电动汽车空调压缩机控制器设计与实验分析

电脑维修

随着电动汽车的普及，消费者对汽车舒适性和可靠性的要求不断提高，电动汽车空调系统的性能显得尤为重要。电动空调系统作为新能源汽车上的关键电子控制系统，其研究和发展对于提升电动汽车的技术水平和市场竞争力具有重要意义。

电动压缩机作为电动空调制冷系统的核心部件，其需求量随着电动汽车的产业化而不断上升，具有广阔的市场前景。与电动汽车驱动系统相似，电动空调压缩机也依赖于电动机进行驱动。因此，研发一款性能卓越、运行平稳、高效且安全的驱动控制系统显得尤为重要。此外，控制算法的优劣以及对应控制程序的编写水平将直接决定压缩机的正常工作与否。

本文以电动空调压缩机控制器为研究对象，围绕dsPIC33EP256MC504主控芯片，精心设计了控制器的硬件与软件部分。经过严谨的系统台架实验，我们成功验证了压缩机控制方案的可行性。这一研究成果对电动汽车空调电动压缩机控制器的研发具有重要参考价值。

◇ 电动压缩机总成系统

新能源汽车的电动压缩机总成，涵盖了压缩机本体、驱动电机以及驱动控制器三大核心组件。本文所研发的电动压缩机控制器，选用了集成度高的一体式涡旋电动压缩机，它不仅结构紧凑、体型小巧，更因质量轻盈与低噪音运行而备受青睐。该控制器通过与整车CAN网络的互联，接收来自汽车空调控制器的指令，从而实现对压缩机的开关控制以及转速的精准调节。电动压缩机总成系统的架构如图所示。

◇ 控制器硬件设计◇ 主控芯片的选定

在电动压缩机控制器的设计中，我们选用了Microchip公司的一款高性能微控制器——dsPIC33EP256MC504。这款芯片不仅集成了DSC和MCU的功能，还专为电机控制领域打造，属于16位的高性能产品。其最大工作频率高达70MIPS，配备了两个40位宽累加器，支持单周期混合符号乘法和除法运算，同时还能进行32位乘法运算，从而满足了永磁同步电机控制算法对芯片运算速度的严苛要求。此外，该芯片内部还配备了电机专用的高速PWM控制器，能编程生成频率和工作方式相同且相互独立的3相6路PWM波形。同时，它还提供了最多支持4路模拟输入同步采样的ADC模块，其灵活的多触发选项使得我们可以使用廉价的电流检测电阻来测量电机绕组电流。通过PWM模块触发A/D转换，电流检测电路能在指定时间内完成输入检测。

◇ 低压电源稳压电路

电动压缩机控制器采用高低压共板设计，其电源稳压电路的稳定性对压缩机整体性能至关重要。本系统电源稳压电路包含三部分：12V转15V电路、15V转3.3V电路以及12V转5V电路。其中，12V转15V电路旨在为电机驱动模块提供必要的工作电压。由于车载12V低压蓄电池与380V高压电源需物理隔离，我们选用电流型PWM控制器NCV3843BV，配合隔离型变压器和光电耦合器，实现12V至15V的稳定转换。

同时，我们采用线性稳压电源芯片MIC2951-03YM，将蓄电池12V电压转换为5V，为隔离型CAN芯片ISO1050提供所需工作电压。开关电源MCP16301则负责将变压器次级输出的15V进一步降为3.3V，为MCU、CAN通讯电路及运放电路等提供稳定电源。

◇ 电机驱动电路

本系统采用仙童公司的一款汽车级3相智能功率模块FAM65V05DF1来驱动永磁无刷直流电机。这款模块不仅集成了功率桥和三相桥驱动芯片，还内嵌了过/欠压、过流和过热等故障检测电路，确保电机驱动的稳定性和安全性。

