Permanent Magnet Synchronous Motor Frequency Control System for Air-Condition Compressor of Electric Vehicle
YANG Kang, WEI Haifeng, GU Kai ( School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and
[ 5 ] PING X, JING B. SMC with disturbance observer for high performance PMSM[ C] ∥Mechatronic Science, Electric Engineering and Computer ( MEC ) , 2011 International Conference on IEEE, 2011: 986-989.
摘 要: 分析了永磁同步电机应用于电动汽车空调压缩机的特点,建立了以 STM32F103 为控制核心的车 载空调压缩机用永磁同步电机控制系统,介绍了系统主要的软硬件设计流程。 对控制系统样机进行了试验研 究,研究结果表明该系统性能良好,可以满足电动汽车的使用需求。
关键词: 永磁同步电机; 车载空调; 压缩机; 电动汽车 中图分类号: TM 301. 2 文献标志码: A 文章编号: 1673-6540(2014)01-0033-04
【参 考 文 献】
图 7 常态工况时相电流波形
图 8 转矩 6 N·m 时相电流波形
图 7 所示相电流有效值为 7. 86 A,图 8 所示 相电流 有 效 值 为 20. 5 A, 最 大 转 矩 可 以 达 到 6 N·m,最大功率 4 500 W,完全可以满足车载空 调正常运行和高负荷运行工况的要求。
图 1 电动汽车空调系统安装效果图
2 PMSM 的数学模型
为简化分析,假设 PMSM 的磁路不饱和,空间 磁场为正弦分布,忽略磁滞和涡流损耗。
将 PMSM 转 子 永 磁 体 磁 场 的 方 向 定 义 为 d 轴,与 d 轴正交的是 q 轴,dq 坐标系固定在转子 上,与转子同步旋转,d 轴与 A 轴之间的夹角为变 量 θr。 图 2 所示为 PMSM 的物理模型。
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电动汽车空调压缩机用永磁同步 电机变频控制系统
杨 康, 魏海峰, 顾 凯 ( 江苏科技大学 电子信息学院,江苏 镇江 212003)
Technology, Zhenjiang 212003, China)
Байду номын сангаас
Abstract: The characteristic of permanent magnet synchronous motor ( PMSM) for air-condition compressor of electric vehicle was analysed. Control system of PMSM was built for air-condition compressor of electric vehicle based on STM32F103 MCU. The composition of hardware and the design of software were discussed. Experimental results demonstrated the feasibility and effectiveness of the PMSM control system.
图 4 FO 脚检测故障
3. 2 软件设计 控制程序由主程序和中断服务子程序构成。
系统在每次复位后,主程序首先执行初始化子程 序,完成控制器内部设定和初始状态的检测,以及 程序中变量的定义和初始值的设置。 然后进入开 环起动程序,设置定时器 T1 作为系统的控制周期, 完成后进入闭环运行程序。 当中断到来时,响应并 执行 相 应 的 中 断 服 务 子 程 序。 程 序 框 图 如 图 5 所示。
(1) 使用直流电源作为动力源; (2) 汽车空调安装在运动的车辆上,需要承 受频繁的振动与冲击,对电机运行的安全性和可 靠性要求更高; (3) 需要空调有快速制冷、制热和低速运行 的能力[3] ; (4) 直接消耗电池能源,为保证电动汽车的
推进动力,需要提高电机的效率。 PMSM 具有响应平滑、转矩脉动小、控制精度
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片的工作电压。 通信电路采用光耦隔离,可在输入信号异常
时保护控制芯片不被烧坏。 智能功率模块设有故 障保护功能,当有温度、电流、电压等故障发生时, 模块的 FO 脚会输出故障信号使电机停止运行, 从而起到保护作用。 图 4 为 FO 脚温度保护的实 测波形图,FO 拉低后会迅速复位,以等待故障信 号的清除。
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频控制系统。 最后给出了试验结果波形,分析了 电机的控制性能,验证了控制系统的适用性,为下 一步的整机匹配奠定了良好的基础。
5 结 语
本文结合 电 动 汽 车 车 载 空 调 压 缩 机 工 况 条 件,设计了一种以 STM32F103 为核心的 PMSM 变
[ 1 ] 满春涛,张凯博,金祯伊,等. SVPWM 变频空调永 磁同步压缩机控制系统[ J]. 哈尔滨理工大学学 报,2011,16(4) : 82-85.
