基于dsPIC33EP256MC504的電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)控制器設(shè)計(jì)研究

李仁慶，沈長(zhǎng)海，宋立彬，劉福寬

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基于dsPIC33EP256MC504的電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)控制器設(shè)計(jì)研究

李仁慶，沈長(zhǎng)海，宋立彬，劉福寬

（眾泰汽車工程研究院 智能網(wǎng)聯(lián)部，浙江 杭州 310018）

針對(duì)電動(dòng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的控制需求，設(shè)計(jì)了以dsPIC33EP256MC504為核心的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器，給出了其硬件設(shè)計(jì)框圖，重點(diǎn)介紹了控制器低壓電源穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和運(yùn)放模塊等在壓縮機(jī)控制應(yīng)用中的電路設(shè)計(jì)內(nèi)容；在電機(jī)控制策略方面，結(jié)合壓縮機(jī)控制系統(tǒng)目標(biāo)，采用矢量控制算法實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；在程序設(shè)計(jì)方面，采用模塊化的編程方式調(diào)試了壓縮機(jī)控制的主程序及各個(gè)模塊的子程序，并增加了CAN通信模塊以實(shí)現(xiàn)與整車CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互；最后在空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架上對(duì)控制器和壓縮機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，檢測(cè)在實(shí)際工況下控制器和壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及空調(diào)系統(tǒng)的制冷情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮機(jī)總成正常運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架能夠?qū)崿F(xiàn)制冷功能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

dsPIC33EP256MC504；壓縮機(jī)；控制器；CAN通信

前言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起和國(guó)民生活質(zhì)量的日益提高，人們對(duì)電動(dòng)汽車的舒適性、可靠性、和節(jié)能環(huán)保等性能提出了更高的要求，而電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是影響乘車舒適性的重要因素之一。電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)是新能源汽車上是除三電系統(tǒng)外的一個(gè)重要電子控制系統(tǒng)，在當(dāng)前我國(guó)強(qiáng)調(diào)提高新能源汽車零部件自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)能力的背景下，加強(qiáng)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，對(duì)加快電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義[1-2]。

電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心零部件。隨著電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化，該產(chǎn)品的需求量會(huì)不斷上升，經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)空間大，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。同電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)也使用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；為其研究開(kāi)發(fā)一款性能良好、運(yùn)行平穩(wěn)、工作高效和安全可靠的驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)非常重要。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所采用的控制算法的優(yōu)劣以及設(shè)計(jì)編寫對(duì)應(yīng)的控制程序的水平是壓縮機(jī)正常工作的關(guān)鍵[3-4]。

本文以電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)控制器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于dsPIC33EP256MC504為主控芯片的控制器硬件和軟件部分，通過(guò)系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了壓縮機(jī)控制方案的可行性，對(duì)電動(dòng)汽車空調(diào)電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

1 電動(dòng)壓縮機(jī)總成系統(tǒng)介紹

新能源汽車電動(dòng)壓縮機(jī)總成包括壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器三部分，本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的電動(dòng)壓縮機(jī)控制器采用的是一體式渦旋電動(dòng)壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕和運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小等特點(diǎn)。電動(dòng)壓縮機(jī)控制器通過(guò)整車CAN網(wǎng)絡(luò)接收汽車空調(diào)控制器發(fā)送的開(kāi)啟、關(guān)閉和調(diào)速信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速控制。電動(dòng)壓縮機(jī)總成系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 電動(dòng)壓縮機(jī)總成系統(tǒng)框圖

2 電動(dòng)壓縮機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓縮機(jī)控制器硬件系統(tǒng)主要由最小系統(tǒng)電路、低壓電源穩(wěn)定電路、IPM驅(qū)動(dòng)電路、高壓直流母線電路、差動(dòng)運(yùn)放電路、過(guò)流保護(hù)電路和CAN通訊接口電路等六部分組成。電動(dòng)壓縮機(jī)控制器硬件系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 電動(dòng)壓縮機(jī)控制器硬件構(gòu)架

