基于dsPIC33EP256MC504的電動汽車空調壓縮機控制器設計研究

李仁慶，沈長海，宋立彬，劉福寬

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基于dsPIC33EP256MC504的電動汽車空調壓縮機控制器設計研究

李仁慶，沈長海，宋立彬，劉福寬

（眾泰汽車工程研究院 智能網聯部，浙江 杭州 310018）

針對電動汽車空調制冷系統壓縮機的控制需求，設計了以dsPIC33EP256MC504為核心的永磁無刷直流電機控制器，給出了其硬件設計框圖，重點介紹了控制器低壓電源穩壓模塊、電機驅動模塊和運放模塊等在壓縮機控制應用中的電路設計內容；在電機控制策略方面，結合壓縮機控制系統目標，采用矢量控制算法實現壓縮機轉速的控制；在程序設計方面，采用模塊化的編程方式調試了壓縮機控制的主程序及各個模塊的子程序，并增加了CAN通信模塊以實現與整車CAN網絡的數據交互；最后在空調系統臺架上對控制器和壓縮機進行臺架試驗，檢測在實際工況下控制器和壓縮機的運轉情況及空調系統的制冷情況。實驗結果表明，壓縮機總成正常運轉，空調系統臺架能夠實現制冷功能，驗證了設計方案的可行性。

dsPIC33EP256MC504；壓縮機；控制器；CAN通信

前言

近年來，隨著電動汽車產業的興起和國民生活質量的日益提高，人們對電動汽車的舒適性、可靠性、和節能環保等性能提出了更高的要求，而電動汽車空調系統性能的優劣是影響乘車舒適性的重要因素之一。電動空調系統是新能源汽車上是除三電系統外的一個重要電子控制系統，在當前我國強調提高新能源汽車零部件自主知識產權能力的背景下，加強對其關鍵技術的基礎研究工作，對加快電動汽車技術進步、促進電動汽車產業發展具有現實和長遠的意義[1-2]。

電動壓縮機是電動空調制冷系統的核心零部件。隨著電動汽車的產業化，該產品的需求量會不斷上升，經濟利潤空間大，擁有廣闊的市場前景。同電動汽車驅動系統一樣，電動空調壓縮機也使用電動機進行驅動；為其研究開發一款性能良好、運行平穩、工作高效和安全可靠的驅動器控制系統非常重要。電動空調壓縮機驅動系統所采用的控制算法的優劣以及設計編寫對應的控制程序的水平是壓縮機正常工作的關鍵[3-4]。

本文以電動空調壓縮機控制器為研究對象，設計了基于dsPIC33EP256MC504為主控芯片的控制器硬件和軟件部分，通過系統臺架實驗，驗證了壓縮機控制方案的可行性，對電動汽車空調電動壓縮機控制器的研發具有一定的參考價值。

1 電動壓縮機總成系統介紹

新能源汽車電動壓縮機總成包括壓縮機、驅動電機和驅動控制器三部分，本文開發設計的電動壓縮機控制器采用的是一體式渦旋電動壓縮機，具有結構緊湊、體積小、質量輕和運轉噪音小等特點。電動壓縮機控制器通過整車CAN網絡接收汽車空調控制器發送的開啟、關閉和調速信號來實現對壓縮機啟停和轉速控制。電動壓縮機總成系統如下圖1所示。

圖1 電動壓縮機總成系統框圖

2 電動壓縮機控制器硬件設計

電動壓縮機控制器硬件系統主要由最小系統電路、低壓電源穩定電路、IPM驅動電路、高壓直流母線電路、差動運放電路、過流保護電路和CAN通訊接口電路等六部分組成。電動壓縮機控制器硬件系統電路如圖2所示。

圖2 電動壓縮機控制器硬件構架

2.1 主控芯片的選擇

MCU是電動壓縮機控制器的核心元件，它是軟件、硬件和實現控制算法的基礎和載體。在電動壓縮機控制器設計時采用的是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70MIPS，兩個40位寬累加器，支持單周期混合符號乘法和除法，同時支持32位乘法,能夠滿足永磁同步電機控制算法對芯片運算速度的苛刻要求；另外該芯片內部具有電機專用的高速PWM控制器，通過編程可以產生具有相同頻率和工作方式，且相互獨立的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選項允許使用廉價的電流檢測電阻來測量電機繞組電流，使用PWM模塊觸發A/D轉換，電流檢測電路可在指定時間內對輸入進行檢測[5]。

