空調(diào)永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器調(diào)速控制探究

王 鑫，羅廣旭，周玉璇，容嘉怡

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州，221000；2.湖北商貿(mào)學(xué)院，湖北武漢，430079）

汽車(chē)是人們當(dāng)前生活中為了達(dá)到更高的生活質(zhì)量非常重要的一部分。擁有自己的汽車(chē)可以改善交通出行質(zhì)量。進(jìn)入到21世紀(jì)之后，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)隨著市場(chǎng)中人們汽車(chē)需求量的提升有了更好的發(fā)展空間，保持著較快的發(fā)展速度，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了較多的貢獻(xiàn)。而市場(chǎng)環(huán)境與之前相比也有所變化，工業(yè)的發(fā)展使得市場(chǎng)中的能源消耗過(guò)多，為有效的調(diào)整資源消耗并保護(hù)環(huán)境，汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始探究新能源的應(yīng)用研發(fā)出了新能源汽車(chē)。新能源汽車(chē)是汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中非常重要發(fā)展方向。很多商業(yè)都在不斷的研究電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)。通過(guò)研發(fā)新能源汽車(chē)可以有效改善環(huán)境問(wèn)題，緩解能源消耗的壓力［1］。電動(dòng)汽車(chē)耗能較高的一部分就是車(chē)用空調(diào)。所以汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中需要考慮如何設(shè)計(jì)汽車(chē)可以達(dá)到高效節(jié)能的汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。汽車(chē)的電機(jī)體積結(jié)構(gòu)較小及重量較輕，而且消耗的建設(shè)成本較低，應(yīng)用起來(lái)比較方便。目前的軍事工業(yè)以及辦公設(shè)施或者是農(nóng)業(yè)等都需要通過(guò)電機(jī)設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)或者設(shè)施建設(shè)，進(jìn)而為其提供相應(yīng)的電能。通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)，可以對(duì)比之前的能量消耗減少20 %左右。若是在汽車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇永磁式同步電動(dòng)機(jī)，可以更為大幅的減少能源的消耗。

PMSM設(shè)施應(yīng)用可以達(dá)到較高的工作效率。而且其相應(yīng)的功率體積比處于較高的水平，所以不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，有很多家用電器以及電動(dòng)汽車(chē)都應(yīng)用了PMSM電機(jī)。電機(jī)能夠?qū)ο鄳?yīng)的機(jī)械以及設(shè)施性能進(jìn)行控制。而當(dāng)前人們?cè)谘芯侩姍C(jī)時(shí)主要注重的是環(huán)保與節(jié)能。由此同步電機(jī)將植入式的傳感設(shè)置應(yīng)用到了電機(jī)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而去感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置［2］?？照{(diào)壓縮機(jī)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中所處的環(huán)境是封閉的，而且環(huán)境較為惡劣，處于高壓、高溫的環(huán)境里，并且會(huì)存在較高的腐蝕性。這種惡劣的環(huán)境就會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)區(qū)域的傳感器連接線(xiàn)受到影響，進(jìn)而干預(yù)傳感器接收信息的穩(wěn)定性，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，影響汽車(chē)的使用?？照{(diào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速與無(wú)傳感控制策略相融合對(duì)于當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展有著較好的意義。

1 電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 電動(dòng)空調(diào)的工作原理

空調(diào)系統(tǒng)會(huì)消耗汽車(chē)較多的能量，在汽車(chē)所有應(yīng)用的電氣系統(tǒng)中能量消耗排名第一?？照{(diào)系統(tǒng)的功耗在輔助系統(tǒng)中占比為50%以上。對(duì)于一些純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，經(jīng)常會(huì)選擇電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)。它是通過(guò)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。汽車(chē)中的暖風(fēng)則是結(jié)合電加熱的形式［3］。比較常見(jiàn)的包括兩類(lèi)：一類(lèi)是借助加熱冷卻液形成熱量，然后熱量會(huì)通過(guò)一定的循環(huán)通道進(jìn)入到水箱，在汽車(chē)內(nèi)部產(chǎn)生熱風(fēng)。另一類(lèi)則是對(duì)流通蒸發(fā)箱的空氣進(jìn)行直接性的加熱，進(jìn)而在汽車(chē)內(nèi)部形成暖風(fēng)功能。市場(chǎng)中電動(dòng)汽車(chē)設(shè)置的空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與燃油汽車(chē)較為相近，基本上都是通過(guò)蒸發(fā)箱、壓縮機(jī)、冷凝器、溫度傳感器、散熱風(fēng)扇等多種元件組合而成的。

壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要包括非獨(dú)立式以及獨(dú)立式。不同的驅(qū)動(dòng)形式會(huì)表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)。采用獨(dú)立式的驅(qū)動(dòng)形式，可以直接運(yùn)用電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，而且它是由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，其相應(yīng)的速度調(diào)整空間較大。非獨(dú)立式的驅(qū)動(dòng)是借助驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)傳動(dòng)帶的影響，進(jìn)而提供驅(qū)動(dòng)力。

1.2 電動(dòng)壓縮機(jī)的控制

純電動(dòng)汽車(chē)在設(shè)置壓縮機(jī)時(shí)有一定的條件標(biāo)準(zhǔn)，需要減少壓縮機(jī)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)內(nèi)的占用空間，并且要達(dá)到較高的效率，不能夠產(chǎn)生太多的噪音，需要具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以在多種不同的行駛環(huán)境的正常使用。壓縮機(jī)內(nèi)含有較多的高壓制冷氣體。有刷電機(jī)換向期間容易出現(xiàn)火花，進(jìn)而產(chǎn)生安全事故問(wèn)題。所以可以通過(guò)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)置汽車(chē)結(jié)構(gòu)中空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為其提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。

電機(jī)為空調(diào)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部會(huì)存在不同的工作循環(huán)，這樣就會(huì)改變電機(jī)承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩?？照{(diào)制冷的情況下一般壓縮機(jī)內(nèi)部溫度在100 ℃以上。如果當(dāng)前的環(huán)境處于夏季炎熱季節(jié)，使用汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生更高的溫度值，所以會(huì)導(dǎo)致設(shè)施所處的工作環(huán)境比較惡劣，存在較強(qiáng)的腐蝕性以及高溫和抖震問(wèn)題。這就會(huì)干預(yù)傳感器的測(cè)量精度，甚至傳感器可能會(huì)無(wú)法測(cè)量到相應(yīng)的信息［4］。所以為保證空調(diào)壓縮機(jī)可以達(dá)到更高的性能水平，就可以通過(guò)永磁同步電機(jī)對(duì)相應(yīng)的速度進(jìn)行調(diào)控。

1.3 PMSM的工作原理

電機(jī)設(shè)施的原理是運(yùn)用磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳遞。進(jìn)而達(dá)到電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。電機(jī)結(jié)構(gòu)自身需要構(gòu)建一個(gè)空氣間隙磁場(chǎng)，進(jìn)而支持電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。為其提供相應(yīng)的空間。定子繞組線(xiàn)圈在流通對(duì)稱(chēng)式三相正弦電流情況下就會(huì)形成自動(dòng)式旋轉(zhuǎn)矢量Fs。該矢量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的磁動(dòng)式矢量F之間存在相互作用力，這樣可以控制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。

永磁同步電機(jī)的組成主要包括永磁體、定子繞組、軸承、基座以及軸承等。另外還包括轉(zhuǎn)子支撐元件以及外圍線(xiàn)路等。

如果三相PMSM轉(zhuǎn)子次數(shù)存在不同的結(jié)構(gòu)，那么其所運(yùn)用的電機(jī)特點(diǎn)和控制形式也會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異。遵循永磁體放置于轉(zhuǎn)軸鐵芯的放置形式，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分類(lèi)。分為表貼式轉(zhuǎn)軸以及內(nèi)置式轉(zhuǎn)軸兩類(lèi)結(jié)構(gòu)。首先分析表貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的永磁體主要是放置在轉(zhuǎn)軸鐵心的外部區(qū)域，所以此時(shí)形成的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于常數(shù)1，而且直軸齒輪以及交軸齒輪之間形成對(duì)稱(chēng)關(guān)系，凸極率p=La/Lq≈1［5］。所以該類(lèi)電機(jī)也被分類(lèi)為隱極式電動(dòng)機(jī)。這種交流電機(jī)在進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)所應(yīng)用的工藝方法較為簡(jiǎn)單，而且可以減少工藝生產(chǎn)成本，因此在當(dāng)前的市場(chǎng)中屬于使用比較普遍的一類(lèi)電機(jī)結(jié)構(gòu)。