2.1 主控芯片的選擇

MCU是電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的核心元件，它是軟件、硬件和實(shí)現(xiàn)控制算法的基礎(chǔ)和載體。在電動(dòng)壓縮機(jī)控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用的是Microchip公司推出的一款集DSC和MCU為一體的專用在電機(jī)控制方面的16位高性能微控制器dsPIC33EP 256MC504。其最大工作頻率可達(dá)70MIPS，兩個(gè)40位寬累加器，支持單周期混合符號(hào)乘法和除法，同時(shí)支持32位乘法,能夠滿足永磁同步電機(jī)控制算法對(duì)芯片運(yùn)算速度的苛刻要求；另外該芯片內(nèi)部具有電機(jī)專用的高速PWM控制器，通過(guò)編程可以產(chǎn)生具有相同頻率和工作方式，且相互獨(dú)立的3相6路PWM波形；有可最多支持4路模擬輸入同步采樣的ADC模塊，ADC模塊上靈活的多觸發(fā)選項(xiàng)允許使用廉價(jià)的電流檢測(cè)電阻來(lái)測(cè)量電機(jī)繞組電流，使用PWM模塊觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，電流檢測(cè)電路可在指定時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入進(jìn)行檢測(cè)[5]。

2.2 低壓電源穩(wěn)壓電路

電動(dòng)壓縮機(jī)控制器是高低壓共板的，電源穩(wěn)壓部分電路的設(shè)計(jì)關(guān)系著壓縮機(jī)總成運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路由3部分電路組成：12V轉(zhuǎn)15V電路、15V轉(zhuǎn)3.3V電路和12轉(zhuǎn)5V電路組成。12V轉(zhuǎn)15V電路是用于產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作電壓15V，由于車載12V低壓蓄電池和380V高壓電源需要物理隔離，所以采用電流型PWM控制器NCV3843BV+隔離型變壓器+光電耦合器的解決方案，其電路原理如圖3中局部電路圖1/1--15V所示，NCV3843BV輸出頻率為70KHz的PWM信號(hào)，周期性開(kāi)啟和關(guān)斷功率MOS管IRFL024Z，使變壓器初級(jí)電壓12V周期性變化，次級(jí)電壓輸出15V。由三端穩(wěn)壓器TL431和光耦TLP185組成15V反饋網(wǎng)絡(luò)，輸入到NCV3843BV內(nèi)部，對(duì)變壓器次級(jí)電壓進(jìn)行微調(diào)，使輸出電壓穩(wěn)定在15V。隔離型變壓器將輸入和輸出物理隔離，防止高低壓網(wǎng)絡(luò)互相影響。在圖3局部電路圖1/2--5VCAN中，采用線性穩(wěn)壓電源芯片MIC2951-03YM，將蓄電池12V低壓轉(zhuǎn)成5V，為隔離型CAN芯片ISO1050提供工作電壓。在圖3局部電路圖1/3--3.3V中，使用開(kāi)關(guān)電源MCP16301，將變壓器次級(jí)輸出的15V轉(zhuǎn)為3.3V，為MCU、CAN通訊電路和運(yùn)放電路等提供電源。

圖3 低壓電源穩(wěn)壓電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)選用仙童公司的一款汽車級(jí)3相智能功率模塊FAM65V05DF1來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其額定電壓為600V，額定電流為50A，該模塊將功率橋和三相橋驅(qū)動(dòng)芯片集成在一起，而且內(nèi)部還集成有過(guò)/欠壓，過(guò)流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路[6]。HIN1~3/LIN1~3直接連接MCU的I/O口，是6路PWM互補(bǔ)信號(hào)輸入端，控制IPM內(nèi)部上下橋臂交替開(kāi)通和關(guān)斷，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)；VTS端口是溫度輸出端口，輸出IPM模塊溫度模擬值給到MCU，用于判斷IPM工作溫度是否達(dá)到過(guò)溫保護(hù)關(guān)斷值。VFO端口是故障信號(hào)輸出端，當(dāng)IPM工作出錯(cuò)時(shí)，主動(dòng)輸出低電平故障信號(hào)，MCU檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，禁止PWM信號(hào)輸出；CSC端口是電流短路保護(hù)端，電機(jī)相電流經(jīng)過(guò)下橋臂采樣電阻時(shí)直接輸出電壓值，經(jīng)過(guò)RC濾波電路，連接CSC端口，當(dāng)電壓達(dá)到0.5V時(shí)，CSC端口觸發(fā)IPM硬件保護(hù)功能，同時(shí)VFO端口輸出低電平故障信號(hào)，其電路原理如圖4所示。

