一種用于提高電動車載空調制冷效果的控制方法

秦國棟 幸 濤 劉 淳

（1.嘉興職業技術學院智能制造學院 浙江嘉興 314036；2.空軍裝備部駐鄭州地區軍代室 河南鄭州 451150；3.嘉欣西電產業園有限公司 浙江嘉興 314036）

一、引言

傳統的燃油汽車是采用發動機作為動力源泉，驅動車載空調壓縮機進行轉動，從而實現車載空調的制冷功能。近年來，隨著新能源的開發和環境保護的呼聲四起，對環境零排放的電動車越來越受到消費者和生產商的青睞。與傳統的燃油汽車相比，電動車還具有能源利用率較高，省去發動機、變速器、郵箱、冷卻和排氣系統，噪聲小等優點。直接驅動電動車載空調進行制冷運行的設備是安裝在電動車內的永磁同步電機。所以，永磁同步電機的輸出力矩密度和電流的大小，將直接影響到電動車的行駛安全性和穩定性，以及影響到車載空調的制冷效果。

文獻[1-3]采用了單閉環電機控制的方法，但該方法具有對擾動的抑制能力差、動態響應速度慢等缺點，不僅不利于電動車的安全穩定行駛，也不利于車載空調的平穩運行。文獻[4-6]電機的開環控制方法，開環控制方法使得電機的啟動過程緩慢、啟動電流較大，不利于電動車在不同道路環境下的迅速系統動態響應。V型內嵌式永磁同步電機作為一種新型的電機，其具有力矩密度大、運行效率高和低速大力矩等優點，非常有利用驅動電動車安全穩定行駛和車載空調制冷。然而，V型內嵌式永磁同步電機的優點，完全是靠較為合適的電機控制方法實現的。

本文提出一種基于V型內嵌式永磁同步電機的雙閉環控制方法，該方法不僅提高了電動車在行駛過程的安全穩定性能，也有效地改善了車載空調的制冷效果。所謂雙閉環控制方法，也就是通過實時采集V型內嵌式永磁同步電機的電流數據和轉速數據，及時地提高電機的負載能力，從而迅速地改變電動車在不同路況環境下的行駛速度，以及有效保障電動車載空調的平穩運行。

二、V型內嵌式永磁同步電機的數學模型

如下圖1所示，是V型內嵌式永磁同步電機的1/4結構圖。從圖中可以看出，該永磁同步電機由主要由定子鐵芯、動子鐵芯、繞組和永磁體組成。定子鐵芯有48個齒槽，永磁體的極對數是8，并且永磁體呈現V型分布，其優點是有利于磁場的合理分布。繞組的分布采用分布式纏繞方法，這樣有利于V型永磁同步電機在運行過程中的控制，并降低繞組的銅耗，從而從一定程度上提高V型永磁同步電機的運行效率。

圖1 V型內嵌式永磁同步電機的基本結構組成

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型永磁同步電機的數學模型。

首先，派克逆變換的基本公式可以描述為

由公式（7）可得，V型永磁同步電機的輸出力矩與繞組電流有著密切的關系。因此，本文采用雙閉環控制技術，通過控制V型永磁同步電機在dq0坐標下的d軸和q軸電流，達到控制其輸出力矩的目的，進而可以實現電動車在行駛過程中的安全穩定性，并保障車載空調處于高效地制冷運行狀態。

三、仿真和分析

如下圖2，是V型永磁同步電機的雙閉環控制系統框圖。圖3是借助Matlab/Simulink仿真平臺，建立的V型永磁同步電機的雙閉環控制系統仿真模型。其中，V型永磁同步電機的轉速作為雙閉環的外環，電流作為雙閉環的內環。該雙閉環控制主要包括V型永磁同步電機，派克變換、電流分配、PI調節器、空間電壓是兩脈寬調制（SVPWM）、逆變器等等。

圖2 雙閉環控制系統框圖

圖3 雙閉環控制系統仿真模型

具體仿真過程是：首先在Matlab/Simulink中構建V型永磁同步電機矢量控制系統的速度控制模型，如上圖3所示，通過編碼器給定速度信號和電角度信號，給定速度和速度反饋的差值經過控制器產生給定交軸電流；給定交軸電流和兩相電流采樣分解所獲得的實際交軸電流差值通過轉矩控制器輸出交軸給定電壓；同時直軸電流和實際直軸電流做差通過磁鏈控制器產生直軸給定電壓。生成的直軸電壓和交軸電壓通過坐標變換到兩相靜止坐標系下，再通過空間矢量調制產生開關信號輸入至三相逆變器，從而驅動電機運動。該閉環控制系統結構簡單，電流控制器和轉速控制器均采用普通PI控制器，所需硬件較少，控制過程中的電流環跟蹤和向逆變器發送的信號都是由軟件來實現的。

如下圖4所示，是在不同運行速度下，V型永磁同步電機仿真輸出的電流波形和力矩波形。其中，負載設定為初始0.2N.m，在t=0.05s時階躍到0.3N.m，速度輸入為1000rpm，行程設為無限大。仿真步長為0.1s，離散型仿真，解法為變步長ode45。電機在0時刻帶0.2N.m的負載啟動，速度很快被控制到目標速度1000rpm，在負載突變后，速度突然被拉低，電流環調節電流大小，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，經過調整以后，速度又很快地恢復到目標速度，速度波形圖如圖（4-c）所示。該仿真結果表明：V型永磁同步電機電機雙閉環控制之后，在負載突變情況下，速度被拉到目標速度以下，內環電流PI控制器可以瞬間響應，調節電流大小，增大電機力矩，外環速度PI控制器可以將速度穩定在目標值1000rpm。

圖4 V型永磁同步電機輸出電流和力矩與速度的關系

如上所述，在電動車爬坡、高速運行狀態下，V型永磁同步電機能夠瞬間增大輸出力矩，不僅可以保障電動車安全穩定行駛，而且也為電動車在空調的有效制冷效果提供了強有力的動力保障。

四、結束語

采用速度和電流控制的V型永磁同步電機雙閉環控制系統，其系統仿真和分析結果表明，雙閉環控制方法可以提高V型永磁同步電機的運行性能，實現力矩、電流與速度的瞬間響應，為電動車的車載空調提供穩定的動力保障。并且，通過內環電流PI控制器和外環速度PI控制器的組合作用，可以將V型永磁同步電機的運行速度穩定在目標值。