專利名稱：車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涉及壓縮機(jī)負(fù)載的驅(qū)動與控制的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，提出了基于自學(xué)習(xí)最優(yōu)化的無位置無刷電機(jī)控制電路及其控制方法，特別是一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著高性能永磁材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和電力電子技術(shù)特別是大功率半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)得到了迅速的發(fā)展。由于其調(diào)速性能優(yōu)越，且體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、不存在勵磁損耗問題，因此在各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。永磁同步電機(jī)按其工作原理、驅(qū)動電流和控制方式的不同，可分為具有正弦波反電動勢的永磁同步電機(jī)(PMSM)和具有梯形波反電動勢的永磁同步電機(jī)，后者又被稱為無刷直流電機(jī)(BLDCM)。BLDCM和PMSM相比，具有明顯的優(yōu)越性，反饋裝置簡單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡單，使電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。因此，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和研究受到了充分的重視。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，無刷直流電機(jī)每年以大約15％的比例增加。在這些增長中，一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢是無刷直流電機(jī)憑其技術(shù)優(yōu)勢在許多場合取代著其他種類的電動機(jī)。
由于無刷電動機(jī)比有刷直流電動機(jī)有更多的優(yōu)點(diǎn)，而且比無電刷結(jié)構(gòu)的交流電動機(jī)又有良好的機(jī)械特性和控制特性，因此具備廣泛應(yīng)用前景。與其他電機(jī)相比較，無刷直流電機(jī)具有以下幾個特點(diǎn)(1)效率高 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成，它上面既無銅耗又無鐵耗，其效率比同容量異步電動機(jī)提高5％-12％。
(2)功率因數(shù)高 無刷直流電動機(jī)無需從電網(wǎng)吸取激磁電流，功率因數(shù)接近1。
(3)啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小 無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與他勵直流電動機(jī)樞控時(shí)的相應(yīng)特性類似，所以它的啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，調(diào)速范圍寬，并且用電子換向取代了機(jī)械換向，克服了電刷換向引起的缺點(diǎn)。
(4)電動機(jī)出力大 該電動機(jī)在體積和最高工作轉(zhuǎn)速相同時(shí)，較異步電機(jī)輸出功率提高30％。
(5)適應(yīng)性強(qiáng) 電源電壓偏離額定值+10％或-15％，環(huán)境溫度相差40K以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0-100％額定轉(zhuǎn)矩波動時(shí)，無刷直流電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差，不大于設(shè)定轉(zhuǎn)速的±1％。
(6)自控式調(diào)速系統(tǒng) 它無需像普通同步電動機(jī)那樣需要啟動繞組，在負(fù)載突變時(shí)，不會產(chǎn)生振蕩和失步。
現(xiàn)如今，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已經(jīng)涉入到各個領(lǐng)域。由于大多數(shù)電子設(shè)備中電子線路均有直流電源供電，且要求電機(jī)具有調(diào)速、穩(wěn)速、定位控制等特性。因此當(dāng)前大多數(shù)精密設(shè)備中均采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制。如計(jì)算機(jī)硬、軟盤驅(qū)動，激光打字機(jī)棱鏡驅(qū)動，錄像機(jī)鼓驅(qū)動，CD唱機(jī)驅(qū)動，醫(yī)療診斷CT機(jī)，治療用高速牙鉆，衛(wèi)星上太陽能帆板驅(qū)動，儀用通風(fēng)機(jī)等。