电动汽车变频空调设计

陈书生 韩军良 仝飞飞

摘   要：针对现有电动汽车空调的不足，本文设计了一款新颖的电动汽车变频空调系统，风机采用两电平逆变器驱动，空调压缩机采用三电平逆变器驱动，主控单元采用DSP+FPGA的电路架构，系统控制采用基于Luenberger观测器的无传感器磁场定向控制策略，提升了电动汽车空调的性能，提高了用户舒适性。

关键词： 电动汽车;变频空调;三电平逆变器;磁场定向控制

1 引言

目前的电动汽车空调系统构成比较简单，存在效率较低、噪声水平较高、电磁干扰大的不足，本文针对这一状况，采用永磁同步电机作为空调压缩机的驱动电机，采用三电平逆变器驱动压缩机，应用无传感器磁场定向控制策略，设计了一款绿色高效的电动汽车变频空调系统。

2 系统整体设计

本文设计的电动汽车变频空调系统架构如图1所示，系统包括空调人机接口单元、空调控制单元、车内

温度检测单元、二电平逆变器、风机、三电平逆变器、压缩机以及冷媒循环单元。空调人机接口单元提供了用户友好的接口界面，车内温度检测单元实时检测车内温度，反馈给空调控制单元，空调控制单元经过温度闭环控制后通过二电平逆变器驱动风机运行，通过三电平逆变器驱动压缩机运行，实时调节风机和压缩机的转速，实现对车内空气温度的自动调节功能。

3 三电平逆变器设计

空调压缩机是电动汽车变频空调的关键部件，空调压缩机采用三电平逆变器驱动。本文设计的三电平逆变器的电路拓扑结构图如图2所示。

三电平逆变器采用空间矢量脉宽调制技术（SVPWM），本文采用一种将三电平逆变器电压空间矢量转换为两电平逆变器电压空间矢量控制的快速算法，根据负载电流方向和直流侧两个平衡电容电压的大小，调整正、负小矢量的作用时间来控制中点电位平衡。本算法运算速度快、精度高，易于用DSP编程实现。

4 压缩机控制策略设计

电动汽车主控单元采用DSP+FPGA的电路架构，DSP作为系统控制核心，FPGA作为PWM通道拓展以及逻辑控制单元。主控芯片DSP采用TI公司的TMS320F28335，FPGA采用ALTERA公司Cyclone Ⅳ系列的EP4C6E22C8N。

在永磁同步電机转子位置状态估计的数学模型基础上，采用基于Luenberger观测器的无传感器矢量控制策略[1-2]。Luenberger观测器能有效避免滑模观测器的抖振问题，而且动态响应快，估算精度高，实现简单[3]。

本文设计的基于Luenberger观测器的无传感器控制结构框图如图3所示。空调压缩机的三相电流经过CLARK变换后，得到两相静止坐标系下的电流 和 ，再经过PARK变换得到两相旋转坐标系下的电流 和 ，通过q轴和d轴的电流闭环控制后，输出量经过PARK逆变换得到电压信号 和 ，然后通过三电平SVPWM运算后，得到三电平逆变器的桥臂开关器件的控制信号。 、 、 、 送入Luenberger观测器，得到实时估算的位置信号和转速信号。

5 结论

本文提出的电动汽车变频空调设计方案，空调压缩机采用三电平逆变器驱动，采用基于Luenberger观测器的无传感器矢量控制策略。系统具有结构紧凑、转矩脉动小、电磁干扰小、噪声低、整机效率高的优点，对于提升电动汽车变频空调的性能、提高用户舒适性有重要意义。

参考文献

[1] 周双飞，黄海波，简炜. Luenberger观测器在永磁同步电机无传感器控制中的应用研究[J]. 电机与控制应用，2017，44（10）： 59-62.

[2]  张国强，王高林，徐殿国等. 基于单观测器误差信息融合的永磁电机无传感器复合控制策略[J]. 中国电机工程学报，2017，37（20）： 6077-6082.

[3] Andreas Andersson， Torbj?rn Thiringer. Motion Sensorless IPMSM Control Using Linear Moving Horizon Estimation With Luenberger Observer State Feedback[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2018， 4（2）：464-473.

作者简介：

陈书生（1981--），男，河南项城人，硕士，研究方向：光伏逆变系统及电源系统。

项目来源： 1、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）“新能源汽车变频空调关键技术研究”（182102210458）;  2、南阳理工学院《传感器原理与设计》、《生物化学》“课程思政”教育教学改革试点项目。