（通信与信息系统专业论文）用于电动车载空调的双闭环电机控制系统的设计与实现.pdf

摘要 为缓解石油资源短缺局面，降低汽车燃油对环境的污染，电动汽车作为新能 源汽车的一种，其发展已经引起世界各国的重视。其中电动车载空调是电动汽车 的关键零部件之一，其对电动汽车行业的发展具有重要的影响。与传统燃油汽车 空调的驱动动力不同，电动车载空调系统是由电机带动空调压缩机工作，从而实 现制冷功能。基于此本文主要对电动车载空调的电机控制系统进行研究。 首先，本文针对目前电动车载空调电机控制系统大负载扰动和过流保护等问 题，设计了一种用于电动车载空调系统的双闭环电机控制系统，并且使用 m a t l a b s 蚰u l i n k 对电机控制系统进行建模。当控制模型建立后分别对单闭环电机 控制系统和双闭环电机控制系统进行仿真研究。仿真结果表明双闭环控制系统由 于加入了电流环，在大负载扰动时可以有效抑制电机母线电流，达到对系统保护 的目的。 其次，对系统进行硬件设计和软件设计。在硬件电路设计部分，利用模块化 设计的思想将其分为以下几个模块：单片机外围电路、电源模块电路、逆变驱动 电路、位置检测电路、电流检测电路。在软件设计时，把其分为以下三部分：电 机启动程序设计，主要完成转子预定位程序设计和加速阶段的程序设计：电机运 行程序设计，主要由反电动势过零点中断、换相中断、去磁结束程序完成；双闭 环调速程序设计，主要完成电机实际转速计算程序设计、转速环程序设计和电流 环程序设计。 最后，搭建实验平台对本文控制系统进行实验验证，并且设计了一种转速测 量方法实时观察电机转速。实验结果表明，本系统能够实现电机的平稳启动，并 且电机运行平稳。 关键词：双闭环；电动车载空调：无刷直流电机；控制系统；m a t l a b s i m u l i n l ( 仿真 a b s t r a c t t 0s a v eo 1r e s o u r c e s 粕dr e d u c ee n v 沛n m e n t a ip o l l u t i o nc a u s e db y 卸t o m o b i l e m e i ，t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e sh a sd r a 、nt h ew o r l d sa t t e n t i o n e l e c t r i c v e h i c l ea i r 。c o n d i t i o n e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fe l e c t r i cv e h i c l e s ，w h i c hh a s i m p o j a n te f j f - e c to nm ed e v e i o p m e n t o fe l e c 仃i cv e h i c l ei n d u s t 叫t h ed r i v ep o w e ro f e l e c 讲cv e h i c l ea i r c o n d i t i o n e ri sd i 仃e r e n tf r o mf u e lv e h i c l ea i r c o n d i t i o n e r a n dt h e c o m p r e s s o ro fe l e c t r i cv e h i c l ea i r - c o n d i t i o n e ri sd r i v e nb yt h em o t o r ，a c h i e v i n gt h e c o o l i n g 如n c t i o n t h e r e f o r e ，t h e m o t o rc o n t r o ls y s t e mf o rt h ee l e c t r i cv e h i c l e a i r - c o n d i t i o n i n gh a sb e e ns t u d i e di nt h ep 印e r f i r s t l y ， d o u b l e c l o s e d l o o p m o t o rc o n t r o l s y s t e m f o re l e c t r i cv e h i c l e a i r - c o n d i t i o n e r si sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fc u r r e n to v e r l o a d a n dt h e m o d e l i n go fm o t o r c o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e db ym a t l a b s i m u l i n k t h e nt h es i n g l e a n dd o u b l ec l o s e d i o o pm o t o rc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e