空调永磁同步电机无位置传感器调速控制探究

王 鑫，罗广旭，周玉璇，容嘉怡

（1.空军勤务学院，江苏徐州，221000；2.湖北商贸学院，湖北武汉，430079）

汽车是人们当前生活中为了达到更高的生活质量非常重要的一部分。拥有自己的汽车可以改善交通出行质量。进入到21世纪之后，我国汽车行业随着市场中人们汽车需求量的提升有了更好的发展空间，保持着较快的发展速度，为我国国民经济的发展提供了较多的贡献。而市场环境与之前相比也有所变化，工业的发展使得市场中的能源消耗过多，为有效的调整资源消耗并保护环境，汽车行业开始探究新能源的应用研发出了新能源汽车。新能源汽车是汽车工业领域中非常重要发展方向。很多商业都在不断的研究电动汽车技术。通过研发新能源汽车可以有效改善环境问题，缓解能源消耗的压力［1］。电动汽车耗能较高的一部分就是车用空调。所以汽车工业领域中需要考虑如何设计汽车可以达到高效节能的汽车运行状态。汽车的电机体积结构较小及重量较轻，而且消耗的建设成本较低，应用起来比较方便。目前的军事工业以及办公设施或者是农业等都需要通过电机设施进行系统建设或者设施建设，进而为其提供相应的电能。通过电动机驱动汽车的空调系统，可以对比之前的能量消耗减少20 %左右。若是在汽车结构的设计过程中选择永磁式同步电动机，可以更为大幅的减少能源的消耗。

PMSM设施应用可以达到较高的工作效率。而且其相应的功率体积比处于较高的水平，所以不管是国内还是国外，有很多家用电器以及电动汽车都应用了PMSM电机。电机能够对相应的机械以及设施性能进行控制。而当前人们在研究电机时主要注重的是环保与节能。由此同步电机将植入式的传感设置应用到了电机结构中，进而去感应转子的位置［2］。空调压缩机在汽车结构中所处的环境是封闭的，而且环境较为恶劣，处于高压、高温的环境里，并且会存在较高的腐蚀性。这种恶劣的环境就会使得驱动电机区域的传感器连接线受到影响，进而干预传感器接收信息的稳定性，导致驱动电机无法正常运行，影响汽车的使用。空调驱动电机调速与无传感控制策略相融合对于当前汽车工业的发展有着较好的意义。

1 电动汽车空调系统简介

1.1 电动空调的工作原理

空调系统会消耗汽车较多的能量，在汽车所有应用的电气系统中能量消耗排名第一。空调系统的功耗在辅助系统中占比为50%以上。对于一些纯电动汽车来说，经常会选择电动空调压缩机设置空调系统。它是通过电机提供驱动力。汽车中的暖风则是结合电加热的形式［3］。比较常见的包括两类：一类是借助加热冷却液形成热量，然后热量会通过一定的循环通道进入到水箱，在汽车内部产生热风。另一类则是对流通蒸发箱的空气进行直接性的加热，进而在汽车内部形成暖风功能。市场中电动汽车设置的空调系统结构与燃油汽车较为相近，基本上都是通过蒸发箱、压缩机、冷凝器、温度传感器、散热风扇等多种元件组合而成的。

压缩机的驱动主要包括非独立式以及独立式。不同的驱动形式会表现出不同的优势。采用独立式的驱动形式，可以直接运用电动机提供驱动力，而且它是由电机单独驱动，其相应的速度调整空间较大。非独立式的驱动是借助驱动电机对传动带的影响，进而提供驱动力。

1.2 电动压缩机的控制

纯电动汽车在设置压缩机时有一定的条件标准，需要减少压缩机在汽车结构内的占用空间，并且要达到较高的效率，不能够产生太多的噪音，需要具备较强的适应性，可以在多种不同的行驶环境的正常使用。压缩机内含有较多的高压制冷气体。有刷电机换向期间容易出现火花，进而产生安全事故问题。所以可以通过永磁同步电动机设置汽车结构中空调压缩机的驱动电机，为其提供相应的驱动力。