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，目前已應(yīng)用的高檔數(shù)控加工設(shè)備，已有取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流和交流電機(jī)的趨勢。另外在一些工業(yè)加工設(shè)備中也開始推廣應(yīng)用，如工業(yè)縫紉機(jī)、輕印刷機(jī)械、食品加工機(jī)械等。值得密切關(guān)注的是工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動控制，由于這種應(yīng)用場合對速度、力矩、和定位控制均有要求，無刷電機(jī)是首選品種，目前全世界已有100多萬臺各類機(jī)器人，而且每年以高于20％速率增長，對無刷直流電機(jī)需求量很大?，F(xiàn)代汽車正朝著豪華型方向發(fā)展，自動化程度很高，使用眾多類型的電動機(jī)，其中無刷直流電機(jī)在很多難以維修的部件中應(yīng)用。另外，電動車作為無污染的未來交通工具，受到各國工業(yè)界的重視，目前正加大投入，加緊開發(fā)，無刷直流電機(jī)是最理想的動力源。近年來，無刷直流電機(jī)在各類家電產(chǎn)品中均有應(yīng)用，提高家電產(chǎn)品的自動化程度，使這些家電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)省電、多功能、自動控制，如定時(shí)，定溫，自然調(diào)節(jié)等，按軟件程序工作。無刷直流電機(jī)大有取代交流電機(jī)在家電產(chǎn)品中應(yīng)用趨勢。
無刷直流電機(jī)定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按照一定的極對數(shù)組成。當(dāng)定于繞組的某一相導(dǎo)通時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按照一定的次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子的位置變化按一定的周期換相。電子開關(guān)線路的導(dǎo)通順序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了直流電機(jī)機(jī)械換相器的換相作用。
下面以三相橋式Y(jié)連接結(jié)構(gòu)電機(jī)為例說明永磁無刷電機(jī)的換流過程。
三相橋式Y(jié)接電機(jī)，每時(shí)刻有兩相導(dǎo)通，第三相懸空。傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機(jī)的電樞導(dǎo)通順序由轉(zhuǎn)子的位置信號決定。如圖1所示，設(shè)開始導(dǎo)通相為A、C相，此時(shí)功率管為T1、T6打開，電流由A相流入，由C相流出；此狀態(tài)維持60度電角度后開始換相，T6關(guān)斷，T4打開，此時(shí)電流由A相流入，由B相流出；此狀態(tài)維持60度電角度后開始換相，T1關(guān)斷，T5打開，此時(shí)電流由C相流入，由B相流出；此狀態(tài)維持60度電角度后開始換相，T4關(guān)斷，T2打開，此時(shí)導(dǎo)通相為B、A相，電流由B相流入，由A相流出；此狀態(tài)維持60電角度后開始換相，T5關(guān)斷，T3打開，電流由B相流入，由C相流出；此狀態(tài)維持60度電角度后開始換相，T2關(guān)斷，T6打開，電流由A相流入，C相流出，到達(dá)開始時(shí)的狀態(tài)，形成一個周期。整個過程形成了所謂的三相六拍狀態(tài)，電流狀態(tài)由AC、AB、CB、CA、BA、BC、AC形成六個狀態(tài)，每個狀態(tài)維持60度電角度。每周期內(nèi)每相正相導(dǎo)通120度，反相導(dǎo)通120度。
無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器有電磁式、光電式、霍爾磁敏式等多種形式。電磁式體積較大，抗干擾能力差；目前已不多用。光電式體積較大、價(jià)格昂貴、可靠性較差；霍爾磁敏式體積小，從霍爾元件發(fā)展到霍爾IC，可直接輸出數(shù)字信號，使用比較方便，但霍爾磁敏式傳感器往往存在一定程度上的磁不敏感區(qū)，造成轉(zhuǎn)子位置誤差。
轉(zhuǎn)子位置傳感器對于無刷直流電機(jī)正常工作具有十分重要的作用，它為電機(jī)的換相提供基本換相信息。但位置傳感器存在一定的弊端，不僅增加了成本，增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且由于位置傳感器的存在，在一些高精度及環(huán)境復(fù)雜的場合，位置傳感器的信號會受到影響，降低系統(tǒng)的性能。無刷直流電機(jī)采用無位置傳感器控制技術(shù)后，不但克服了有位置傳感器無刷直流電機(jī)的的缺點(diǎn)，還更進(jìn)一步地拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。