ns i m u l a t e dr e s p e c t i v e i y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt 1 1 ed o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mb ya d d i n gc u r r e n t l o o pc a ni n h i b i tt h em o t o r b u sc u r r e n ti nt h ec a s eo fl a 唱el o a d ，a c h i e v i n gt h ep u r p o s e o fp r o t e c t i n gs y s h ；m t h e n ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d f o rt h ep a no fh a r d w a r e c i r c u i t ，t l ed e s i g ni sc o m p l e t e du s i n gm o d u l a rd e s i g i li d e a s t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i 印i n c l u d e ss c mp e 却h e r a lc i r c u i t ，p o w e rc i r c u “，证v e r t e r - d r i v ec i r c u i t ，p o s i t i o n d e t e c t i o nc i r c u i t 锄dc 1 瑚e 1 1 td e t e c t i o nc i l c u “f o rt h ep a r to fs o 胁a r e ，t h ed e s i g ni s d i v i d e di n t o 廿l r e ep a n s t h a ti sm o t o rs t a r tp r o 铲a mc o m p l e t i n gt h ed c s i g no f p r e p o s i t i o np r o g r a m 锄d a c c e i e r a t ep r o g r a m ，m o t o rm n n i n gp r o g r 锄c o m p l e t e db y b a c k e m 臣z e r 0c r o s s i n gi m e m j p tp r o g r 撇，c o m m u t a t i o ni n t e r r u p tp r o g r a m ，a n dt h e e n do fr e m o v i n gt h em a g n e t i cp r 0 铲a m ，a i l dd o u b l e l o o ps p e e dc o n t r o lp r o g r a m c o m p l e t i n gt h ed e s i g no fm o t o rs p e e dc a i c u l a t i o np r o 舒锄，s p e e dl o o pp r o g r 锄a n d c u r r e n tl o o pp r o g r a m f i n a l i y ，t h ce x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt 0t e s t i 匆t h es y s t e m 锄dt h es c h e m eo fs p e e d m e a s u r ei sd e s i g n e dt oo b s e r v em o t o rs p e e di nr e a lt i m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt l l e s y s t e mc a na c h i e v et h es t a b l es t 狐i n g ，a n dt h em o t o rc a nm ns t a b l y k e y w o r d s ：d o u b l ec l o s e d l o o p ，e l e c t r i cv e h i c l ea i r c o n d i t i o n m g ，b l d c m ，c o n t r o l s y s t e m ，m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n 学位论文的主要创新点 肿洲f | f f i i f f f l f f i j 舢 y 2 0 5 8 9 8 3 一、针对目前电动车载空调系统大负载扰动和过流保护等问题， 设计了一种用于电动车载空调系统的双闭环电机控制系统，并完成硬 件和软件的设计。 