基于dsPIC33EP256MC504的电动汽车空调压缩机控制器设计研究

李仁庆，沈长海，宋立彬，刘福宽



基于dsPIC33EP256MC504的电动汽车空调压缩机控制器设计研究

李仁庆，沈长海，宋立彬，刘福宽

（众泰汽车工程研究院 智能网联部，浙江 杭州 310018）

针对电动汽车空调制冷系统压缩机的控制需求，设计了以dsPIC33EP256MC504为核心的永磁无刷直流电机控制器，给出了其硬件设计框图，重点介绍了控制器低压电源稳压模块、电机驱动模块和运放模块等在压缩机控制应用中的电路设计内容；在电机控制策略方面，结合压缩机控制系统目标，采用矢量控制算法实现压缩机转速的控制；在程序设计方面，采用模块化的编程方式调试了压缩机控制的主程序及各个模块的子程序，并增加了CAN通信模块以实现与整车CAN网络的数据交互；最后在空调系统台架上对控制器和压缩机进行台架试验，检测在实际工况下控制器和压缩机的运转情况及空调系统的制冷情况。实验结果表明，压缩机总成正常运转，空调系统台架能够实现制冷功能，验证了设计方案的可行性。

dsPIC33EP256MC504；压缩机；控制器；CAN通信

前言

近年来，随着电动汽车产业的兴起和国民生活质量的日益提高，人们对电动汽车的舒适性、可靠性、和节能环保等性能提出了更高的要求，而电动汽车空调系统性能的优劣是影响乘车舒适性的重要因素之一。电动空调系统是新能源汽车上是除三电系统外的一个重要电子控制系统，在当前我国强调提高新能源汽车零部件自主知识产权能力的背景下，加强对其关键技术的基础研究工作，对加快电动汽车技术进步、促进电动汽车产业发展具有现实和长远的意义[1-2]。

电动压缩机是电动空调制冷系统的核心零部件。随着电动汽车的产业化，该产品的需求量会不断上升，经济利润空间大，拥有广阔的市场前景。同电动汽车驱动系统一样，电动空调压缩机也使用电动机进行驱动；为其研究开发一款性能良好、运行平稳、工作高效和安全可靠的驱动器控制系统非常重要。电动空调压缩机驱动系统所采用的控制算法的优劣以及设计编写对应的控制程序的水平是压缩机正常工作的关键[3-4]。

本文以电动空调压缩机控制器为研究对象，设计了基于dsPIC33EP256MC504为主控芯片的控制器硬件和软件部分，通过系统台架实验，验证了压缩机控制方案的可行性，对电动汽车空调电动压缩机控制器的研发具有一定的参考价值。

1 电动压缩机总成系统介绍

新能源汽车电动压缩机总成包括压缩机、驱动电机和驱动控制器三部分，本文开发设计的电动压缩机控制器采用的是一体式涡旋电动压缩机，具有结构紧凑、体积小、质量轻和运转噪音小等特点。电动压缩机控制器通过整车CAN网络接收汽车空调控制器发送的开启、关闭和调速信号来实现对压缩机启停和转速控制。电动压缩机总成系统如下图1所示。

图1 电动压缩机总成系统框图

2 电动压缩机控制器硬件设计

电动压缩机控制器硬件系统主要由最小系统电路、低压电源稳定电路、IPM驱动电路、高压直流母线电路、差动运放电路、过流保护电路和CAN通讯接口电路等六部分组成。电动压缩机控制器硬件系统电路如图2所示。

图2 电动压缩机控制器硬件构架

2.1 主控芯片的选择

MCU是电动压缩机控制器的核心元件，它是软件、硬件和实现控制算法的基础和载体。在电动压缩机控制器设计时采用的是Microchip公司推出的一款集DSC和MCU为一体的专用在电机控制方面的16位高性能微控制器dsPIC33EP 256MC504。其最大工作频率可达70MIPS，两个40位宽累加器，支持单周期混合符号乘法和除法，同时支持32位乘法,能够满足永磁同步电机控制算法对芯片运算速度的苛刻要求；另外该芯片内部具有电机专用的高速PWM控制器，通过编程可以产生具有相同频率和工作方式，且相互独立的3相6路PWM波形；有可最多支持4路模拟输入同步采样的ADC模块，ADC模块上灵活的多触发选项允许使用廉价的电流检测电阻来测量电机绕组电流，使用PWM模块触发A/D转换，电流检测电路可在指定时间内对输入进行检测[5]。

