.1 DSP控制芯片

本课题所设计的压缩机，控制芯片以DSP芯片为主，供电电压3.3V、CPU共32位，主频最高60MHz、最低40MHz、共包括22个可编程，编程模式统一，代码效率高，应用价值较高。DSP控制芯片中，USB接口多功能调试器为其核心构件。用户仅需提供电压为5V的电源，即能够启动接口，确保数据传输得以实现。该接口的通信方式以UART串行通信为主，能够满足新能源汽车空调系统的驱动需求。芯片的仿真模式包括自仿真及它仿真两种。前者需依赖板载仿真器核心板而实现，后者相同。

3.1.2 电路及信号

（1）电路设计：新能源汽车空调电动机压缩机控制系统对电压的要求较高，必须保证电机线圈具有精确的电流信号，才可满足系统的运行需求。本课题所设计的电路，以SMI±30DCE-P3-O9/S16霍尔电流传感器测量电路电流为主，电流范围-30A--30A，电流信号可经 A/D转换，转换为可供应用的信号，与系统需求的适应性较强。（2）信号设计：空调电动压缩机信号的传输，需借助传感器而实现。传感器量程±12.5mm、灵敏度 0.157V/mm、响应频率为 1kHz、输入及输出电压分别为12V及3.5V。

3.1.3 驱动电源

本课题所设计的新能源汽车空调电动压缩机，需以永磁式直流电机为主要动力来源而运行。驱动电源参数如下：额定电压63V、额定电容30F、电阻38mΩ、允许运行温度最高为 65℃、最低为-40℃，基本能够满足新能源汽车所处的运行环境对车辆电源运行温度的需求。为提高电源容量，本课题决定将活性炭多孔电极与电解质相互联合，组成双电层结构，用以储存电能。当汽车停止运行后，电力的供应将随之中断，双电层结构立即启动，储存电能可随即实现对空调的电力供应，使之能够继续运行。

3.2 电动压缩机控制系统软件的设计与实现

3.2.1 软件运行流程

新能源汽车空调电动压缩机软件运行流程如下：（1）程序初始化，等待中断服务程序，判断通用定时器下溢中断是否产生。如未产生，需循环等待中断，直至中断产生为止。（2）待中断产生后，软件可立即实现对位置信号的检测，并计算给定电流的大小。（3）检测电流信号，采用模糊PID调节的方式，实现对电流的调节。（4）待PWM波产生后，中断退出，软件随即结束此次运行，继续等待中断服务程序。

3.2.2 子程序设计

（1）初始化子程序：设计人员可于定义函数的基础上，将系统变量清零，使之关闭。同时，调整DSP时钟频率，将其控制在60MHz左右，将信号采样频率控制在3MHz左右，以满足子程序初始化的要求。子程序初始化定义串口通信波特率为115300，在此波特率下，空调通信完全能够正常进行。（2）中断子程序：设计人员可首先赋予寄存器以变量，在此基础上，等待中断循环。当定时器显示为1时，表明通讯中断。定时器显示为2时，表明通信已重新连接。

3.2.3 信号检测软件

本课题所应用的信号检测硬件以传感器为主，传感器初始电压为 0.5120V，精确度为 0.1326V/mm、测量范围处于0--25mm之间。输出位移s=u-0.5050/0.160。中断程序每周期采样4次，设计人员可通过查询电流控制表的方式，得到给定电流值，以之为参考，做断电处理。为避免碰撞问题产生，可对止步点的极限位置进行约束。本课题所设计的极限止步点为0.7mm。当系统检测到活塞位移已处于极限值时，电机可立即对之施加反方向的电磁力，将活塞调整至正常的工作状态，降低活塞碰撞风险的发生几率，提高空调电动压缩机运行的安全性。

3.2.4 模糊PID调节

传统的PID算法，需于计算偏差e（t）的基础上，分别计算u（p）、u（i）及u（d），根据四者之间的关系，得到最终解。采用该算法计算，效率较高，但计算结果的精确度差，因此不予使用。将改进的模糊PID算法应用到空调电动压缩机的控制中，可有效解决上述问题。模糊PID算法要求在计算偏差e（t）的基础上，得到偏差的变化率ec（t）。将两者与量化因子模糊化相乘，通过查询模糊控制表的方式，得到最终的PID修正参量，得到最终解。

3.3 模拟实验及结果

3.3.1 实验设计

（1）压缩机参数：电阻0.7Ω、额定电压90V、峰值推力860N、额定电流30A。（2）MOS管型号为IRFP150N，工作电流42A、控制电压15V（最大100V）、可允许的最大环境温度为175℃，最小为零下55℃。（3）模拟新能源汽车空调电压缩机硬件平台，由仿真器、电脑、芯片、驱动板、五针式插座等构成，传感器供电电压为15V。

3.3.2 实验结果

实验结果提示：采用该方法设计，电压加载及时，动态响应好，单周期 25ms、上移速度峰值为 2m/s。表明，该设计方式能够有效满足新能源汽车空调电动压缩机的控制需求，使数据传输效率得以提升，使汽车运行的稳定性得以增强。