二、为了方便系统调试，在调试过程中能够实时地观察电机的转 速波形，提出了一种基于l a b v i e w 的无刷直流电机转速测量方法。 第一章引言 1 1 课题的研究背景及意义 第一章引言 如今，节能、环保已经成为世界发展的主旋律，基于此电动汽车行业的发 展引起了世界各国的重视。自2 0 0 1 年的第十个五年发展规划开始，我国便启动 了电动汽车重大科技专项。在我国汽车产业的“十二五 规划中，电动汽车被 列为中国汽车行业今后发展的重中之重。发展电动汽车行业是对我国国家节能 减排等政策的支持，同时该行业已经被划分为我国七大战略新兴产业之一，我 国政府也将继续给予资金和政策上的重点支持。我国对电动汽车行业采用补贴 政策，推出“十城千辆”计划。北京汽车行业协会在“十二五”规划中提出： 到2 0 1 5 年，北京的纯电动汽车将达到1 0 万辆的规模，并以乘用车为主。由此 可以看出，我国对电动汽车行业的发展越来越重视。 电动汽车行业的发展离不开电动汽车关键零部件技术的支撑。因此，在“十 二五”规划中，汽车零部件的发展以及汽车零部件再制造被列为发展的重点n3 。 其中，车载空调是汽车重要零部件之一，节能高效的车载空调系统对电动汽车 行业的发展也是非常重要的。 电动汽车车载空调系统与普通汽车空调系统相比有下列特点心吲：在普通燃 油汽车中，空调系统由汽车的发动机提供动力；但是在电动汽车中，燃油发动 机已不复存在，空调系统不能再从发动机获取动力，其唯一的动力源是蓄电池。 因此，普通燃油汽车的空调技术不适用于电动车载空调系统，我们需要研究适 合于电动车载空调的控制系统。 目前，我国的电动车载空调主要靠进口。我国对电动车载空调的研究多停 留在实验室开发阶段，没有得到实际运行。 综上可知，研究开发具有自主知识产权的电动车载空调对我国电动汽车行 业的发展具有十分重要的意义。 1 2 课题的国内外发展现状 电动车载空调和传统燃油汽车空调的驱动动力不同，电动车载空调系统采 用电机直接驱动，电机的转动带动空调压缩机转动，实现空调的制冷功能。电 动车载空调制冷系统结构如图1 1 所示，整个控制系统包括电机控制器、电机、 天津工业大学硕士学位论文 直流电源、空调压缩机以及传感器部分。从图中可以看出，压缩机的制冷量即 电动汽车车内温度通过传感器与给定温度进行比较得到电机控制器的输入量； 经过电机控制器调节p w m 控制信号； 从而完成空调压缩机的制冷量的调节。 电机根据p w m 信号进行转速的调节， 电池组提供的直流电需要经过本文所设 计的电源模块以及逆变电路的转换后给电机供电，电机带动压缩机运转，形成 制冷循环，完成空调系统的制冷功能h 1 。本课题主要对图1 1 中直流电源、电机 以及电机控制器部分进行研究与设计，如图1 1 虚线框内所示部分： 图1 1 车载空调制冷系统整体结构 本文将从车载空调及其控制系统等方面对国内外发展现状进行研究。 1 2 1 车载空调的发展过程 在美国，从2 0 世纪3 0 年代开始，应用制冷技术的冷气装置就已经被使用 在公共汽车上。但是，具有冷气装置的汽车空调在2 0 世纪6 0 年代才开始逐步 普及起来。经过多年的研究和努力，如今车载空调的功能越来越全面，其技术 也越来越完善。车载空调技术大致经历了以下几个阶段的发展h 可1 ：1 9 2 7 年人 们开始研究具有单一供暖功能的空调装置，目前，这种空调装置仍在寒冷的北 欧、亚洲北部地区使用；1 9 3 9 年开始研究具有单一供冷气功能的空调装置： 1 9 3 9 年美国帕克汽车公司的轿车安装了制冷空调，其使用的是机械制冷降的方 法。目前，在热带、亚热带部分地区，单一降温的车载空调仍被使用；单一 供暖的空调和单一制冷的空调已经不能够满足人们对舒适性的要求，所以于 1 9 5 4 年人们开始研究冷暖型车载空调，同年具有冷暖型功能的空调被应用在美 国汽车公司( a m c ) 的轿车上，至此，真正具备降温、除湿、通风、过滤、除 霜等功能的汽车空调才诞生。目前，很多的中低档车上仍在使用这种冷暖型一 2 第一章引言 体化空调，它也是目前使用量最大的一种空调；虽然冷暖型空调具有很多的 功能和优点，但是在使用的时候需要驾驶员对温度进行调节。这样以来驾驶员 的工作量会加大，注意力也就会分散，随之而来的是行车安全降低。针对这些 问题，1 9 6 4 年开始，人们的研究焦点转向自控车载空调装置。同年，自控车载 空调系统被应用在通用汽车公司的轿车。自控车载空调有以下的优点：驾驶员 只需预先设定出风口温度，空调就会自动地在设定的温度范围内运行。目前， 大部分中高级轿车和高级大汽车的车载空调都是自控空调；微机控制车载空 调阶段：自1 9 7 7 年美国通用汽车公司、日本五十铃汽车公司同时将自行研制的 微机控制汽车空调系统装在各自生产的轿车上，即预示着汽车空调技术己发展 到一个新阶段。微机控制的车载空调的特点是：具有数字化显示，方便驾驶员 和乘车人员观察车内温度；冷、暖、通风调控三位一体，极大地提高了车内的 舒适性；车内多点温度控制等。通过微机控制，解决了车载空调制冷效果不理 想等问题，从而提高了汽车的整体性能也得到提高。目前，高档轿车上的空调 广泛使用的是微机控制空调。 上世纪9 0 年代以前，我国汽车行业发展落后。当时载货汽车是我国汽车行 业的主要产品，所以一直没有重视车载空调技术的研究。