电机为空调系统提供驱动力时压缩机内部会存在不同的工作循环，这样就会改变电机承受的负载转矩。空调制冷的情况下一般压缩机内部温度在100 ℃以上。如果当前的环境处于夏季炎热季节，使用汽车的空调系统就会产生更高的温度值，所以会导致设施所处的工作环境比较恶劣，存在较强的腐蚀性以及高温和抖震问题。这就会干预传感器的测量精度，甚至传感器可能会无法测量到相应的信息［4］。所以为保证空调压缩机可以达到更高的性能水平，就可以通过永磁同步电机对相应的速度进行调控。

1.3 PMSM的工作原理

电机设施的原理是运用磁场进行信号传递。进而达到电能与机械能之间的转换。电机结构自身需要构建一个空气间隙磁场，进而支持电能与机械能之间的转换。为其提供相应的空间。定子绕组线圈在流通对称式三相正弦电流情况下就会形成自动式旋转矢量Fs。该矢量与转子转动所形成的磁动式矢量F之间存在相互作用力，这样可以控制转子的运动。

永磁同步电机的组成主要包括永磁体、定子绕组、轴承、基座以及轴承等。另外还包括转子支撑元件以及外围线路等。

如果三相PMSM转子次数存在不同的结构，那么其所运用的电机特点和控制形式也会表现出明显的差异。遵循永磁体放置于转轴铁芯的放置形式，能够对其进行分类。分为表贴式转轴以及内置式转轴两类结构。首先分析表贴式的转子结构，其相应的永磁体主要是放置在转轴铁心的外部区域，所以此时形成的相对磁导率约等于常数1，而且直轴齿轮以及交轴齿轮之间形成对称关系，凸极率p=La/Lq≈1［5］。所以该类电机也被分类为隐极式电动机。这种交流电机在进行加工生产时所应用的工艺方法较为简单，而且可以减少工艺生产成本，因此在当前的市场中属于使用比较普遍的一类电机结构。

2 永磁同步电机控制系统设计及实验台架

本文的研究是为了设计可以应用于纯电动汽车空调系统中为其提供驱动力的电机。结合Texas Instruments企业设计推出的数字型信号处理器，应用于PMSM无传感矢量调速控制系统中，通过软件以及硬件的组合设计，并且构建相应的实验平台，对其系统设计完整性进行测试。

2.1 控制系统软件程序设计

2.1.1 调速程序整体架构

控制调速系统的软件构成主要分为两部分：一是主程序；二是中断服务子程序。前者的功能用于初始化数字信号处理器。后者的是对控制系统的计算进行核心控制。中断进程的操作既能够通过内部定时器操控，同时也能够借助e-PWM进行控制。因为TMS320F28335的e-PWM模块，包括周期中的功能。为使得e-PWM开关量的生成以及相应模块的计算更为便利，通常会处于e-PWM的周期中断进程中去进行整体的系统预算。其相应的操作过程分为两部分：一是进行系统初始化操作；二是进行主循环管理。系统初始化主要是调控各种系统参数，并且对引脚功能进行定义，主循环期间需要选择合适的时机进行中断。

2.1.2 电机控制主中断程序

程序的核心在于中断服务子程序。调速系统的各种算法都是属于A/D模数中断进程完成的。PWM模块是运用数字信号处理及主控芯片发挥作用。处于任意调整周期的上升沿开启模数中断。然后通过数值去转换相应的坐标，可以知晓对应的电流值iα、iβ。运用无传感矢量算法能够对转子以及转速进行定位。结合公测得到的转子定位明确相应的电流值id、iq。然后根据转速以及电流双闭环去明确相应的电压值ud、uq。通过Park逆变化算法能够转化得到uα、uβ。结合SVPWM调制策略，在相应的开关信号进行更新，实现对智能功率模块的调控。进而对PMSM的运行状态提供驱动力，完成整个过程之后进行中断返回。

2.2 控制系统硬件电路设计

2.2.1 统硬件总体设计

调速系统的构成包括两部分：一是DSP控制模块，实现的功能是收集相应的变量信息，并且实现数字量与模拟量之间的转换等。二是驱动电路，包括智能功率模块以及桥式整流模块。