2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

本文的研究是為了設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中為其提供驅(qū)動(dòng)力的電機(jī)。結(jié)合Texas Instruments企業(yè)設(shè)計(jì)推出的數(shù)字型信號(hào)處理器，應(yīng)用于PMSM無(wú)傳感矢量調(diào)速控制系統(tǒng)中，通過(guò)軟件以及硬件的組合設(shè)計(jì)，并且構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整性進(jìn)行測(cè)試。

2.1 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.1.1 調(diào)速程序整體架構(gòu)

控制調(diào)速系統(tǒng)的軟件構(gòu)成主要分為兩部分：一是主程序；二是中斷服務(wù)子程序。前者的功能用于初始化數(shù)字信號(hào)處理器。后者的是對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算進(jìn)行核心控制。中斷進(jìn)程的操作既能夠通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器操控，同時(shí)也能夠借助e-PWM進(jìn)行控制。因?yàn)門(mén)MS320F28335的e-PWM模塊，包括周期中的功能。為使得e-PWM開(kāi)關(guān)量的生成以及相應(yīng)模塊的計(jì)算更為便利，通常會(huì)處于e-PWM的周期中斷進(jìn)程中去進(jìn)行整體的系統(tǒng)預(yù)算。其相應(yīng)的操作過(guò)程分為兩部分：一是進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作；二是進(jìn)行主循環(huán)管理。系統(tǒng)初始化主要是調(diào)控各種系統(tǒng)參數(shù)，并且對(duì)引腳功能進(jìn)行定義，主循環(huán)期間需要選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行中斷。

2.1.2 電機(jī)控制主中斷程序

程序的核心在于中斷服務(wù)子程序。調(diào)速系統(tǒng)的各種算法都是屬于A/D模數(shù)中斷進(jìn)程完成的。PWM模塊是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理及主控芯片發(fā)揮作用。處于任意調(diào)整周期的上升沿開(kāi)啟模數(shù)中斷。然后通過(guò)數(shù)值去轉(zhuǎn)換相應(yīng)的坐標(biāo)，可以知曉對(duì)應(yīng)的電流值iα、iβ。運(yùn)用無(wú)傳感矢量算法能夠?qū)D(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行定位。結(jié)合公測(cè)得到的轉(zhuǎn)子定位明確相應(yīng)的電流值id、iq。然后根據(jù)轉(zhuǎn)速以及電流雙閉環(huán)去明確相應(yīng)的電壓值ud、uq。通過(guò)Park逆變化算法能夠轉(zhuǎn)化得到uα、uβ。結(jié)合SVPWM調(diào)制策略，在相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能功率模塊的調(diào)控。進(jìn)而對(duì)PMSM的運(yùn)行狀態(tài)提供驅(qū)動(dòng)力，完成整個(gè)過(guò)程之后進(jìn)行中斷返回。

2.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成包括兩部分：一是DSP控制模塊，實(shí)現(xiàn)的功能是收集相應(yīng)的變量信息，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換等。二是驅(qū)動(dòng)電路，包括智能功率模塊以及橋式整流模塊。

2.2.2 微處理器控制單元及濾波設(shè)計(jì)

微控制單元選擇的是TMS320F28335芯片。這種芯片性能水平較高，屬于32位浮點(diǎn)DSP處理器，不會(huì)產(chǎn)生太多的功耗，而且生產(chǎn)成本較低，有著較大的存儲(chǔ)空間。在預(yù)算數(shù)據(jù)方面能力較強(qiáng)。對(duì)比之前的一些數(shù)字信號(hào)處理器，其性能水平與之前相比提升了50%的幅度。而且可以兼容C28x系列的服務(wù)器，這樣應(yīng)用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中能夠快速的完成程序的設(shè)計(jì)。

控制板的電源輸出側(cè)因?yàn)樾枰獫M(mǎn)足一定的熱插拔條件以及特定的上電屬性。所以需要將m型濾波電路設(shè)置在輸入側(cè)區(qū)域，還應(yīng)加入輸入側(cè)的電感，主要是為了對(duì)電流瞬時(shí)突變力起到一定的條件約束。電感越大就會(huì)有更好的約束效果。但是如果電感過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致上電、下電期間，電感兩端區(qū)域會(huì)形成反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而影響后續(xù)負(fù)載，所以比較合適的電感值應(yīng)該為10μH。