無位置傳感器控制技術(shù)主要通過已經(jīng)存在的電壓或電流信號，經(jīng)過一定的算法處理，得到轉(zhuǎn)子位置信號，稱為間接位置檢測法。目前有大量國內(nèi)外學(xué)者從事無位置傳感器控制技術(shù)的研究，取得了很多研究成果，但對于功率在3kW以上，起動負(fù)載動態(tài)范圍大的無位置傳感器控制一直是國內(nèi)外有待解決的難題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，解決了無位置無刷直流電機(jī)在大功率負(fù)載動態(tài)范圍下平穩(wěn)起動、轉(zhuǎn)子位置精確定位、以及在負(fù)載波動情況下運(yùn)行效率的優(yōu)化的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案本發(fā)明公開了一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括車用空調(diào)壓縮機(jī)采用無位置無刷直流電機(jī)，其特征在于系統(tǒng)包括一電源電路，為系統(tǒng)內(nèi)各控制電路提供電源；一轉(zhuǎn)子位置檢測電路，其將輸入的電機(jī)三相端電壓經(jīng)分壓濾波后分別與三個端電壓之和進(jìn)行比較，以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號；一DSP控制電路，其輸入接轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出信號，以產(chǎn)生電機(jī)控制信號；一功率驅(qū)動控制電路，其控制信號輸入接DSP控制電路輸出的電機(jī)控制信號，以及具有一電機(jī)工作電源輸入，以產(chǎn)生隨PWM變化的電機(jī)驅(qū)動高壓電信號，輸出至電機(jī)。
系統(tǒng)還包括一電壓檢測單元，其輸入為母線電壓，輸出由DSP控制電路采樣處理，以作為電機(jī)外同步起動時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈寬比的輸入?yún)?shù)；系統(tǒng)還包括一電流檢測單元，其輸入為母線電流，輸出由DSP控制電路采樣處理，以作為電機(jī)過流保護(hù)和電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)。
系統(tǒng)還包括一溫度檢測單元，其輸入為車用空調(diào)水冷板上溫度電阻兩端的電壓，輸出與DSP控制電路的信號輸入端口相連接。
本發(fā)明還公開了一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于包括以下步驟系統(tǒng)初始化、電機(jī)外同步啟動、電機(jī)外同步至自同步切換、電機(jī)自同步自適應(yīng)升速、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號解算、電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化。
其中所述的系統(tǒng)初始化包括初始化端口，控制字初始化，以及中間變量初始化。
所述的電機(jī)外同步啟動包括轉(zhuǎn)子定位在系統(tǒng)上電時(shí)，設(shè)定一任意初始狀態(tài)，根據(jù)檢測電壓，給定一較小的PWM脈寬，觸發(fā)脈沖保持一段時(shí)間，同時(shí)檢測電流，當(dāng)電流超過額定值的3倍，則改變PWM脈寬，使檢測電流減小，直至轉(zhuǎn)子位置自動變?yōu)槌跏紶顟B(tài)對應(yīng)值，完成轉(zhuǎn)子定位；轉(zhuǎn)子定位完成后，根據(jù)電壓檢測值給定一定寬度的調(diào)制電壓，產(chǎn)生一組觸發(fā)脈沖，按照一定的步長增加頻率；在此階段通過開環(huán)控制即采用一定的占空比控制，并且當(dāng)頻率上升時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)過流，立即進(jìn)入下一個換相節(jié)拍并且增加上升頻率的步長。
所述的電機(jī)外同步至自同步切換包括當(dāng)轉(zhuǎn)子位置檢測信號滿足可靠標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)行切換，即控制信號由軟件產(chǎn)生切換為由轉(zhuǎn)子位置檢測信號產(chǎn)生；所述的可靠標(biāo)準(zhǔn)為首先是轉(zhuǎn)子速度大于限定值，并且三相位置檢測信號頻率與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)；其次，三相位置檢測信號正負(fù)脈寬均勻；再次轉(zhuǎn)子檢測電路輸出的三個比較信號按照規(guī)定的序列連續(xù)變化；最后，在自同步時(shí)，V相比較信號的上跳沿延時(shí)30度電角度后即為T3管導(dǎo)通和T1管關(guān)斷的時(shí)刻。
所述的電機(jī)自同步自適應(yīng)升速為按照一定的步長增加電流，以實(shí)現(xiàn)升速；完成升速過程以后，電機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)采用電流閉環(huán)控制。