从2 0 世纪6 0 年代开 始，我国车载空调的发展大致可以分为以下三个阶段睁7 1 ：从6 0 年代初到7 0 年代末，汽车车内的取暖主要来源于发动机余热和其排放的废气；8 0 年代至 1 9 9 0 年：在8 0 年代初期，我国的红旗牌小轿车、豪华大汽车和上海牌小轿车、 豪华大汽车上开始使用具有单一制冷功能的车载空调，但是这些空调系统是我 国从日本购进的：8 0 年代中后期，日本、德国的空调生产线和空调技术已经 发展的非常完善，随着我国国民生活水平的提高，人们对汽车车内舒适度的要 求也越来越高。因此，我国第一汽车制造厂以及上海、北京等从日本和德国引 进了先进的空调生产线和空调技术。此后，我国开始自主生产应用在大中型汽 车、轻型车及轿车上的空调系统：从9 0 年代开始到现在：随着我国汽车行业 的不断发展，我国对车载空调系统的发展越来越重视，并且具有一定生产规模 的汽车空调生产企业已经在国内形成。至此，我国车载空调技术与世界先进的 车载空调技术之间的距离越来越小了。但是人们对车内舒适性的要求不断地提 高，国内简单的车载空调控制技术无法满足人们的要求。 1 2 2 车载空调控制技术的发展过程 车载空调的控制系统主要包括驱动电机和控制器两部分。因此，本文将从 这两个方面介绍车载空调控制技术的发展过程。 l 、车载空调驱动电机的发展 天津工业大学硕士学位论文 本文车载空调驱动电机采用无刷直流电机，在其发展的早期，为了提高无 刷直流电机的性能，国外的研究人员主要致力于将更加先进的电力电子器件和 材料应用于无刷直流电机。但在研究过程中一直存在低速运行时转矩脉动过大 的问题。8 0 年代以后，无刷直流电机的特性得到很大的改善。此时人们把研究 目光移向以下三方面：电子换相、稀土永磁材料、智能控制。人们试图通过这 三个方面的研究把无刷直流电机的转矩脉动降到最低随吲。其中，电子换相的主 要研究方向是电流控制和转子位置检测。( 1 ) 在电流控制方面，一般采用稳频两 态技术、电流分时反馈技术等；( 2 ) 在转子位置的检测方面，传统且常用的方法 是采用位置传感器来获取电机转子位置信号。但上述传统方法存在精度不高、 抗干扰能力低、对电机安装尺寸要求高等缺点。针对上述缺点，国外的一些学 者提出无位置传感器转予位置检测法。这种方法分为很多种，其经历了以下的 发展过程：( 1 ) “反电动势法”是目前使用比较广泛的一种方法，由h l e h u y 等人 在1 9 8 0 年提出。该方法是利用转子旋转时定子绕组中的感应电动势进行位置检 测。( 2 ) “续流二极管法”，由s o g a s a w a r 在1 9 9 0 年提出。该方法通过检测反并 接在驱动三极槽上的二极管的导通状态得出转子位置。( 3 ) “基于定子磁链估计 的检测方法”，是在1 9 9 4 年提出的。该方法是通过相电压、线电流信号计算出 定子绕组各相的磁链，再根据磁链得到转子位置信号。这种方法计算稍复杂， 但是其具有误差小、调速范围广的优点，适用于正弦方波无刷直流电动机，这 种方法在国外已经开始应用于实践。随着上述这些方法的提出，人们对转子的 位置的研究也越来越深入。1 9 8 4 年国际上的目光聚焦在一种由美国通用电气公 司提出的无刷直流电机，这种电机以微处理器作为控制芯片，它具有调速范围 宽、噪声比较低、效率比较高等特点。随后，国外开发的大部分产品开始采用 d s p 等微处理器作为控制核心，同时采用的控制算法也是非常先进的n 0 1 。然而， 我国在7 0 年代初期才开始研究并生产无刷直流电机，远远落后于日本、美国等 先进国家。如今，我国的无刷直流电机技术已经经过多年的发展，在新产品开 发方面我国与国际先进水平的差距越来越小。但是我国基础工业落后，所以在 量产、质量、品种及应用等方面，我国与国际先进水平仍然存在着较大的差距。 2 、车载空调电机控制器的发展 车载空调电机控制器的发展主要体现在硬件和软件两方面。 首先，硬件方面主要体现在控制芯片的发展上。从2 0 世纪7 0 年代开始， 电机控制器中广泛使用通用单片机，随着电机控制器的发展，这种技术也被应 用到车载空调驱动电机的控制系统中。单片机是单片机控制系统的硬件核心部 件，其主要任务是实现控制算法，处理一些输入和输出、显示任务等。由于车 载空调电机控制系统使用了单片机控制系统，所以空调性能得到很大的提高。 第一章引言 然而，单片机本身结构是有限的，所以以单片机为核心的控制系统仍然需要外 部扩展存储器、模拟数字( d ) 转换器等外围元器件来实现用户程序的保存和 模拟信号的输入n 。由于系统中元器件的增加，系统的可靠性和可维护性降低 了，印制电路板的尺寸增大了，系统的成本也增加了。随着单片机控制系统发 展，电机控制专用芯片开始出现。在使用电机控制专用芯片1 时，以硬件方式 检测电机的各类传感器信号( 如转子位置信号、光电编码器的输出信号等) 。该 类芯片虽然无法实现用户可编程，但是具有价格便宜、执行速度快等优点。因 此，基于电机专用芯片构成的电机控制系统可以很好地满足一些实时性要求较 高的场合。 软件方面主要体现在控制算法上。目前车载空调电机控制系统的控制算法 大多数采用传统的p i d 控制算法，这种算法具有算法简单、结构简单、鲁棒性 好、对模型的依赖程度小等优点。