2.2.3 速度控制接口電路

在線(xiàn)路中加入可變電阻，通過(guò)調(diào)整電位器會(huì)改變電阻的阻值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)整，并且提前設(shè)定好要旋轉(zhuǎn)方向，以此不斷改變速度方向，當(dāng)逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下將停止電機(jī)的使用。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

完成系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì)之后需要搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，主要包括開(kāi)關(guān)電源、上位機(jī)、功率逆變模塊、示波器等多個(gè)部分。

永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)為3，額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為4000 rpm。外觀可以看圖3-1的內(nèi)容，圖中整體分為左右兩部分，左側(cè)屬于主動(dòng)電機(jī)，右側(cè)屬于被測(cè)電機(jī)，分別是通過(guò)上位機(jī)控制以及聯(lián)軸器相連。

圖3-1 永磁同步電機(jī)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，在保持850 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行測(cè)量，其形成的W相以及v相反電動(dòng)勢(shì)波形表現(xiàn)為正弦波。而且針對(duì)相應(yīng)的電機(jī)控制器來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)長(zhǎng)方形PCB板全整合各種模塊，能夠使得系統(tǒng)使用更為可靠，而且后期移植更為便利。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)CCS平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行語(yǔ)言代碼編譯。然后借助上位機(jī)連接仿真接口串入到控制板中，對(duì)設(shè)計(jì)形成的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速之后形成的測(cè)試結(jié)果如下：

運(yùn)用無(wú)傳感算法進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算，可以得出1分鐘894轉(zhuǎn)，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速較為一致，可以將其相應(yīng)的誤差控制在1%的范圍內(nèi)。

運(yùn)用速度調(diào)節(jié)接口去改變相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，使其瞬間達(dá)到1分鐘2110轉(zhuǎn)。對(duì)變化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，電機(jī)可以保持平穩(wěn)的上升速度，并且達(dá)到最終的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目標(biāo)。通過(guò)無(wú)傳感算法對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)估，得到1分鐘2098轉(zhuǎn)，誤差為12轉(zhuǎn)。

所以結(jié)合這兩方面的測(cè)試可以得知，運(yùn)用改進(jìn)之后形成的滑模觀測(cè)器算法能夠更為準(zhǔn)確的辨別專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并對(duì)其速度進(jìn)行估算，達(dá)到較為精準(zhǔn)的閉環(huán)控制。

而且在實(shí)驗(yàn)中能夠觀察到，其u相電壓波形表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)方波。峰峰值為23V，周期約為80μs，頻率為12.52KHz。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息能夠知曉，這能夠有效的控制定子三相電壓值。所以通過(guò)SVPWM調(diào)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流值的有效控制，支持永磁同步電機(jī)的正常使用。

控制器與上位機(jī)之間的信息交換主要是運(yùn)用JTAG聯(lián)合測(cè)試仿真接口實(shí)現(xiàn)的。CSS代碼平臺(tái)將估測(cè)得到的數(shù)值保存并傳輸?shù)組atlab的空間里，繪制相應(yīng)的對(duì)比曲線(xiàn)。圖3-2是仿真測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試分別達(dá)到的結(jié)果。

圖3-2 仿真和實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速估測(cè)值對(duì)比曲線(xiàn)

結(jié)合上圖的內(nèi)容能夠知曉，運(yùn)行0.2 s之后電機(jī)能夠保持1分鐘左右擺轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過(guò)滑模觀測(cè)器算法對(duì)實(shí)物測(cè)驗(yàn)以及仿真測(cè)驗(yàn)形成的估測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，保持一致。所以該算法具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量有效性。能夠更為精準(zhǔn)的進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控。

3 小結(jié)

本文的分析主要是研究永磁同步電動(dòng)機(jī)，去設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用PMSM無(wú)傳感矢量控制器的軟件以及硬件結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)去驗(yàn)證相應(yīng)的無(wú)感應(yīng)算法有效性。從研究結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)形成的電機(jī)控制器應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中，能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)起到良好的電阻調(diào)控作用。但是也存在一定的缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究通信端口結(jié)構(gòu)。這樣才能夠在后續(xù)使用過(guò)程中收集更多的信息，使得中國(guó)空調(diào)壓縮機(jī)行業(yè)發(fā)展能夠達(dá)到更高的水平。