2.4 差分運(yùn)放及過(guò)流保護(hù)電路

在電機(jī)矢量控制的過(guò)程中，需要采集電機(jī)的相電流，然后反饋到控制電路中，形成對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的閉環(huán)控制。在電機(jī)IPM驅(qū)動(dòng)電路中，采用下橋臂電阻采樣法得到各相電流后，輸入到集成運(yùn)算放大器MCP6024，MCP6024內(nèi)部集成了4路運(yùn)放控制電路。

圖5 差分運(yùn)放電路

在相電流差分運(yùn)放電路設(shè)計(jì)中，如圖5所示，1路(U201D)用于偏置電路輸入，得到相電流的模擬參考電壓1.65V；2路（U201A/U201B）用于相電流差分信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路放大，得到相電流模擬信號(hào)值Current_V和Current_W，然后輸出給MCU，用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)速。在圖6比較器過(guò)流保護(hù)電路中，最后1路對(duì)IPM過(guò)流信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、放大后，接著輸入到比較器MCP6561，與設(shè)定的過(guò)流保護(hù)閾值進(jìn)行比較，輸出電平信號(hào)IC給MCU，用于判斷電機(jī)是否過(guò)流。

圖6 比較器過(guò)流保護(hù)電路

2.5 CAN通信接口電路

電動(dòng)壓縮機(jī)工作時(shí)通過(guò)整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)接收外部CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的鑰匙檔位信號(hào)、壓縮機(jī)啟動(dòng)/停止信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)；同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)控制軟件運(yùn)行狀態(tài)和硬件工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，一方面關(guān)閉壓縮機(jī)系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)模塊，使壓縮機(jī)停止工作，另一方面將系統(tǒng)的故障代碼發(fā)送到整車CAN網(wǎng)絡(luò)上。本系統(tǒng)CAN通信接口電路采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一款隔離型高速CAN總線收發(fā)器ISO1050，它一端與內(nèi)部自帶CAN控制器的主控芯片連接，另一端整車CAN總線連接。ISO1050能夠隔離壓縮機(jī)控制器與整車CAN總線信號(hào)的相互干擾，確保數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定可靠[7]。系統(tǒng)CAN通信接口電路如下圖所示。

圖7 CAN通信接口電路

3 電動(dòng)壓縮機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)遵循前/后臺(tái)的結(jié)構(gòu)模式，由系統(tǒng)主程序和中斷程序兩部分組成，壓縮機(jī)控制器上電后系統(tǒng)主程序調(diào)用各個(gè)子模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入壓縮機(jī)狀態(tài)機(jī)，接收中斷系統(tǒng)的反饋信息，執(zhí)行壓縮機(jī)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；中斷控制程序執(zhí)行壓縮機(jī)控制算法，更新PWM模塊占空比，跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)狀態(tài)信息的變化，最后反饋給壓縮機(jī)狀態(tài)機(jī)。

圖8 電動(dòng)壓縮機(jī)控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖

圖9 主程序流程圖

主程序流程圖表示控制器從上電到正常運(yùn)行這段時(shí)間的程序運(yùn)行情況，總體設(shè)計(jì)思路是：子程序模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)子函數(shù)的調(diào)用和中斷函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)具體功能，盡量減少主程序復(fù)雜度，提高運(yùn)行效率。系統(tǒng)上電后，主程序?qū)sPIC33 EP256MC-504單片機(jī)各模塊進(jìn)行初始化，主要包括GPI/O模塊、PWM模塊、ADC模塊、定時(shí)器模塊、IC模塊等，然后進(jìn)入狀態(tài)機(jī)，執(zhí)行狀態(tài)邏輯變換。其流程見(jiàn)圖9。