另外，近年来许多学者都将智能控制方法( 如 专家系统、模糊控制、人工神经网络控制) 引入了电机调速系统，这也是未来一 段时间直流电机高性能调速系统的主要研究方向。 根据自动控制理论，带有负反馈的闭环调速系统能够提高系统的控制精度、 稳定性、抗干扰能力。因此，目前国内车载空调电机控制系统多数采用转速环 负反馈闭环控制系统进行调速。 1 3 电动车载空调电机控制器存在的问题 综合大量文献可知，尽管空调控制技术相当成熟，但由于不适用于电动车 载空调，所以需要对电动车载空调控制系统进行研究。目前，我国电动车载空 调电机控制器主要存在以下的问题： 1 、国内电动车载空调控制器的研发和供应主要依赖于国外，我国在此方面 的研究多处于实验室阶段。例如天津市清源电动汽车有限公司生产的电动汽车， 与其配套的电动车载空调主要依赖进口，相关技术还没有实现国产化。 2 、目前，电动车载空调电机控制系统主要采用单闭环控制方式。在该方式 控制下的电动车载空调工作时可能会出现堵转和过载等大负载扰动、母线电流 过大等问题。 1 4 课题的主要研究内容 本文主要研究用于电动车载空调的双闭环电机控制系统。天津工业大学课 题组与天津市清源电动汽车有限公司联合公关，开发可应用于天津市清源电动 天津工业大学硕士学位论文 汽车有限公司整车产品的电动车载空调电机控制系统。本文选用无刷直流电机 作为空调压缩机的驱动电机，选用s t 7 f m c 2 s 6 t 6 作为主控芯片，采用p i 控制 算法，完成用于电动车载空调的双闭环电机控制系统的设计。主要研究内容以 及章节安排如下： 本课题的研究对象是电动车载空调电机控制系统。本文对控制系统的原理、 功能与要求进行分析研究，对双闭环控制系统进行设计。本文的主要工作和研 究内容分为以下几点：双闭环控制系统的仿真研究、硬件设计、软件设计。 本文分为七章，文章结构安排如下： 第一章：绪论。首先阐述课题的研究背景、目的和意义，对电动车载空调 的研究现状进行分析，并提出本文的研究内容和框架结构； 第二章：总体方案设计。认真研究电动车载空调电机控制系统的结构及工 作原理，提出总体设计方案，并对关键技术进行设计； 第三章：电动车载空调电机控制系统的仿真研究。根据第二章设计的总体 方案。分模块进行数学分析以及建模，构建车载电动空调电机控制系统的仿真 模型，完成单闭环、双闭环电机控制系统的仿真； 第四章：双闭环电动车载空调电机控制系统硬件电路设计。完成硬件电路 的设计，包括控制芯片的选择及其外围电路的设计，电源模块电路的设计，电 机驱动电路的设计，逆变电路的设计，位置检测和电流检测电路的设计等； 第五章：双闭环电动车载空调电机控制系统软件设计。主要完成了电机启 动程序的设计，电机运行程序的设计以及双闭环调速程序设计。启动部分主要 完成电机预定位程序及加速阶段的程序设计：电机运行程序主要由过零点检测 中断程序，换相中断程序以及去磁结束程序实现；双闭环调速程序包括转速环 程序设计和电流环程序设计； 第六章：实验结果与分析。首先对实验系统进行分析与介绍，完成电机转 速测量方法以及数据保存的设计，最后对系统进行了调试和实验验证，并根据 实验结果进行分析； 第七章：总结与展望。对本文的工作进行总结，对未来研究工作进行展望。 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 本文主要研究电动车载空调电机控制系统，采用双闭环控制方式完成无刷 直流电机控制系统的设计。本章首先完成系统的总体方案设计，并对其中的关 键技术进行研究，包括：逆变电路的设计，转子的位置检测方法的设计，无刷 直流电机的调速方法的设计。 2 1 系统总体设计 目前，电动车载空调常用的电机控制系统是单闭环控制方式。该控制方式 通常采用转速负反馈，控制方法选用p i 调节。这种控制结构能够保证系统的稳 定启动，在电机平稳运行时能够实现稳态无静差调速。但是，单闭环控制系统 存在以下不足：当有较大扰动或者负载时，电机转速容易出现较大波动甚至堵 转或反转：在电机出现上述情况时电机的母线电流会突然增大，这样以来会影 响电机的正常运转。综上可知，单闭环电动车载空调电机控制系统存在着抗干 扰能力较低、过载能力较低等问题。 为提高系统的抗干扰能力和过载能力，本文在单闭环控制系统中加上电流 控制环节。电流环作为内环，速度环作为外环，通过两个p i 调节器完成调速。 电机启动时系统的电流环很快进入饱和区，随着电机转速的迅速上升，电流环 逐渐退出饱和，系统呈现出速度环调节特性n 2 1 。电机平稳运行时，外环速度环 起着主要的调节作用，电机转速随电枢电压平均值的变化而变化，内环电流环 随转速环调节电机电枢电流，平衡负载电流。本文设计的双闭环电动车载空调 电机控系统总体结构图如图2 1 所示。 图2 - l 双闭环电动车载空调电机控制系统整体结构 天津工业大学硕士学位论文 如图2 1 所示，双闭环控制系统包含两个控制环节，内部是电流控制，外 部是转速控制。如图2 1 所示，电机双闭环控制系统调速过程为：电机转子( 电 机本体由转子和定子组成) 位置信号由位置检测部分检测得到；该信号被送入电 机控制器，通过软件完成电机实际转速计算：电机实际转速作为外环转速环的 一个输入与电机设定转速进行比较，比较值经过转速环p i 调节器调节得到电流 参考量；电流参考量与检测到的电流进行比较，比较值通过电流环的p i 调节器 调节得到p w m 占空比，从而完成电机速度的控制。 