一种用于提高电动车载空调制冷效果的控制方法

秦国栋 幸 涛 刘 淳

（1.嘉兴职业技术学院智能制造学院 浙江嘉兴 314036；2.空军装备部驻郑州地区军代室 河南郑州 451150；3.嘉欣西电产业园有限公司 浙江嘉兴 314036）

一、引言

传统的燃油汽车是采用发动机作为动力源泉，驱动车载空调压缩机进行转动，从而实现车载空调的制冷功能。近年来，随着新能源的开发和环境保护的呼声四起，对环境零排放的电动车越来越受到消费者和生产商的青睐。与传统的燃油汽车相比，电动车还具有能源利用率较高，省去发动机、变速器、邮箱、冷却和排气系统，噪声小等优点。直接驱动电动车载空调进行制冷运行的设备是安装在电动车内的永磁同步电机。所以，永磁同步电机的输出力矩密度和电流的大小，将直接影响到电动车的行驶安全性和稳定性，以及影响到车载空调的制冷效果。

文献[1-3]采用了单闭环电机控制的方法，但该方法具有对扰动的抑制能力差、动态响应速度慢等缺点，不仅不利于电动车的安全稳定行驶，也不利于车载空调的平稳运行。文献[4-6]电机的开环控制方法，开环控制方法使得电机的启动过程缓慢、启动电流较大，不利于电动车在不同道路环境下的迅速系统动态响应。V型内嵌式永磁同步电机作为一种新型的电机，其具有力矩密度大、运行效率高和低速大力矩等优点，非常有利用驱动电动车安全稳定行驶和车载空调制冷。然而，V型内嵌式永磁同步电机的优点，完全是靠较为合适的电机控制方法实现的。

本文提出一种基于V型内嵌式永磁同步电机的双闭环控制方法，该方法不仅提高了电动车在行驶过程的安全稳定性能，也有效地改善了车载空调的制冷效果。所谓双闭环控制方法，也就是通过实时采集V型内嵌式永磁同步电机的电流数据和转速数据，及时地提高电机的负载能力，从而迅速地改变电动车在不同路况环境下的行驶速度，以及有效保障电动车载空调的平稳运行。

二、V型内嵌式永磁同步电机的数学模型

如下图1所示，是V型内嵌式永磁同步电机的1/4结构图。从图中可以看出，该永磁同步电机由主要由定子铁芯、动子铁芯、绕组和永磁体组成。定子铁芯有48个齿槽，永磁体的极对数是8，并且永磁体呈现V型分布，其优点是有利于磁场的合理分布。绕组的分布采用分布式缠绕方法，这样有利于V型永磁同步电机在运行过程中的控制，并降低绕组的铜耗，从而从一定程度上提高V型永磁同步电机的运行效率。

图1 V型内嵌式永磁同步电机的基本结构组成

本文基于矢量控制和派克逆变换（Inverse Park transformation）原理，并在忽略电机铁耗、铜耗、温度变化等因素的情况下，建立V型永磁同步电机的数学模型。

首先，派克逆变换的基本公式可以描述为

由公式（7）可得，V型永磁同步电机的输出力矩与绕组电流有着密切的关系。因此，本文采用双闭环控制技术，通过控制V型永磁同步电机在dq0坐标下的d轴和q轴电流，达到控制其输出力矩的目的，进而可以实现电动车在行驶过程中的安全稳定性，并保障车载空调处于高效地制冷运行状态。

三、仿真和分析

如下图2，是V型永磁同步电机的双闭环控制系统框图。图3是借助Matlab/Simulink仿真平台，建立的V型永磁同步电机的双闭环控制系统仿真模型。其中，V型永磁同步电机的转速作为双闭环的外环，电流作为双闭环的内环。该双闭环控制主要包括V型永磁同步电机，派克变换、电流分配、PI调节器、空间电压是两脉宽调制（SVPWM）、逆变器等等。

图2 双闭环控制系统框图

图3 双闭环控制系统仿真模型

具体仿真过程是：首先在Matlab/Simulink中构建V型永磁同步电机矢量控制系统的速度控制模型，如上图3所示，通过编码器给定速度信号和电角度信号，给定速度和速度反馈的差值经过控制器产生给定交轴电流；给定交轴电流和两相电流采样分解所获得的实际交轴电流差值通过转矩控制器输出交轴给定电压；同时直轴电流和实际直轴电流做差通过磁链控制器产生直轴给定电压。生成的直轴电压和交轴电压通过坐标变换到两相静止坐标系下，再通过空间矢量调制产生开关信号输入至三相逆变器，从而驱动电机运动。该闭环控制系统结构简单，电流控制器和转速控制器均采用普通PI控制器，所需硬件较少，控制过程中的电流环跟踪和向逆变器发送的信号都是由软件来实现的。

如下图4所示，是在不同运行速度下，V型永磁同步电机仿真输出的电流波形和力矩波形。其中，负载设定为初始0.2N.m，在t=0.05s时阶跃到0.3N.m，速度输入为1000rpm，行程设为无限大。仿真步长为0.1s，离散型仿真，解法为变步长ode45。电机在0时刻带0.2N.m的负载启动，速度很快被控制到目标速度1000rpm，在负载突变后，速度突然被拉低，电流环调节电流大小，力矩随之增大。电流变化如图（4-a）所示，力矩变化如图（4-b）所示，经过调整以后，速度又很快地恢复到目标速度，速度波形图如图（4-c）所示。该仿真结果表明：V型永磁同步电机电机双闭环控制之后，在负载突变情况下，速度被拉到目标速度以下，内环电流PI控制器可以瞬间响应，调节电流大小，增大电机力矩，外环速度PI控制器可以将速度稳定在目标值1000rpm。

图4 V型永磁同步电机输出电流和力矩与速度的关系

如上所述，在电动车爬坡、高速运行状态下，V型永磁同步电机能够瞬间增大输出力矩，不仅可以保障电动车安全稳定行驶，而且也为电动车在空调的有效制冷效果提供了强有力的动力保障。

四、结束语

采用速度和电流控制的V型永磁同步电机双闭环控制系统，其系统仿真和分析结果表明，双闭环控制方法可以提高V型永磁同步电机的运行性能，实现力矩、电流与速度的瞬间响应，为电动车的车载空调提供稳定的动力保障。并且，通过内环电流PI控制器和外环速度PI控制器的组合作用，可以将V型永磁同步电机的运行速度稳定在目标值。