2.2 低压电源稳压电路

电动压缩机控制器是高低压共板的，电源稳压部分电路的设计关系着压缩机总成运转的稳定性和可靠性。本系统电源稳压电路由3部分电路组成：12V转15V电路、15V转3.3V电路和12转5V电路组成。12V转15V电路是用于产生电机驱动模块的工作电压15V，由于车载12V低压蓄电池和380V高压电源需要物理隔离，所以采用电流型PWM控制器NCV3843BV+隔离型变压器+光电耦合器的解决方案，其电路原理如图3中局部电路图1/1--15V所示，NCV3843BV输出频率为70KHz的PWM信号，周期性开启和关断功率MOS管IRFL024Z，使变压器初级电压12V周期性变化，次级电压输出15V。由三端稳压器TL431和光耦TLP185组成15V反馈网络，输入到NCV3843BV内部，对变压器次级电压进行微调，使输出电压稳定在15V。隔离型变压器将输入和输出物理隔离，防止高低压网络互相影响。在图3局部电路图1/2--5VCAN中，采用线性稳压电源芯片MIC2951-03YM，将蓄电池12V低压转成5V，为隔离型CAN芯片ISO1050提供工作电压。在图3局部电路图1/3--3.3V中，使用开关电源MCP16301，将变压器次级输出的15V转为3.3V，为MCU、CAN通讯电路和运放电路等提供电源。

图3 低压电源稳压电路

2.3 电机驱动电路

本系统选用仙童公司的一款汽车级3相智能功率模块FAM65V05DF1来驱动永磁无刷直流电机，其额定电压为600V，额定电流为50A，该模块将功率桥和三相桥驱动芯片集成在一起，而且内部还集成有过/欠压，过流和过热等故障检测电路[6]。HIN1~3/LIN1~3直接连接MCU的I/O口，是6路PWM互补信号输入端，控制IPM内部上下桥臂交替开通和关断，用于驱动电机；VTS端口是温度输出端口，输出IPM模块温度模拟值给到MCU，用于判断IPM工作温度是否达到过温保护关断值。VFO端口是故障信号输出端，当IPM工作出错时，主动输出低电平故障信号，MCU检测到信号时，禁止PWM信号输出；CSC端口是电流短路保护端，电机相电流经过下桥臂采样电阻时直接输出电压值，经过RC滤波电路，连接CSC端口，当电压达到0.5V时，CSC端口触发IPM硬件保护功能，同时VFO端口输出低电平故障信号，其电路原理如图4所示。

2.4 差分运放及过流保护电路

在电机矢量控制的过程中，需要采集电机的相电流，然后反馈到控制电路中，形成对永磁无刷直流电机的闭环控制。在电机IPM驱动电路中，采用下桥臂电阻采样法得到各相电流后，输入到集成运算放大器MCP6024，MCP6024内部集成了4路运放控制电路。

图5 差分运放电路

在相电流差分运放电路设计中，如图5所示，1路(U201D)用于偏置电路输入，得到相电流的模拟参考电压1.65V；2路（U201A/U201B）用于相电流差分信号输入，经过运放电路放大，得到相电流模拟信号值Current_V和Current_W，然后输出给MCU，用于计算电机转子位置，精准控制转速。在图6比较器过流保护电路中，最后1路对IPM过流信号进行过滤、放大后，接着输入到比较器MCP6561，与设定的过流保护阈值进行比较，输出电平信号IC给MCU，用于判断电机是否过流。

图6 比较器过流保护电路

2.5 CAN通信接口电路

电动压缩机工作时通过整车CAN总线网络接收外部CAN节点发来的钥匙档位信号、压缩机启动/停止信号和转速信号；同时对压缩机系统控制软件运行状态和硬件工作状态进行实时的检测，如果发现系统出现故障，一方面关闭压缩机系统的功率驱动模块，使压缩机停止工作，另一方面将系统的故障代码发送到整车CAN网络上。本系统CAN通信接口电路采用美国德州仪器公司生产的一款隔离型高速CAN总线收发器ISO1050，它一端与内部自带CAN控制器的主控芯片连接，另一端整车CAN总线连接。ISO1050能够隔离压缩机控制器与整车CAN总线信号的相互干扰，确保数据交互稳定可靠[7]。系统CAN通信接口电路如下图所示。

图7 CAN通信接口电路

3 电动压缩机控制器软件设计

电动压缩机控制系统程序设计遵循前/后台的结构模式，由系统主程序和中断程序两部分组成，压缩机控制器上电后系统主程序调用各个子模块进行初始化，然后进入压缩机状态机，接收中断系统的反馈信息，执行压缩机不同状态之间的转换；中断控制程序执行压缩机控制算法，更新PWM模块占空比，跟踪目标转速，并监测压缩机状态信息的变化，最后反馈给压缩机状态机。

图8 电动压缩机控制器软件结构框图

3.1 系统主程序设计流程图

图9 主程序流程图

主程序流程图表示控制器从上电到正常运行这段时间的程序运行情况，总体设计思路是：子程序模块化设计，通过子函数的调用和中断函数的方式实现具体功能，尽量减少主程序复杂度，提高运行效率。系统上电后，主程序对dsPIC33 EP256MC-504单片机各模块进行初始化，主要包括GPI/O模块、PWM模块、ADC模块、定时器模块、IC模块等，然后进入状态机，执行状态逻辑变换。其流程见图9。