[ 2 ] 彭海涛,何志伟,余海阔. 电动汽车用永磁同步电 机的发展分析[ J] . 微电机,2010,43(6) : 78-81.
[ 3 ] 李冬青,张永学. 电动汽车空调的发展现状与趋势 [ J] . 电子测试,2013(6) : 199-200.
[ 4 ] GUO Q F, LIANG B, ZHANG Y L. Aplication of PMSM drive system in air-conditioning [ J ] . Power Electronics, 2011(2) : 15.
图 6 为 PMSM 转速波形,图中设有 3 000 r / min 的基准转速,以避免电机在高负荷下全速起动时造 成失步现象[6] 。 基准转速的设定范围为 3 000 ~ 4 500 r / min,可根据用户的实际需求调整。
起动策略为三段式低速起动,包括转子定位、 开环加速和闭环运行三个阶段[7] 。 转速为零的 阶段由 PARK 运算将转子拉到指定位置;然后由
ψd、ψq———d、q 轴磁链; ψr ———转子永磁体产生的磁链; P———转子极对数;
ω———转子角转速;
Te ———电磁转矩; TL ———负载转矩; J———转子转动惯量;
B———阻尼系数。
3 控制系统软硬件设计
3. 1 硬件设计 整个控制系统可划分为四个部分,分别是电
源模块、控制模块、通信模块和功率模块。 其中, 控制模块用 STM32 系列芯片实现,功率模块用三 菱生 产 的 PS21A79IPM 来 实 现。 图 3 给 出 了 PMSM 控制系统的框图。
4 试验研究
根 据 上 述 软 硬 件 设 计, 搭 建 了 基 于 STM32F103 的 PMSM 控制系统,并对其工作性能 和安全可靠性进行了试验验证。 试验中所用三相 PMSM 的参数如下: 直流母线电压 312 V,极对数 3,可调转速范围 2 000 ~ 6 000 r / min,对应占空比 20% ~ 80% 线性变化。
高、调速范围宽等特点[4] 。 随着高速微处理器的 发展、电力电子器件的进步和控制算法的不断完 善,PMSM 变频技术的应用愈加成熟、广泛[5] 。 本 文以 STM32F103 MCU 为核心,构建了电动汽车 空调压缩机用 PMSM 的变频控制系统。
1 电动汽车用空调压缩机系统
电动压缩机具有结构紧凑、安装简单、运行稳 定、工作效率高、噪声小、可靠性高等特点。 驱动 器与压缩机一体式设计,驱动器通过贴合压缩机 冷端表面进行冷却。 电机在压缩机内部对压缩机 进行驱动,通过冷媒循环可自行冷却而不需外加 冷却设备。
电源模块输入端接 312 V 高压直流电,分别 对功率模块和控制模块供电。 STM32 的工作电压 为 2. 0 ~ 3. 6 V,需要设计降压电路。 降压采用高 频变压器来实现。 利用 DC-DC Converter UC2843 来控制 MOS 管的开关,将直流电转变为高频振荡 的脉冲波形,由变压器产生低压交流电。 低压交 流电整流后经由三端稳压器 LM117,输出控制芯
图 5 程序框图
图 6 转速 时间曲线图
控制部分向功率模块输入设定好的占空比信号, 开始开环运行阶段;随着电机转速的慢慢上升,反 电势也被建立起来,最后切换到闭环运行阶段,图 中标示了开环阶段与闭环阶段的切换点。
图 7、 图 8 分 别 为 6 000 r / min 常 态 工 况 下 PMSM 的相电流 波 形 和 最 大 转 矩 时 的 相 电 流 波 形。 “常态工况” 是压缩机行业的一个标准,这里 以吸气压力 0. 196 ± 0. 005 MPa,排气压力 1. 47 ± 0. 02 MPa 时的工况为准。