所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號解算中通過以下方法對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行濾除噪聲一是加數(shù)字濾波器，以濾除短時(shí)間的噪聲；二是增加前后互鎖，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的組合序列與上一次的組合序列不連續(xù)，忽略該組合序列，電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)不變，如果超過最長導(dǎo)通時(shí)間則強(qiáng)制換相。
所述的電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化為采用適當(dāng)超前換相以提高電機(jī)運(yùn)行效率。
由于采用了以上的方案，使本發(fā)明具備的有益效果在于使大功率的無位置傳感器的電機(jī)能在大負(fù)載動態(tài)范圍情況下平穩(wěn)啟動并高效運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了無位置傳感器的電機(jī)運(yùn)行控制的難題。


圖1是無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是無位置驅(qū)動控制總原理圖；圖3是轉(zhuǎn)子位置檢測電路；圖4是功率驅(qū)動控制電路；圖5、圖6是軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，采用無位置無刷直流電機(jī)，總原理框圖如圖2所示，具體連接如下1)功率驅(qū)動控制電路FO1端口與DSP控制電路的PDPINTB端口相連，提供模塊過流過熱短路等保護(hù)信號；2)375V電源與功率驅(qū)動控制電路的P和N端口相連，為其供電；3)電源電路的四路15V電源端口J2與功率驅(qū)動控制電路電源端口J2相連，為其供電；4)電源電路的電源端口J1與DSP控制電路的電源端口J1相連，為其供電；5)位置檢測電路輸入為給電機(jī)供電的U、V、W三根相線的接線點(diǎn)SU、SV、SW和直流母線的負(fù)線。輸出與DSP控制電路的CAP1、CAP2、CAP3端口相連，為DSP提供位置檢測信號；6)電壓檢測單元輸入為375V電源端口，輸出為0～3.75V的模擬信號，與DSP控制電路的AN0端口相連，該信號再由DSP采樣處理，變?yōu)橥馔狡饎訒r(shí)調(diào)節(jié)PWM脈寬比；7)電流檢測單元輸入為母線電流，輸出與DSP控制電路的AN2端口相連，為DSP提供直流母線電流信號，該信號再由DSP采樣處理，變?yōu)殡姍C(jī)的過流保護(hù)和基于效率最優(yōu)化調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)；
8)DSP控制電路的PW1、PW2、PW3、PW4、PW5、PW6端口與功率驅(qū)動控制電路的PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6相連，為其提供六路PWM控制信號，這六路信號需要根據(jù)電壓電流采樣、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、脈沖寬度和電機(jī)數(shù)學(xué)模型，由控制軟件處理；9)功率驅(qū)動控制電路的U、V、W與電機(jī)的U、V、W相連，為電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)供電；10)DSP控制電路的ROM用于存放數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)；11)DSP控制電路的RAM用于存放初始化參數(shù)和中間變量。
圖2原理框圖的控制電路由電源電路、DSP控制電路、功率驅(qū)動控制電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、電壓檢測電路、電流檢測電路構(gòu)成，現(xiàn)描述如下1.DSP控制電路該控制電路主要用于處理轉(zhuǎn)子位置檢測電路檢測的位置信號。根據(jù)處理所得到的位置信號，根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制原理，產(chǎn)生控制信號，對電機(jī)實(shí)行保護(hù)控制的功能，這些功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)。
2.功率驅(qū)動控制電路如圖4所示，該控制電路首先利用將DSP控制電路產(chǎn)生的控制信號輸入至功率驅(qū)動板，經(jīng)過功率驅(qū)動板變換后，產(chǎn)生寬度隨PWM變化的高壓電信號，驅(qū)動功率模塊循環(huán)導(dǎo)通，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.轉(zhuǎn)子位置檢測電路該控制電路原理圖如圖3所示，在原理圖中，將U、V、W三相端電壓分壓濾波后得到幅度在5V以內(nèi)的電壓，將此三個電壓與中心點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，比較輸出的信號連接至DSP控制板的CAP1、CAP2、CAP3口。