3.2 压缩机状态机逻辑设计

电动压缩机在实现汽车空调系统制冷功能的工作过程中，其运行状态的变化可用一个状态机来描述，该状态机包含6种状态，分别为：上电待机状态、起动状态、正常运行状态、弱磁控制状态、制动减速停机状态以及故障状态。

图10 压缩机状态机简图

3.3 电机驱动程序流程图

电机驱动程序通过实时采集电机的相电流大小、使用滑动模式控制器（SMC）估算电机的位置和速度，应用PID闭环控制方法，再使用空间矢量调制技术更新PWM模块占空比，实现压缩机目标转速的跟踪[8]。电机驱动程序是在AD中断服务程序中执行的，由PWM模块触发AD中断，PWM频率设为10KHz，即在一个PWM周期内要完成电机驱动程序的执行，其流程图11如下所示。

图11 电机驱动程序流程图

4 台架试验及结果分析

本研究在验证控制器基本功能后，在空调系统制冷台架上对控制器和压缩机总成进行台架试验，检测在实际工况下控制器和压缩机的运转情况及空调系统的制冷效果。试验过程中使用示波器、钳流表、温度仪和压力表等工具对压缩机相电流、系统管道压力、HVAC箱体出风口温度和电箱输入功率进行测量。

图12 空调制冷系统试验台架

图13 2500r/min时压缩机相电流波形

试验时，通过PC上位机软件模拟整车CAN通信网络，发送压缩机转速信号，使压缩机转速由1000r/min逐步提高到5000r/min，示波器测得压缩机相电流波形比较接近正弦波，说明控制系统很好的实现压缩机的矢量控制；同时测得压缩机高低管道压差由0MPa逐步升高0.86MPa、HVAC箱体出风口温度由室温26℃逐步降低到10℃，表明压缩机能够实现空调系统制冷功能，且随着转速的提高制冷效果逐步增强。

5 结束语

基于微芯科技dsPIC33EP256MC504型主控芯片，本文设计了一款用于380V电动汽车空调压缩机的永磁无刷直流电机控制器，通过CAN通信网络方式实现压缩机的启停和调速控制。在空调台架试验中，控制器软硬件工作正常，压缩机正常运转，空调系统台架能够实现制冷功能，达到了预期设计目标，验证了压缩机控制器设计的合理性和实用性。

研究中发现压缩机运转过程中存在一定程度的波动及在高速下有触发过流保护等问题，因此后期，压缩机控制算法参数匹配、低压电源稳压电路和运放电路的PCB布局和参数调试等都是进一步研究的重点。

[1] 张翔.中国新能源汽车市场分析[J].汽车电器,2014(12):1-3.

[2] 刘颖琦,王萌,王静宇.中国新能源汽车市场预测研究[J].经济与管理研究,2016, 37(4):86-91.

[3] 李风雷,李玉欣.新能源汽车空调电动压缩机控制技术研究[J].上海电气技术,2013,6(2).

[4] 张丽凤.新能源汽车空调电动压缩机控制技术研究[J].汽车实用技术, 2017.

[5] AN1078 PMSM的无传感器磁场定向控制.

[6] 车级IPM-20160516_APM27 FAM65V05DF1_adv-info.

[7] 李风雷.新能源车用空调压缩机控制板的CAN通信系统开发[J]. 上海电气技术,2012, 05(1).

[8] 魏海峰,张懿,杨康,等.电动汽车空调电机无位置传感器控制的实验研究[J].汽车工程, 2016, 38(1):116-121.

Design of air conditioner compressor controller for electric vehicle based on dsPIC33EP256MC504

Li Renqing, Shen Changhai, Song Libin, Liu Fukuan

( Intelligent Network Department, Zotye Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Aiming at the control requirements of the compressor of electric vehicle air conditioning system, a permanent magnet brushless DC motor controller based on dsPIC33EP256MC504 is designed. The hardware design block diagram is given, and the circuit design content of the controller low voltage power supply voltage regulator module, motor drive module and op amp module in compressor control application is introduced. In the motor control strategy, combined with the compressor control system target, the vector control algorithm is used to control the compressor speed. In terms of programming, modular programming is used to debug the main program of the compressor control and subroutines of each module, and the CAN communication module is added to realize data interaction with the vehicle CAN network; Finally, the bench test of the controller and the compressor is carried out on the air-conditioning system gantry to detect the operation of the controller and the compressor and the refrigeration of the air-conditioning system under actual working conditions. The experimental results show that the compressor assembly can operate normally, and the air conditioning system gantry can realize the cooling function, which verifies the feasibility of the design scheme.

dsPIC33EP256MC504; compressor; controller; CAN communication

U464.141

A

1671-7988(2019)09-17-05

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李仁庆（1989-），男，硕士研究生，就职于众泰汽车工程研究院智能网联部，从事汽车电子软件控制方向的研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.005