HIN1~3/LIN1~3是6路PWM互补信号输入端，直接与MCU的I/O口相连，用于控制IPM内部上下桥臂的交替开通和关断，从而实现电机的驱动。VTS端口输出IPM模块的温度模拟值，MCU通过检测此端口来判断IPM的工作温度是否达到过温保护关断值。当IPM出现故障时，VFO端口会主动输出低电平故障信号，MCU检测到该信号后会禁止PWM信号输出，以确保电机驱动的安全。

◇ 差分运放及过流保护电路

在电机矢量控制系统中，准确采集电机的相电流并将其反馈至控制电路至关重要，以确保对永磁无刷直流电机实现闭环控制。电机IPM驱动电路中，我们采用下桥臂电阻采样法来获取各相电流，随后将这些电流输入到集成运算放大器MCP6024中。该放大器内部精心集成了4路运放控制电路，用于处理和放大电流信号。

在电机相电流的差分运放电路设计中，1路（U201D）被用作偏置电路的输入，从而获得相电流的模拟参考电压，其值为1.65V。而另外2路（U201A/U201B）则被用于输入相电流的差分信号。这些信号经过运放电路的放大后，会产生相电流的模拟信号值Current_V和Current_W，随后这些信号会被输出给MCU。

◇ CAN通信接口电路

在电动压缩机的控制系统中，CAN通信接口电路扮演着至关重要的角色。它负责连接主控芯片与整车CAN总线，确保数据能够高效、稳定地交互。

本系统采用美国德州仪器公司生产的ISO1050隔离型高速CAN总线收发器，它连接主控芯片的内部CAN控制器与整车CAN总线。ISO1050的设计能有效隔离压缩机控制器与整车CAN总线信号的相互干扰，从而确保数据交互的稳定性和可靠性。

在电动压缩机控制系统的程序设计中，我们采用了前后台的结构框架，该程序由系统主程序和中断服务程序共同构成。

◇ 系统主程序设计流程图

主程序通过模块初始化和状态机管理，确保系统稳定运行。

系统主程序会依次调用各个子模块进行初始化设置，之后便进入压缩机状态机，负责接收中断系统的反馈信息，并根据这些信息执行压缩机不同工作状态之间的转换。

◇ 压缩机状态机逻辑设计

电动压缩机在汽车空调系统的制冷功能实现过程中，其运行状态的变化可以通过一个精心设计的状态机来进行描述。这个状态机涵盖了六种不同的状态，包括上电待机、启动、正常运行、弱磁控制、制动减速停机以及故障处理状态。

◇ 电机驱动程序流程图

电机驱动程序透过SMC和空间矢量调制进行实时调速控制，确保压缩机目标转速的精准实现。

电机驱动程序的核心在于实时采集电机的相电流，并运用滑动模式控制器（SMC）来估算电机的位置和速度。通过PID闭环控制方法，结合空间矢量调制技术，不断更新PWM模块的占空比，从而实现对压缩机目标转速的精准跟踪。

在确认控制器基础功能无误后，我们将控制器与压缩机总成置于空调系统制冷台架之上，进行了详尽的台架试验。

通过详尽测量，我们验证了控制器与压缩机的有效性和制冷效率。

在试验中，我们观察到压缩机相电流波形趋近于正弦波，这证明了控制系统对压缩机的矢量控制表现优异。同时，压缩机高低管道压差和HVAC箱体出风口的温度变化，也证明了压缩机能够有效地实现空调系统的制冷功能。

本文设计了一款专为电动汽车空调压缩机打造的永磁无刷直流电机控制器，该控制器以微芯科技dsPIC33EP256MC504型主控芯片为核心，通过CAN通信网络实现对压缩机的启停和调速精准控制。在空调台架试验中，控制器与压缩机协同工作，空调系统成功实现制冷功能，充分证明了设计的合理性和实用性。

然而，研究中发现压缩机在运转过程中存在轻微波动，且在高速运转时触发了过流保护，因此，后续研究将聚焦于优化压缩机控制算法、完善低压电源稳压电路以及精细调整运放电路的PCB布局和参数。.