2.2 低壓電源穩壓電路

電動壓縮機控制器是高低壓共板的，電源穩壓部分電路的設計關系著壓縮機總成運轉的穩定性和可靠性。本系統電源穩壓電路由3部分電路組成：12V轉15V電路、15V轉3.3V電路和12轉5V電路組成。12V轉15V電路是用于產生電機驅動模塊的工作電壓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，周期性開啟和關斷功率MOS管IRFL024Z，使變壓器初級電壓12V周期性變化，次級電壓輸出15V。由三端穩壓器TL431和光耦TLP185組成15V反饋網絡，輸入到NCV3843BV內部，對變壓器次級電壓進行微調，使輸出電壓穩定在15V。隔離型變壓器將輸入和輸出物理隔離，防止高低壓網絡互相影響。在圖3局部電路圖1/2--5VCAN中，采用線性穩壓電源芯片MIC2951-03YM，將蓄電池12V低壓轉成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，使用開關電源MCP16301，將變壓器次級輸出的15V轉為3.3V，為MCU、CAN通訊電路和運放電路等提供電源。

圖3 低壓電源穩壓電路

2.3 電機驅動電路

本系統選用仙童公司的一款汽車級3相智能功率模塊FAM65V05DF1來驅動永磁無刷直流電機，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動芯片集成在一起，而且內部還集成有過/欠壓，過流和過熱等故障檢測電路[6]。HIN1~3/LIN1~3直接連接MCU的I/O口，是6路PWM互補信號輸入端，控制IPM內部上下橋臂交替開通和關斷，用于驅動電機；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工作溫度是否達到過溫保護關斷值。VFO端口是故障信號輸出端，當IPM工作出錯時，主動輸出低電平故障信號，MCU檢測到信號時，禁止PWM信號輸出；CSC端口是電流短路保護端，電機相電流經過下橋臂采樣電阻時直接輸出電壓值，經過RC濾波電路，連接CSC端口，當電壓達到0.5V時，CSC端口觸發IPM硬件保護功能，同時VFO端口輸出低電平故障信號，其電路原理如圖4所示。

2.4 差分運放及過流保護電路

在電機矢量控制的過程中，需要采集電機的相電流，然后反饋到控制電路中，形成對永磁無刷直流電機的閉環控制。在電機IPM驅動電路中，采用下橋臂電阻采樣法得到各相電流后，輸入到集成運算放大器MCP6024，MCP6024內部集成了4路運放控制電路。

圖5 差分運放電路

在相電流差分運放電路設計中，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輸入，經過運放電路放大，得到相電流模擬信號值Current_V和Current_W，然后輸出給MCU，用于計算電機轉子位置，精準控制轉速。在圖6比較器過流保護電路中，最后1路對IPM過流信號進行過濾、放大后，接著輸入到比較器MCP6561，與設定的過流保護閾值進行比較，輸出電平信號IC給MCU，用于判斷電機是否過流。

圖6 比較器過流保護電路

2.5 CAN通信接口電路

電動壓縮機工作時通過整車CAN總線網絡接收外部CAN節點發來的鑰匙檔位信號、壓縮機啟動/停止信號和轉速信號；同時對壓縮機系統控制軟件運行狀態和硬件工作狀態進行實時的檢測，如果發現系統出現故障，一方面關閉壓縮機系統的功率驅動模塊，使壓縮機停止工作，另一方面將系統的故障代碼發送到整車CAN網絡上。本系統CAN通信接口電路采用美國德州儀器公司生產的一款隔離型高速CAN總線收發器ISO1050，它一端與內部自帶CAN控制器的主控芯片連接，另一端整車CAN總線連接。ISO1050能夠隔離壓縮機控制器與整車CAN總線信號的相互干擾，確保數據交互穩定可靠[7]。系統CAN通信接口電路如下圖所示。

圖7 CAN通信接口電路

3 電動壓縮機控制器軟件設計

電動壓縮機控制系統程序設計遵循前/后臺的結構模式，由系統主程序和中斷程序兩部分組成，壓縮機控制器上電后系統主程序調用各個子模塊進行初始化，然后進入壓縮機狀態機，接收中斷系統的反饋信息，執行壓縮機不同狀態之間的轉換；中斷控制程序執行壓縮機控制算法，更新PWM模塊占空比，跟蹤目標轉速，并監測壓縮機狀態信息的變化，最后反饋給壓縮機狀態機。