一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法1、電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的建立電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率優(yōu)化數(shù)據(jù)庫是利用C語言+匯編語言建立電機(jī)在所有可能的速度與轉(zhuǎn)矩情況下，輸入與輸出映射關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，此為效率優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)。
根據(jù)無刷直流電機(jī)的原理，反電勢過零比較信號超前該相管子導(dǎo)通時(shí)刻30-α，α為與濾波所引起的相移，與轉(zhuǎn)速n成正比信號；再加上述的超前控制角θ(以霍爾位置信號為基準(zhǔn))是轉(zhuǎn)速n和電流I的非線性函數(shù)。那么以反電勢過零比較信號為基準(zhǔn)的超前角θ’也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電流I非線性函數(shù)，即θ’＝f(n，I)。
因此所構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫是以轉(zhuǎn)速n和電流I為輸入，超前角θ’為輸出。在測量時(shí)將此電機(jī)放置在試驗(yàn)臺上，該試驗(yàn)臺必須有測量輸入電壓、電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以及計(jì)算效率的功能。
每次在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的速度n和電流I，調(diào)節(jié)超前角θ’，使得效率最高，將這一組數(shù)據(jù)記錄下來。如果改變速度n和電流I，將得到多組數(shù)據(jù)。這樣可以制成兩維的表格供控制時(shí)查詢使用?？紤]到此電機(jī)的實(shí)際運(yùn)用情況和數(shù)據(jù)庫的容量，設(shè)定初始速度為1000rpm，以100rpm為步長，初始電流為1A，以0.5A為步長。
速度可以設(shè)定，電流變化可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載達(dá)到。
2、系統(tǒng)控制方法與軟件系統(tǒng)軟件流程圖如圖5、圖6所示，整個軟件系統(tǒng)由6個模塊構(gòu)成，即初始化模塊外同步啟動模塊、外同步至自同步切換模塊、自同步自適應(yīng)升速模塊、位置信號硬件解算模塊、運(yùn)行效率最優(yōu)化模塊。
在系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)智能控制過程中，需要軟件處理的信號為功率驅(qū)動板FO端口提供給DSPPDPINTA端口的模塊故障信號；位置檢測單元輸出到DSP控制電路的CAP1、CAP2、CAP3端口的信號；電壓檢測單元輸出到DSP控制電路的AD1信號；電流檢測單元輸出到DSP控制電路的AD0信號；由軟件產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號由DSP控制電路PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6輸出到功率驅(qū)動板的PU、NU、PV、NV、PW、NW。
現(xiàn)對每個模塊分別敘述如下初始化模塊初始化模塊的端口初始化是將DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口和DSP的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6端口設(shè)置為基本功能?？刂谱殖跏蓟菍ο到y(tǒng)配置寄存器、中斷標(biāo)志寄存器、事件管理器控制字進(jìn)行設(shè)置，使DSP具有CAN通訊、AD采集、PWM產(chǎn)生、故障中斷功能，系統(tǒng)計(jì)時(shí)器具有計(jì)時(shí)功能。
初始化模塊的流程圖為圖5初始化模塊部分所示。
外同步起動模塊無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制通常采用“三段式”控制方法，也就是轉(zhuǎn)子定位、他控同步加速運(yùn)行、自控同步運(yùn)行這三個階段。由于反電動勢幅值和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以當(dāng)無刷直流帶你機(jī)靜止或者速度較低時(shí)，感應(yīng)電動勢為零或者很小，這時(shí)很難通過檢測反電動勢來獲得轉(zhuǎn)子位置，因此必須利用其他方法來對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位和起動，要保證無刷直流電機(jī)能夠正常起動，避免起動時(shí)出現(xiàn)電流過大。本文采用基于自適應(yīng)升速的起動方法。