由图2 1 可知，完成双闭环电动车载空调电机控制系统的设计，需要完成 以下关键技术的研究：开关逆变电路的设计、转子位置信号的获取方法设计( 即 位置检测方法设计) 、电机调速方法的设计等。 2 2 系统关键技术的选择与设计 2 2 1 开关逆变电路的设计 常用的无刷直流电机的三相星形绕组结构的开关逆变电路一般分为半桥逆 变电路和全桥逆变电路两种： l 、半桥逆变电路 图2 2 为三相无刷直流电机半桥逆变电路，电路的每一个桥臂是由一个功 率开关器件组成。如图2 2 所示，每个功率开关器件都是由一个m o s f e t 管和 一个二极管反并联组成的，三个功率开关器件分别与无刷直流电机的三相绕组 a 、b 、c 相连接。半桥逆变电路口h 钔实现一相导通三相三状态工作过程，该电 路结构简单、体积小、功耗低、易于控制，适用于一些可靠性、功耗、体积严 格要求的领域。 v c c 图2 2 半桥逆变电路 8 第二章系统总体方案设计 2 、全桥逆变电路 图2 3 为三相无刷直流电机全桥逆变电路，电路的每个桥臂分为上桥臂和 下桥臂，总共由6 个功率开关器件组成。该电路的每个功率开关器件也是由一 个m o s f e t 管和一个二极管反并联组成。如图2 3 所示，其中三个功率开关器 件组成桥式功率开关电路的上桥臂，另外三个组成桥式逆变电路的下桥臂。三 相无刷直流电机连接在桥臂连接点之间，电机三相a 、b 、c 的连接方式如图 2 3 所示。全桥逆变电路n 4 1 同时有两相导通，可实现三相三状态或三相六状态 工作过程，该电路绕组利用率比较高、效率高、电流脉动和转矩脉动比较小， 电路输出功率高，适用于大功率的逆变电路。 、，c c 图2 3 全桥逆变电路 本文对电流脉动、转矩脉动和效率的要求比较高，对功耗和成本要求不是 特别严格，所以本文选用全桥功率开关电路，选用三相六状态导通方式。因此， 本文无刷直流电机系统结构图如图2 4 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图2 4 无刷直流电机结构 如图2 4 所示，转子位置检测部分的转子位置信号经过处理得到换相逻辑 信号，逆变电路根据所得的逻辑信号控制功率开关管的导通与关断，保证电机 各相按顺序导通。无刷直流电机转子是永磁体，其主要作用是在电机气隙中产 生磁场；电机定子电枢绕组通电后就会产生反应磁场。其控制原理是：定子绕 组产生的磁场和转动中的转子永磁体产生的永磁磁场在空间上始终保持在9 0 。 左右的电角度，从而产生最大转矩驱动永磁转子不停地旋转，从而驱动电机连 续旋转。 2 2 2 转子位置信号获取的方法设计 转子位置信号的获取即转子位置检测由图2 4 中的位置检测部分完成，其 检测方法主要有：位置传感器检测法和无位置传感器检测法。 1 、位置传感器检测法 位置传感器检测方法是将位置传感器安装在定子线圈的相应位置上，当电 机绕组通电时通过位置传感器获取转子的位置信号。电磁式位置传感器、光电 式位置传感器、磁敏式位置传感器是是目前无刷直流电机中普遍使用的位置传 感器。但是位置传感器的存在会造成很多弊端，例如电机系统的体积会增大、 不容易安装、且要求安装精度很高等。 2 、无位置传感器检测法 无位置传感器位置检测方法是用位置信号检测线路代替机械的位置传感 器，克服了位置传感器检测法带来的弊端。因此，本文选用的转子位置信号的 获取方法是无位置传感器位置检测法，结合软件和硬件两方面来获得电机换相 信号。 第二章系统总体方案设计 无位置传感器检测方法有很多种，例如，文献 1 5 】采用扩展的卡尔曼辨识 算法对转速和转子位置进行实时估计；文献【1 6 】提出了一种通过对电子定子绕 组每相中注入电流脉冲序列的方法来检测电机转子位置的方法；文献【1 7 1 8 】采 用换流观测与自适应速度估计相结合的方法来估计转速与转子的位置；文献【1 9 】 通过建立新的电机磁通函数导出了独立的速度函数，从而有效扩展了无位置传 感器无刷直流电机的调速范围。但是与上述方法相比，目前比较成熟，应用比 较多的是基于反电动势检测的方法，这种方法原理简单，比较容易实现。因此， 本文选用基于反电动势的无位置传感器检测法，简称反电动势法。 反电动势法的原理如下啪1 ：电机由静止状态启动后，转子磁钢所产生的磁 通会切割定子绕组进而产生大小正比于电机的转速及其气隙中的磁感应强度b 的反电动势e ，反电动势波形的正负方向会随着转子磁钢极性的改变而改变。 因此，要想确定电机转子的位置只需检测出反电动势波形的过零点即可。图2 5 是电机采用三相六状态导通方式时在运行过程中三相绕组的反电动势波形和电 流波形图。 _ u) p 6 s t e p l s t e p 2姊印3s t e p 4蛐e p 5g t e l1 6 叩 e n 2 、m n哆 厂 i 、 m n ：n ，m 步一 ：i r n 1 ： ： ： ： ；l 0 i ： 一 ： 0 ；i 一 r。l i 图2 5 三相绕组的反电动势和电流波形图 由图2 5 可知，在检测到未导通相反电动势过零点( 图中m 点处) 后，再延 时3 0 。电角度，即为换相点( 图中n 点处) 。