3.2 壓縮機(jī)狀態(tài)機(jī)邏輯設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓縮機(jī)在實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷功能的工作過(guò)程中，其運(yùn)行狀態(tài)的變化可用一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)描述，該狀態(tài)機(jī)包含6種狀態(tài)，分別為：上電待機(jī)狀態(tài)、起動(dòng)狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、弱磁控制狀態(tài)、制動(dòng)減速停機(jī)狀態(tài)以及故障狀態(tài)。

圖10 壓縮機(jī)狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)圖

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)的相電流大小、使用滑動(dòng)模式控制器（SMC）估算電機(jī)的位置和速度，應(yīng)用PID閉環(huán)控制方法，再使用空間矢量調(diào)制技術(shù)更新PWM模塊占空比，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的跟蹤[8]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是在AD中斷服務(wù)程序中執(zhí)行的，由PWM模塊觸發(fā)AD中斷，PWM頻率設(shè)為10KHz，即在一個(gè)PWM周期內(nèi)要完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行，其流程圖11如下所示。

圖11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

4 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果分析

本研究在驗(yàn)證控制器基本功能后，在空調(diào)系統(tǒng)制冷臺(tái)架上對(duì)控制器和壓縮機(jī)總成進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，檢測(cè)在實(shí)際工況下控制器和壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果。試驗(yàn)過(guò)程中使用示波器、鉗流表、溫度儀和壓力表等工具對(duì)壓縮機(jī)相電流、系統(tǒng)管道壓力、HVAC箱體出風(fēng)口溫度和電箱輸入功率進(jìn)行測(cè)量。

圖12 空調(diào)制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

圖13 2500r/min時(shí)壓縮機(jī)相電流波形

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)PC上位機(jī)軟件模擬整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由1000r/min逐步提高到5000r/min，示波器測(cè)得壓縮機(jī)相電流波形比較接近正弦波，說(shuō)明控制系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的矢量控制；同時(shí)測(cè)得壓縮機(jī)高低管道壓差由0MPa逐步升高0.86MPa、HVAC箱體出風(fēng)口溫度由室溫26℃逐步降低到10℃，表明壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制冷功能，且隨著轉(zhuǎn)速的提高制冷效果逐步增強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于微芯科技dsPIC33EP256MC504型主控芯片，本文設(shè)計(jì)了一款用于380V電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器，通過(guò)CAN通信網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟停和調(diào)速控制。在空調(diào)臺(tái)架試驗(yàn)中，控制器軟硬件工作正常，壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)系統(tǒng)臺(tái)架能夠?qū)崿F(xiàn)制冷功能，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了壓縮機(jī)控制器設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

研究中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一定程度的波動(dòng)及在高速下有觸發(fā)過(guò)流保護(hù)等問(wèn)題，因此后期，壓縮機(jī)控制算法參數(shù)匹配、低壓電源穩(wěn)壓電路和運(yùn)放電路的PCB布局和參數(shù)調(diào)試等都是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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Design of air conditioner compressor controller for electric vehicle based on dsPIC33EP256MC504

Li Renqing, Shen Changhai, Song Libin, Liu Fukuan

( Intelligent Network Department, Zotye Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Aiming at the control requirements of the compressor of electric vehicle air conditioning system, a permanent magnet brushless DC motor controller based on dsPIC33EP256MC504 is designed. The hardware design block diagram is given, and the circuit design content of the controller low voltage power supply voltage regulator module, motor drive module and op amp module in compressor control application is introduced. In the motor control strategy, combined with the compressor control system target, the vector control algorithm is used to control the compressor speed. In terms of programming, modular programming is used to debug the main program of the compressor control and subroutines of each module, and the CAN communication module is added to realize data interaction with the vehicle CAN network; Finally, the bench test of the controller and the compressor is carried out on the air-conditioning system gantry to detect the operation of the controller and the compressor and the refrigeration of the air-conditioning system under actual working conditions. The experimental results show that the compressor assembly can operate normally, and the air conditioning system gantry can realize the cooling function, which verifies the feasibility of the design scheme.

dsPIC33EP256MC504; compressor; controller; CAN communication

U464.141

A

1671-7988(2019)09-17-05

U464.141

A

1671-7988(2019)09-17-05

李仁慶（1989-），男，碩士研究生，就職于眾泰汽車工程研究院智能網(wǎng)聯(lián)部，從事汽車電子軟件控制方向的研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.005