起動方法如下1、在系統(tǒng)上電開始時(shí)，設(shè)定一任意初始狀態(tài)，根據(jù)檢測電壓，給定一較小的脈寬，觸發(fā)脈沖保持不變一段時(shí)間，同時(shí)檢測電流值，如果電流值超過額定值的3倍，則改變PWM脈寬，使檢測電流減小，這樣經(jīng)過一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)子位置會自動變?yōu)槌跏紶顟B(tài)對應(yīng)的值。在轉(zhuǎn)子定位過程中，PWM脈寬一般為3～6％；2、轉(zhuǎn)子定位完成后，根據(jù)電壓檢測值給定一定寬度的調(diào)制電壓，利用軟件產(chǎn)生一組觸發(fā)脈沖，按照一定的步長增加電壓和頻率(轉(zhuǎn)速)。在這個階段由于轉(zhuǎn)子的位置信號比較復(fù)雜，這是由于速度不穩(wěn)定所引起的。要解決這個問題必須采用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?，這時(shí)可以通過開環(huán)控制即采用一定的占空比控制來實(shí)現(xiàn)。但這樣遇到的問題是，每一相的導(dǎo)通時(shí)刻與轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置不匹配，往往造成滯后，使得電流出現(xiàn)過流現(xiàn)象，因此必須采用智能的控制方法來控制外同步的升速頻率?？尚械姆椒ㄊ钱?dāng)頻率上升時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)過流，立即進(jìn)入下一個換相節(jié)拍并且增加上升頻率的步長。
外同起動模塊的流程圖為圖5外同步起動模塊部分所示。
外同步至自同步切換模塊如外同步起動模塊所述，在轉(zhuǎn)子定位和他空同步升速運(yùn)行的階段，控制信號由軟件產(chǎn)生，而無位置傳感器無刷直流電機(jī)要提高效率，就需要轉(zhuǎn)化到自控同步運(yùn)行狀態(tài)，在該階段，控制指令需要由轉(zhuǎn)子位置檢測信號得到，因此需要在確保轉(zhuǎn)子位置檢測信號可靠穩(wěn)定的情況下切換，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置信號滿足可靠標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，切換開始，即由控制信號由軟件產(chǎn)生變?yōu)橛赊D(zhuǎn)子位置檢測信號確定。
所述的切換模塊能自動尋找最佳的切換點(diǎn)。在切換之前，必須滿足四個條件，才能保證電機(jī)平穩(wěn)切換。首先是轉(zhuǎn)子速度大于某個限定值，并且三相位置檢測信號頻率與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，這是為了保證反電勢的穩(wěn)定；其次，三相位置檢測信號正負(fù)脈寬均勻；再次，轉(zhuǎn)子檢測電路輸出的三個比較信號必須按照規(guī)定的序列連續(xù)變化；最后，在自同步時(shí)，V相比較信號的上跳沿延時(shí)30度電角度后即為T3管導(dǎo)通和T1管關(guān)斷的時(shí)刻。在外同步狀態(tài)下，為了保證切換時(shí)電機(jī)的平穩(wěn)性，必須保證V相的轉(zhuǎn)子位置信號的上跳沿與T1管的關(guān)端時(shí)刻的時(shí)間差δ，必須滿足(δ-30)/T＜β，其中β為小于1的常數(shù)，T為60電角度。這第四個條件即為外同步方式至自同步方式的最佳切換點(diǎn)。
當(dāng)切換成功后，控制指令需要由轉(zhuǎn)子位置檢測信號得到，因此需要對位置檢測信號進(jìn)行處理，以濾除噪聲，得到可靠準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號。
外同步至自同步切換模塊的流程圖為圖5切換模塊部分所示。
自同步自適應(yīng)升速模塊自同步自適應(yīng)升速直接關(guān)系到運(yùn)行的穩(wěn)定性，由于電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載不是可以精確估算的，在控制過程中必須采用自適應(yīng)技術(shù)以達(dá)到平穩(wěn)起動和效率最優(yōu)的平衡。具體來講，如果升速過快，意味著需要大電流的注入，效率會降低；如果注入的電流不夠，升速過程會變得緩慢。因此按照每次運(yùn)行過程記錄的數(shù)據(jù)(電流與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系)，按照一定的步長增加或減少電流的指令，可以實(shí)現(xiàn)升速過程的最優(yōu)效率控制，完成升速過程以后，電機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)電機(jī)的控制采用電流閉環(huán)。
自同步自適應(yīng)升速模塊的流程圖為圖6自同步自適應(yīng)升速模塊部分所示。
位置信號解算模塊在正常的自同步運(yùn)行方式下，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號Sw、Sv、Su的組合有其規(guī)定的變化，即按照特定的變化規(guī)律連續(xù)變化。由于電磁環(huán)境的影響，會對轉(zhuǎn)子測量電路造成干擾，這樣在Sw、Sv、Su電平中會有干擾脈沖。本文采取兩種方法進(jìn)行濾除噪聲。一是加數(shù)字濾波器，將短時(shí)間的毛刺濾掉；二是增加前后互鎖的方法，如果這次Sw、Sv、Su的組合序列與上一次的組合序列不連續(xù)，那么可以把這個組合狀態(tài)忽略掉，電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)不變。但此時(shí)必須考慮每個管子的最長導(dǎo)通時(shí)間，如果超過最長導(dǎo)通時(shí)間則強(qiáng)制換相。