因此，当检测到电机的反电动势过 零点时，就可以知道电机转子的位置，从而可以进行正确的换相，维持电机持 续运转。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 3 电机调速方法的选择 根据电机理论，可得无刷直流电机的转速为2 1 1 一乇艮一2 【， 刀= 0 = _ 一 e 公式( 2 1 ) u n ：两相导通绕组的端电压；j n ：定子电枢电流；k ：定子电枢回路 总电阻；u ：功率管电压降；c 。：无刷直流电机内部电势常数；矽：磁通量。 由上式可以看出，无刷直流电机调速控制的实现分为以下两种情况口引：改变 调速，根据式2 1 可知，艮为常数，如果保持不变，d 也不变，通过调节 磁通量矽就可以调节无刷直流电机的转速。改变u n 调速，由式2 1 可知，导 通绕组的端电压u n 改变，内部磁通量矽不变，则电机的速度改变。所以，通过 调节电机电枢电压可以调节电机转速。 本文选用的无刷直流电机的磁通量是不变的，所以本文采用改变u n 调速 的方法。在使用改变u n 调速方法时，电机功率随转速变化而线性变化。这种调 速方法稳态性能较高，调速范围广，可以实现无级调速，而且在调速过程中电 机能量损耗小，被广泛的应用在对电机调速品质要求较高的背景下。本文采用 的改变u 。的方法是对电枢电压进行脉宽调制( p w m ) ，通过调节p w m 的占空比 改变电枢电压的平均值实现电机运行功率的调节，从而实现对电机转速的调节。 2 3 本章小结 本章主要完成电动车载空调电机控制系统的整体方案设计。在本章开头部 分给出本文设计的双闭环控制系统的总体结构，分析所必须需要完成的关键技 术设计：开关逆变电路的设计、转子位置信号的获取方法的设计、电机调速方 法的设计。另外，本章简单介绍了无位置传感器无刷直流电机调速系统的组成、 工作原理，通过研究设计电机系统的开关逆变电路为全桥驱动电路，设计反电 动势端电压检测法来获取转子的位置信号，设计改变电枢电压( p w m 控制) 进 行电机调速的方法。 第三章电动车载空调电机控制系统的仿真研究 第三章电动车载空调电机控制系统的仿真研究 本章在分析无刷直流电机数学模型的基础上，运用m a 耵，a b s i m u l i n k 中的 丰富的模块准确地建立无刷直流电机控制系统仿真模型。在此基础上完成单闭 环电机控制系统和双闭环电机控制系统的仿真，较好地模拟电动车载空调电机 控制系统的调速过程。通过仿真验证本文控制算法和控制策略设计的合理性以 及优越性。 本文采用模块化建模方法砼引，将无刷直流电机系统分为3 个子模块：电机 本体模块、开关逆变器模块及换相逻辑模块、p w m 控制模块。 3 1 电机数学模型 图3 1 系统仿真模型结构图 本文无刷直流电机的数学模型为两相导通星型连接三相六状态。为简化电 机的数学模型，做如下假设雎制：三相绕组完全对称，在空间上互差1 2 0 度电角 度；三相绕组具有完全相同电阻阻值、电感值；转子永磁体产生的气隙磁场为 方波，三相绕组反电动势波形为梯形波：忽略定子绕组电枢反应的影响；电机 气隙磁导均匀，磁路不饱和，不计涡流损耗。于是可以得到三相绕组的电压平 衡方程2 副： 天津工业大学硕士学位论文 刚喜 公式( 3 1 ) 其中，乩、分别为三相绕组端电压和中点电压( v ) ，r 、三、 m 分别为三相绕组的电阻( q ) 、电感( h ) 和互感( h ) ，b 、岛、臣为三相绕组 反电动势( ，l 、厶、七为三相绕组电流( a ) ，p 为微分算子。由于本文采用 的是y 型连接，没有中线，则l 、厶、厶三相绕组电流的关系为 所以， i a + i b + i c = q 凇a + 凇8 + m i c = 0 将公式( 3 3 ) 代入公式( 3 - 1 ) ，得到 刚嘲种j m 公式( 3 - 2 ) 公式( 3 3 ) 上 _ 三呈肘 尸 冬 + 茎 + 爱 根据公式( 3 4 ) 可以得到电机的等效电路图，如图3 2 所示 图3 2 无刷直流电机等效电路图 在电机运行过程中，电磁转矩表达式为 公式( 3 - 4 ) u u u _。l + 1j 西易髟 p。l + 1j l 厶如 p 1j m m 上 m 三m 三m m 。，。l + 1j l k 七 p。l1j o o 尺 0 r 0 第三章电动车载空调电机控制系统的仿真研究 t e ：o e a i a + e b i b + e c i c ) 国 在忽略转动时粘滞系数的情况下，运动方程为 z = 瓦“鲁 公式( 3 5 ) 公式( 3 - 6 ) 其中，疋和巧分别为电磁转矩和负载转矩，单位是棚；国为转子的角 速度，单位是r a d s 。定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用产生电 磁转矩。由公式( 3 6 ) 看出，无刷直流电机的电磁转矩大小正比于电枢电流的幅 值。因此，在调速过程中只要控制电枢电流就可以控制电磁转矩，从而快速接 近目标转速。在转子位置相同的情况下，只要改变功率开关器件的逻辑状态， 使得电枢绕组电流相反，就可以产生反方向的电磁转矩。 