2.2.2 微处理器控制单元及滤波设计

微控制单元选择的是TMS320F28335芯片。这种芯片性能水平较高，属于32位浮点DSP处理器，不会产生太多的功耗，而且生产成本较低，有着较大的存储空间。在预算数据方面能力较强。对比之前的一些数字信号处理器，其性能水平与之前相比提升了50%的幅度。而且可以兼容C28x系列的服务器，这样应用于系统开发中能够快速的完成程序的设计。

控制板的电源输出侧因为需要满足一定的热插拔条件以及特定的上电属性。所以需要将m型滤波电路设置在输入侧区域，还应加入输入侧的电感，主要是为了对电流瞬时突变力起到一定的条件约束。电感越大就会有更好的约束效果。但是如果电感过大也会导致上电、下电期间，电感两端区域会形成反电动势，进而影响后续负载，所以比较合适的电感值应该为10μH。

2.2.3 速度控制接口电路

在线路中加入可变电阻，通过调整电位器会改变电阻的阻值，进而实现对电机速度的调整，并且提前设定好要旋转方向，以此不断改变速度方向，当逆时针运转的情况下将停止电机的使用。

2.3 实验验证

2.3.1 实验平台搭建

完成系统的硬件以及软件设计之后需要搭建相应的实验台架，主要包括开关电源、上位机、功率逆变模块、示波器等多个部分。

永磁同步电机的极对数为3，额定电压为24V，额定转速为4000 rpm。外观可以看图3-1的内容，图中整体分为左右两部分，左侧属于主动电机，右侧属于被测电机，分别是通过上位机控制以及联轴器相连。

图3-1 永磁同步电机

经过实验，在保持850 rpm转速时进行测量，其形成的W相以及v相反电动势波形表现为正弦波。而且针对相应的电机控制器来说，主要是通过长方形PCB板全整合各种模块，能够使得系统使用更为可靠，而且后期移植更为便利。

2.3.2 实验结果与分析

通过CCS平台对系统模型进行语言代码编译。然后借助上位机连接仿真接口串入到控制板中，对设计形成的系统进行测试。经过调整转速之后形成的测试结果如下：

运用无传感算法进行转速估算，可以得出1分钟894转，与目标转速较为一致，可以将其相应的误差控制在1%的范围内。

运用速度调节接口去改变相应的转速，使其瞬间达到1分钟2110转。对变化过程进行观测，电机可以保持平稳的上升速度，并且达到最终的转速调节目标。通过无传感算法对其转速进行预估，得到1分钟2098转，误差为12转。

所以结合这两方面的测试可以得知，运用改进之后形成的滑模观测器算法能够更为准确的辨别专业知识，并对其速度进行估算，达到较为精准的闭环控制。

而且在实验中能够观察到，其u相电压波形表现为标准方波。峰峰值为23V，周期约为80μs，频率为12.52KHz。结合实验数据信息能够知晓，这能够有效的控制定子三相电压值。所以通过SVPWM调制技术能够实现对电流值的有效控制，支持永磁同步电机的正常使用。

控制器与上位机之间的信息交换主要是运用JTAG联合测试仿真接口实现的。CSS代码平台将估测得到的数值保存并传输到Matlab的空间里，绘制相应的对比曲线。图3-2是仿真测试以及实验测试分别达到的结果。

图3-2 仿真和实验的转速估测值对比曲线

结合上图的内容能够知晓，运行0.2 s之后电机能够保持1分钟左右摆转的转动速度。通过滑模观测器算法对实物测验以及仿真测验形成的估测结果进行对比，保持一致。所以该算法具有较强的转速测量有效性。能够更为精准的进行转速调控。

3 小结

本文的分析主要是研究永磁同步电动机，去设计电动汽车应用PMSM无传感矢量控制器的软件以及硬件结构。然后通过设置实验平台去验证相应的无感应算法有效性。从研究结果来看，设计形成的电机控制器应用于电动汽车中，能够对空调系统起到良好的电阻调控作用。但是也存在一定的缺点，需要进一步研究通信端口结构。这样才能够在后续使用过程中收集更多的信息，使得中国空调压缩机行业发展能够达到更高的水平。