位置信號解算模塊的流程圖為圖6位置信號解算模塊部分所示。
運(yùn)行效率優(yōu)化模塊當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，在一般控制中如果不采用效率控制，根據(jù)位置傳感器的位置進(jìn)行換相。事實(shí)上按照確定的位置換相并不是運(yùn)行效率最高的。根據(jù)我們的分析在不同的轉(zhuǎn)速和電流下，適當(dāng)超前換相可以提高效率。由于電機(jī)是一個非線性負(fù)載，需要運(yùn)用自學(xué)習(xí)的方法。具體方法是記錄每一次的電流和加速度，以每安培的加速度做參考值進(jìn)行優(yōu)化。記錄不同的轉(zhuǎn)速、不同的電流時(shí)的位置超前角度數(shù)據(jù)，做成表格，以供控制使用?？紤]到無位置控制時(shí)，反電勢過零點(diǎn)延時(shí)30-α才是管子導(dǎo)通的時(shí)刻，理論上α與轉(zhuǎn)速n成正比，所以以反電勢過零點(diǎn)為基準(zhǔn)的超前角θ’，即θ’＝f(I，n)，I是母線電流，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。
運(yùn)行效率優(yōu)化模塊的流程圖為圖6運(yùn)行效率優(yōu)化模塊所示。
該無刷直流電機(jī)的主要參數(shù)如下工作電壓335～410V，額定轉(zhuǎn)速6000rpm，額定負(fù)載5Nm，額定電流10A，電機(jī)額定輸出功率3.0kW。
電動汽車空調(diào)無位置無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，控制效果如下所述1.電機(jī)可以在0～10Nm負(fù)載范圍內(nèi)負(fù)載隨意波動情況下可靠起動；2.電機(jī)起動電流小于額定電流；3.電機(jī)起動無失步現(xiàn)象；4.電機(jī)調(diào)速范圍為800～6400rpm；
5.在額定負(fù)載額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)控制效率高達(dá)90％，整個調(diào)速范圍控制效率不低于87％；6.電機(jī)三根電源線隨意接線，均可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)；7.控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能，可以有效抑制各種干擾；8.控制系統(tǒng)具有自保護(hù)功能，在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)可以停機(jī)保護(hù)。
權(quán)利要求
1.車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括車用空調(diào)壓縮機(jī)采用無位置無刷直流電機(jī)，其特征在于系統(tǒng)包括一電源電路，為系統(tǒng)內(nèi)各控制電路提供電源；一轉(zhuǎn)子位置檢測電路，其將輸入的電機(jī)三相端電壓經(jīng)分壓濾波后分別與三個端電壓之和進(jìn)行比較，以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號；一DSP控制電路，其輸入接轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出信號，以產(chǎn)生電機(jī)控制信號；一功率驅(qū)動控制電路，其控制信號輸入接DSP控制電路輸出的電機(jī)控制信號，以及具有一電機(jī)工作電源輸入，以產(chǎn)生隨PWM變化的電機(jī)驅(qū)動高壓電信號，輸出至電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)還包括一電壓檢測單元，其輸入為母線電壓，輸出由DSP控制電路采樣處理，以作為電機(jī)外同步起動時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈寬比的輸入?yún)?shù)；系統(tǒng)還包括一電流檢測單元，其輸入為母線電流，輸出由DSP控制電路采樣處理，以作為電機(jī)過流保護(hù)和電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化調(diào)節(jié)的輸入?yún)?shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)還包括一溫度檢測單元，其輸入為車用空調(diào)水冷板上溫度電阻兩端的電壓，輸出與DSP控制電路的信號輸入端口相連接。