电机的机械运动方程为 专= 专( 瓦母俐 公式( 3 7 ) 其中，争为转子角加速度，为转子转动惯量( 姆m ：) ，厂为阻尼系数 d 一 ( 坍j ) 。 理想状态下电磁转矩恒定不变，这是因为任何时刻总有两相绕组导通，并 且电流和反电动势大小都相等，恒定电磁转矩可表示为 乙= 2 儿d 聊j = 砗 公式( 3 8 ) 其中，p 为电机极对数，三为轴向导体有效长度，d 为定子电枢内径，形 为电枢绕组的每相串联匝数，b 为气隙磁密分布，为电枢电流，峰为转矩常 数。 每相绕组反应的反电动势表达式为 e ：票矿加：k 刀 1 5 口 。公式( 3 9 ) 其中，口为极弧系数，为每极磁通( w b ) ，疗为电机转速( r m i n ) ，整为反 电动势系数。反电动势大小与气隙磁感应强度及转速有关，波形与磁感应强度b 天津工业大学硕士学位论文 一致，为梯形波，梯形波的幅值与电机的转速成正比，且波顶宽度为1 2 0 度电 角度。 3 2 逻辑换相模块 3 2 1 逆变器换相逻辑分析 逆变器功率管的导通顺序是由换相逻辑信号决定的，而换相逻辑信号是由 无刷直流电机内部的转子位置信号决定的，由第二章已知转子的位置信号通过 反电动过零点检测得到。当转子的反电动势信号已知时，可以得到逆变器的6 个功率管的导通状态。为了简化仿真研究，在建立逻辑换相模块的时候，本文 选用电机模块输出的霍尔信号作为该模块的输入量。电机模型输出的霍尔信号 可以通过m a t l a b s i m u l i n l ( 模块库中的“b u ss e l e c t o r ”即分路器分离得到。本文 利用霍尔信号来完成电机的换相控制，霍尔信号h a 、h b 、h c 在每3 6 0 度的电 角度内给出6 个代码，这6 个代码顺序是1 0 l 、l o o 、l1 0 、0 1 0 、0 1l 、0 0 l 。换 相逻辑模块需要根据霍尔信号h a 、h b 、h c ，并对其进行逻辑处理给出逆变电 路中6 个功率开关管的驱动控制信号。 无刷直流电机的定子绕组产生的磁场和转动中的转子永磁体产生的永磁磁 场在空间上始终保持在9 0 。左右的电角度，从而产生最大转矩而驱动电机连续 旋转。以一对极三相绕组无刷直流电机为例，如图3 3 所示，a 、b 、c 分别与 x 、y 、z 为同一线圈，即整距绕组。本文电机的导通方式为三相六状态导通， 即每个瞬间只有两个功率管导通，每隔6 0 。电角度换相一次，每次换相一个功 率管，每一功率管导通1 2 0 。电角度。同一相绕组的上桥臂功率管和下桥臂功 率管不能同时导通。规定电流的正方向为从a 、b 、c 端流入( 用1 表示) ，电流 分别从x 、y 、z 端流出。凡、风、民为a 、b 、c 三相绕组产生的正向磁动势。 假设电机顺时针旋转，当电机转子d 轴处在如图3 3 ( a ) 所示位置时( 设定此时转 子位置为o 。) ，电流从a 相流入b 相流出，c 相为不导通相，与图2 5 中的s t e p l 相对应。在合成磁动势如的作用下( 磁动势为负表示与规定正方向相反) ，转子 顺时针旋转，转子转过6 0 。电角度时，换成电流从a 相流入c 相流出，在合 成磁动势r c 的作用下，转子顺时针旋转6 0 。电角度，如图3 3 ( c ) 所示。继续 换相，依此类推，转子每转过6 0 。电角度，就需换相一次。图3 3 中的6 步对 应的霍尔信号的6 个代码顺序是l o l 、1 0 0 、1 1 0 、0 1 0 、0 1 1 、0 0 1 。根据图2 4 可得功率管导通顺序为：t l t 4 ，t 1 t 6 ，t 3 t 6 ，t 3 t 2 ，t 5 t 2 ，t 5 t 4 ，t l t 4 ， ( 电机顺时针旋转) 或t 1 t 6 ，t l t 4 ，t 5 t 4 ，t 5 t 2 ，t 3 t 2 ，t 3 t 6 ，t l t 6 ，( 电 机逆时针旋转) 。 1 6 第三章电动车载空调电机控制系统的仿真研究 图3 - 3 一对极三相绕组无刷直流电机的控制过程 综上可知，只要得到电机的霍尔信号就可以经过逻辑变换转换为电机功率 管的逻辑控制信号。由于在闭环控制中需要加入p w m 信号，并且上功率管调 制，下功率管恒通。因此，为了方便加入p w m 信号，需要增加一个中间变量。 这样以来既可以控制功率管的导通，又可以实现p w m 调制。 本文选择电机的三相相电流作为中间变量。当转子位置已知时即可得到相 电流的导通方向，相电流的逻辑值为1 的时候说明其对应的功率管是下管导通， 当相电流的逻辑值为l 时说明其对应的上管导通。按照相电流的值，经过逻辑 处理就可以实现p w m 加在上功率管上。通过分析可知，转子位置信号、霍尔 信号h a 、h b 、h c 、电机三相相电流之i a 、i b 、i c 间的逻辑关系如表3 1 所示。 表3 1 转子位置、霍尔信号、中间变量之间的关系 转子位置h a 、h b 、h ci ar bi c导通绕组 0 。6 0 。 1 0 1lloa b 6 0 4 1 2 0 9 l o ol01a c 1 2 0 。1 8 0 。 1 1 0o11 b c 1 8 0 。2 4 0 。 0 1 01lob a 2 4 0 。3 0 0 。 0 1 11olc a 3 0 0 。3 6 0 。 0 0 lo1lc b