一種用于提高電動(dòng)車(chē)載空調(diào)制冷效果的控制方法

秦國(guó)棟 幸 濤 劉 淳

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院 浙江嘉興 314036；2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍代室 河南鄭州 451150；3.嘉欣西電產(chǎn)業(yè)園有限公司 浙江嘉興 314036）

一、引言

傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)是采用發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源泉，驅(qū)動(dòng)車(chē)載空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)載空調(diào)的制冷功能。近年來(lái)，隨著新能源的開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)的呼聲四起，對(duì)環(huán)境零排放的電動(dòng)車(chē)越來(lái)越受到消費(fèi)者和生產(chǎn)商的青睞。與傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)車(chē)還具有能源利用率較高，省去發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、郵箱、冷卻和排氣系統(tǒng)，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)載空調(diào)進(jìn)行制冷運(yùn)行的設(shè)備是安裝在電動(dòng)車(chē)內(nèi)的永磁同步電機(jī)。所以，永磁同步電機(jī)的輸出力矩密度和電流的大小，將直接影響到電動(dòng)車(chē)的行駛安全性和穩(wěn)定性，以及影響到車(chē)載空調(diào)的制冷效果。

文獻(xiàn)[1-3]采用了單閉環(huán)電機(jī)控制的方法，但該方法具有對(duì)擾動(dòng)的抑制能力差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，不僅不利于電動(dòng)車(chē)的安全穩(wěn)定行駛，也不利于車(chē)載空調(diào)的平穩(wěn)運(yùn)行。文獻(xiàn)[4-6]電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制方法，開(kāi)環(huán)控制方法使得電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程緩慢、啟動(dòng)電流較大，不利于電動(dòng)車(chē)在不同道路環(huán)境下的迅速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)作為一種新型的電機(jī)，其具有力矩密度大、運(yùn)行效率高和低速大力矩等優(yōu)點(diǎn)，非常有利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)安全穩(wěn)定行駛和車(chē)載空調(diào)制冷。然而，V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，完全是靠較為合適的電機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)的。

本文提出一種基于V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制方法，該方法不僅提高了電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程的安全穩(wěn)定性能，也有效地改善了車(chē)載空調(diào)的制冷效果。所謂雙閉環(huán)控制方法，也就是通過(guò)實(shí)時(shí)采集V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的電流數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，及時(shí)地提高電機(jī)的負(fù)載能力，從而迅速地改變電動(dòng)車(chē)在不同路況環(huán)境下的行駛速度，以及有效保障電動(dòng)車(chē)載空調(diào)的平穩(wěn)運(yùn)行。

二、V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

如下圖1所示，是V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的1/4結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，該永磁同步電機(jī)由主要由定子鐵芯、動(dòng)子鐵芯、繞組和永磁體組成。定子鐵芯有48個(gè)齒槽，永磁體的極對(duì)數(shù)是8，并且永磁體呈現(xiàn)V型分布，其優(yōu)點(diǎn)是有利于磁場(chǎng)的合理分布。繞組的分布采用分布式纏繞方法，這樣有利于V型永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的控制，并降低繞組的銅耗，從而從一定程度上提高V型永磁同步電機(jī)的運(yùn)行效率。

圖1 V型內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成

本文基于矢量控制和派克逆變換（Inverse Park transformation）原理，并在忽略電機(jī)鐵耗、銅耗、溫度變化等因素的情況下，建立V型永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

首先，派克逆變換的基本公式可以描述為

由公式（7）可得，V型永磁同步電機(jī)的輸出力矩與繞組電流有著密切的關(guān)系。因此，本文采用雙閉環(huán)控制技術(shù)，通過(guò)控制V型永磁同步電機(jī)在dq0坐標(biāo)下的d軸和q軸電流，達(dá)到控制其輸出力矩的目的，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中的安全穩(wěn)定性，并保障車(chē)載空調(diào)處于高效地制冷運(yùn)行狀態(tài)。

三、仿真和分析

如下圖2，是V型永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。圖3是借助Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立的V型永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。其中，V型永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為雙閉環(huán)的外環(huán)，電流作為雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)。該雙閉環(huán)控制主要包括V型永磁同步電機(jī)，派克變換、電流分配、PI調(diào)節(jié)器、空間電壓是兩脈寬調(diào)制（SVPWM）、逆變器等等。

圖2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

具體仿真過(guò)程是：首先在Matlab/Simulink中構(gòu)建V型永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的速度控制模型，如上圖3所示，通過(guò)編碼器給定速度信號(hào)和電角度信號(hào)，給定速度和速度反饋的差值經(jīng)過(guò)控制器產(chǎn)生給定交軸電流；給定交軸電流和兩相電流采樣分解所獲得的實(shí)際交軸電流差值通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制器輸出交軸給定電壓；同時(shí)直軸電流和實(shí)際直軸電流做差通過(guò)磁鏈控制器產(chǎn)生直軸給定電壓。生成的直軸電壓和交軸電壓通過(guò)坐標(biāo)變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，再通過(guò)空間矢量調(diào)制產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入至三相逆變器，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。該閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流控制器和轉(zhuǎn)速控制器均采用普通PI控制器，所需硬件較少，控制過(guò)程中的電流環(huán)跟蹤和向逆變器發(fā)送的信號(hào)都是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

如下圖4所示，是在不同運(yùn)行速度下，V型永磁同步電機(jī)仿真輸出的電流波形和力矩波形。其中，負(fù)載設(shè)定為初始0.2N.m，在t=0.05s時(shí)階躍到0.3N.m，速度輸入為1000rpm，行程設(shè)為無(wú)限大。仿真步長(zhǎng)為0.1s，離散型仿真，解法為變步長(zhǎng)ode45。電機(jī)在0時(shí)刻帶0.2N.m的負(fù)載啟動(dòng)，速度很快被控制到目標(biāo)速度1000rpm，在負(fù)載突變后，速度突然被拉低，電流環(huán)調(diào)節(jié)電流大小，力矩隨之增大。電流變化如圖（4-a）所示，力矩變化如圖（4-b）所示，經(jīng)過(guò)調(diào)整以后，速度又很快地恢復(fù)到目標(biāo)速度，速度波形圖如圖（4-c）所示。該仿真結(jié)果表明：V型永磁同步電機(jī)電機(jī)雙閉環(huán)控制之后，在負(fù)載突變情況下，速度被拉到目標(biāo)速度以下，內(nèi)環(huán)電流PI控制器可以瞬間響應(yīng)，調(diào)節(jié)電流大小，增大電機(jī)力矩，外環(huán)速度PI控制器可以將速度穩(wěn)定在目標(biāo)值1000rpm。

圖4 V型永磁同步電機(jī)輸出電流和力矩與速度的關(guān)系

如上所述，在電動(dòng)車(chē)爬坡、高速運(yùn)行狀態(tài)下，V型永磁同步電機(jī)能夠瞬間增大輸出力矩，不僅可以保障電動(dòng)車(chē)安全穩(wěn)定行駛，而且也為電動(dòng)車(chē)在空調(diào)的有效制冷效果提供了強(qiáng)有力的動(dòng)力保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

采用速度和電流控制的V型永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)仿真和分析結(jié)果表明，雙閉環(huán)控制方法可以提高V型永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)力矩、電流與速度的瞬間響應(yīng)，為電動(dòng)車(chē)的車(chē)載空調(diào)提供穩(wěn)定的動(dòng)力保障。并且，通過(guò)內(nèi)環(huán)電流PI控制器和外環(huán)速度PI控制器的組合作用，可以將V型永磁同步電機(jī)的運(yùn)行速度穩(wěn)定在目標(biāo)值。