楊 康， 魏海峰， 顧 凱

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率因數(shù)高、易于散熱、易于維護(hù)等顯著特點(diǎn)，在機(jī)床伺服系統(tǒng)、電梯驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車推進(jìn)、空調(diào)壓縮機(jī)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。其中，PMSM在電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)上的應(yīng)用與普通的空調(diào)壓縮機(jī)又有很大的不同：

(1) 使用直流電源作為動(dòng)力源；

(2) 汽車空調(diào)安裝在運(yùn)動(dòng)的車輛上，需要承受頻繁的振動(dòng)與沖擊，對(duì)電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性要求更高；

(3) 需要空調(diào)有快速制冷、制熱和低速運(yùn)行的能力[3]；

(4) 直接消耗電池能源，為保證電動(dòng)汽車的推進(jìn)動(dòng)力，需要提高電機(jī)的效率。

PMSM具有響應(yīng)平滑、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、控制精度高、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)[4]。隨著高速微處理器的發(fā)展、電力電子器件的進(jìn)步和控制算法的不斷完善，PMSM變頻技術(shù)的應(yīng)用愈加成熟、廣泛[5]。本文以STM32F103 MCU為核心，構(gòu)建了電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)用PMSM的變頻控制系統(tǒng)。

1 電動(dòng)汽車用空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)

電動(dòng)壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、工作效率高、噪聲小、可靠性高等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器與壓縮機(jī)一體式設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)貼合壓縮機(jī)冷端表面進(jìn)行冷卻。電機(jī)在壓縮機(jī)內(nèi)部對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)冷媒循環(huán)可自行冷卻而不需外加冷卻設(shè)備。

圖1為電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際安裝圖。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)由電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥及連接管路等組成。由圖可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，可大大減小整車重量與體積，并且節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖1 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)安裝效果圖

2 PMSM的數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)PMSM的磁路不飽和，空間磁場(chǎng)為正弦分布，忽略磁滯和渦流損耗。

將PMSM轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的方向定義為d軸，與d軸正交的是q軸，dq坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，d軸與A軸之間的夾角為變量θr。圖2所示為PMSM的物理模型。

圖2 PMSM物理模型

在dq坐標(biāo)系下PMSM的數(shù)學(xué)模型可用下列方程表示。

定子電壓方程:

(1)

(2)

定子磁鏈方程:

ψd=Ldid+ψr

(3)

ψq=Lqiq

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=Pψdiq-ψqid=P[ψriq+Ld-Lqidiq]

(5)

運(yùn)動(dòng)方程:

(6)

式中：R——定子繞組電阻；

Ld、Lq——定子繞組的d、q軸電感；

ud、uq，id、iq——定子繞組的d、q軸電壓，電流；

ψd、ψq——d、q軸磁鏈；

ψr——轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；

P——轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；

ω——轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速；

Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

B——阻尼系數(shù)。

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)可劃分為四個(gè)部分，分別是電源模塊、控制模塊、通信模塊和功率模塊。其中，控制模塊用STM32系列芯片實(shí)現(xiàn)，功率模塊用三菱生產(chǎn)的PS21A79IPM來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3給出了PMSM控制系統(tǒng)的框圖。

圖3 PMSM控制系統(tǒng)的框圖

電源模塊輸入端接312V高壓直流電，分別對(duì)功率模塊和控制模塊供電。STM32的工作電壓為2.0～3.6V，需要設(shè)計(jì)降壓電路。降壓采用高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用DC-DC Converter UC2843來(lái)控制MOS管的開(kāi)關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩的脈沖波形，由變壓器產(chǎn)生低壓交流電。低壓交流電整流后經(jīng)由三端穩(wěn)壓器LM117，輸出控制芯片的工作電壓。

通信電路采用光耦隔離，可在輸入信號(hào)異常時(shí)保護(hù)控制芯片不被燒壞。智能功率模塊設(shè)有故障保護(hù)功能，當(dāng)有溫度、電流、電壓等故障發(fā)生時(shí)，模塊的FO腳會(huì)輸出故障信號(hào)使電機(jī)停止運(yùn)行，從而起到保護(hù)作用。圖4為FO腳溫度保護(hù)的實(shí)測(cè)波形圖，F(xiàn)O拉低后會(huì)迅速?gòu)?fù)位，以等待故障信號(hào)的清除。

圖4 FO腳檢測(cè)故障

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。系統(tǒng)在每次復(fù)位后，主程序首先執(zhí)行初始化子程序，完成控制器內(nèi)部設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測(cè)，以及程序中變量的定義和初始值的設(shè)置。然后進(jìn)入開(kāi)環(huán)起動(dòng)程序，設(shè)置定時(shí)器T1作為系統(tǒng)的控制周期，完成后進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行程序。當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。程序框圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了基于STM32F103的PMSM控制系統(tǒng)，并對(duì)其工作性能和安全可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中所用三相PMSM的參數(shù)如下： 直流母線電壓312V，極對(duì)數(shù)3，可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍2000～6000r/min，對(duì)應(yīng)占空比20%～80%線性變化。

圖6 轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線圖

圖6為PMSM轉(zhuǎn)速波形，圖中設(shè)有 3000r/min的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，以避免電機(jī)在高負(fù)荷下全速起動(dòng)時(shí)造成失步現(xiàn)象[6]?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)速的設(shè)定范圍為 3000～4500r/min，可根據(jù)用戶的實(shí)際需求調(diào)整。

起動(dòng)策略為三段式低速起動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子定位、開(kāi)環(huán)加速和閉環(huán)運(yùn)行三個(gè)階段[7]。轉(zhuǎn)速為零的階段由PARK運(yùn)算將轉(zhuǎn)子拉到指定位置；然后由控制部分向功率模塊輸入設(shè)定好的占空比信號(hào)，開(kāi)始開(kāi)環(huán)運(yùn)行階段；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的慢慢上升，反電勢(shì)也被建立起來(lái)，最后切換到閉環(huán)運(yùn)行階段，圖中標(biāo)示了開(kāi)環(huán)階段與閉環(huán)階段的切換點(diǎn)。

圖7、圖8分別為6000r/min常態(tài)工況下PMSM的相電流波形和最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的相電流波形?！俺B(tài)工況”是壓縮機(jī)行業(yè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這里以吸氣壓力0.196±0.005MPa，排氣壓力1.47±0.02MPa時(shí)的工況為準(zhǔn)。

圖7 常態(tài)工況時(shí)相電流波形

圖8 轉(zhuǎn)矩6N·m時(shí)相電流波形

圖7所示相電流有效值為7.86A，圖8所示相電流有效值為20.5A，最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到6N·m，最大功率4500W，完全可以滿足車載空調(diào)正常運(yùn)行和高負(fù)荷運(yùn)行工況的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合電動(dòng)汽車車載空調(diào)壓縮機(jī)工況條件，設(shè)計(jì)了一種以STM32F103為核心的PMSM變頻控制系統(tǒng)。最后給出了試驗(yàn)結(jié)果波形，分析了電機(jī)的控制性能，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的適用性，為下一步的整機(jī)匹配奠定了良好的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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