4.車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于包括以下步驟系統(tǒng)初始化、電機(jī)外同步啟動、電機(jī)外同步至自同步切換、電機(jī)自同步自適應(yīng)升速、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號解算、電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的系統(tǒng)初始化包括初始化端口，控制字初始化，以及中間變量初始化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的電機(jī)外同步啟動包括轉(zhuǎn)子定位在系統(tǒng)上電時(shí)，設(shè)定一任意初始狀態(tài)，根據(jù)檢測電壓，給定一較小的PWM脈寬，觸發(fā)脈沖保持一段時(shí)間，同時(shí)檢測電流，當(dāng)電流超過額定值的3倍，則改變PWM脈寬，使檢測電流減小，直至轉(zhuǎn)子位置自動變?yōu)槌跏紶顟B(tài)對應(yīng)值，完成轉(zhuǎn)子定位；轉(zhuǎn)子定位完成后，根據(jù)電壓檢測值給定一定寬度的調(diào)制電壓，產(chǎn)生一組觸發(fā)脈沖，按照一定的步長增加頻率；在此階段通過開環(huán)控制即采用一定的占空比控制，并且當(dāng)頻率上升時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)過流，立即進(jìn)入下一個換相節(jié)拍并且增加上升頻率的步長。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的電機(jī)外同步至自同步切換包括當(dāng)轉(zhuǎn)子位置檢測信號滿足可靠標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)行切換，即控制信號由軟件產(chǎn)生切換為由轉(zhuǎn)子位置檢測信號產(chǎn)生；所述的可靠標(biāo)準(zhǔn)為首先是轉(zhuǎn)子速度大于限定值，并且三相位置檢測信號頻率與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)；其次，三相位置檢測信號正負(fù)脈寬均勻；再次轉(zhuǎn)子檢測電路輸出的三個比較信號按照規(guī)定的序列連續(xù)變化；最后，在自同步時(shí)，V相比較信號的上跳沿延時(shí)30度電角度后即為T3管導(dǎo)通和T1管關(guān)斷的時(shí)刻。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的電機(jī)自同步自適應(yīng)升速為按照一定的步長增加電流，以實(shí)現(xiàn)升速；完成升速過程以后，電機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)采用電流閉環(huán)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號解算中通過以下方法對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行濾除噪聲一是加數(shù)字濾波器，以濾除短時(shí)間的噪聲；二是增加前后互鎖，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的組合序列與上一次的組合序列不連續(xù)，忽略該組合序列，電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)不變，如果超過最長導(dǎo)通時(shí)間則強(qiáng)制換相。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制方法，其特征在于所述的電機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化為采用適當(dāng)超前換相以提高電機(jī)運(yùn)行效率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車用空調(diào)壓縮機(jī)新型電驅(qū)動控制系統(tǒng)及方法，是基于角度自學(xué)習(xí)、切換自尋優(yōu)的效率最優(yōu)化的無位置無刷電機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)由電源電路、功率驅(qū)動電路單元、DSP控制電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路單元、電壓檢測單元、電流檢測單元、溫度檢測單元等組成。軟件部分包括初始化模塊、外同步啟動模塊、外同步至自同步切換模塊、自同步自適應(yīng)升速模塊、位置信號硬件解算模塊、運(yùn)行效率最優(yōu)化模塊。本發(fā)明的驅(qū)動控制器使大功率的無位置傳感器的電機(jī)能在大負(fù)載動態(tài)范圍情況下平穩(wěn)啟動并高效運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了無位置傳感器的電機(jī)運(yùn)行控制的難題，系統(tǒng)具有CAN通信接口，保證與車輛總線通信的可靠性。
文檔編號H02P6/20GK101051806SQ20071004079
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者徐國卿, 胡波, 項(xiàng)安, 袁登科, 劉峰, 璩克旺 申請人:同濟(jì)大學(xué)