圖8 電動壓縮機控制器軟件結構框圖

3.1 系統主程序設計流程圖

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行這段時間的程序運行情況，總體設計思路是：子程序模塊化設計，通過子函數的調用和中斷函數的方式實現具體功能，盡量減少主程序復雜度，提高運行效率。系統上電后，主程序對dsPIC33 EP256MC-504單片機各模塊進行初始化，主要包括GPI/O模塊、PWM模塊、ADC模塊、定時器模塊、IC模塊等，然后進入狀態機，執行狀態邏輯變換。其流程見圖9。

3.2 壓縮機狀態機邏輯設計

電動壓縮機在實現汽車空調系統制冷功能的工作過程中，其運行狀態的變化可用一個狀態機來描述，該狀態機包含6種狀態，分別為：上電待機狀態、起動狀態、正常運行狀態、弱磁控制狀態、制動減速停機狀態以及故障狀態。

圖10 壓縮機狀態機簡圖

3.3 電機驅動程序流程圖

電機驅動程序通過實時采集電機的相電流大小、使用滑動模式控制器（SMC）估算電機的位置和速度，應用PID閉環控制方法，再使用空間矢量調制技術更新PWM模塊占空比，實現壓縮機目標轉速的跟蹤[8]。電機驅動程序是在AD中斷服務程序中執行的，由PWM模塊觸發AD中斷，PWM頻率設為10KHz，即在一個PWM周期內要完成電機驅動程序的執行，其流程圖11如下所示。

圖11 電機驅動程序流程圖

4 臺架試驗及結果分析

本研究在驗證控制器基本功能后，在空調系統制冷臺架上對控制器和壓縮機總成進行臺架試驗，檢測在實際工況下控制器和壓縮機的運轉情況及空調系統的制冷效果。試驗過程中使用示波器、鉗流表、溫度儀和壓力表等工具對壓縮機相電流、系統管道壓力、HVAC箱體出風口溫度和電箱輸入功率進行測量。

圖12 空調制冷系統試驗臺架

圖13 2500r/min時壓縮機相電流波形

試驗時，通過PC上位機軟件模擬整車CAN通信網絡，發送壓縮機轉速信號，使壓縮機轉速由1000r/min逐步提高到5000r/min，示波器測得壓縮機相電流波形比較接近正弦波，說明控制系統很好的實現壓縮機的矢量控制；同時測得壓縮機高低管道壓差由0MPa逐步升高0.86MPa、HVAC箱體出風口溫度由室溫26℃逐步降低到10℃，表明壓縮機能夠實現空調系統制冷功能，且隨著轉速的提高制冷效果逐步增強。

5 結束語

基于微芯科技dsPIC33EP256MC504型主控芯片，本文設計了一款用于380V電動汽車空調壓縮機的永磁無刷直流電機控制器，通過CAN通信網絡方式實現壓縮機的啟停和調速控制。在空調臺架試驗中，控制器軟硬件工作正常，壓縮機正常運轉，空調系統臺架能夠實現制冷功能，達到了預期設計目標，驗證了壓縮機控制器設計的合理性和實用性。

研究中發現壓縮機運轉過程中存在一定程度的波動及在高速下有觸發過流保護等問題，因此后期，壓縮機控制算法參數匹配、低壓電源穩壓電路和運放電路的PCB布局和參數調試等都是進一步研究的重點。

[1] 張翔.中國新能源汽車市場分析[J].汽車電器,2014(12):1-3.

[2] 劉穎琦,王萌,王靜宇.中國新能源汽車市場預測研究[J].經濟與管理研究,2016, 37(4):86-91.

[3] 李風雷,李玉欣.新能源汽車空調電動壓縮機控制技術研究[J].上海電氣技術,2013,6(2).

[4] 張麗鳳.新能源汽車空調電動壓縮機控制技術研究[J].汽車實用技術, 2017.

[5] AN1078 PMSM的無傳感器磁場定向控制.

[6] 車級IPM-20160516_APM27 FAM65V05DF1_adv-info.

[7] 李風雷.新能源車用空調壓縮機控制板的CAN通信系統開發[J]. 上海電氣技術,2012, 05(1).

[8] 魏海峰,張懿,楊康,等.電動汽車空調電機無位置傳感器控制的實驗研究[J].汽車工程, 2016, 38(1):116-121.

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

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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聯部，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