卡车变频空调控制系统设计和研究_周亚星.docx

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1、分类号 . 密级 . 卡车变频空调控制系统设计和研究 研 究 生 姓 名 ： 周 亚 星 指导教师姓名、职称：龙永红教授 学科专业：电力系统及其自动化 研究方向：现代电力传动及其故障诊断 湖 南 工 业 大 学 二一五年六月十日 分 类 号 密级 卡车变频空调控制系统设计和研究 Study and Design of Control System For Inverter Air-Conditioner of Truck 研 究 生 姓 名 ： 周 亚 星 指导教师姓名、职称：龙永红教授 学 科 专 业： 电力系统及其自动化 研 究 方 向： 现代电力传动及其故障诊断 论文答辩日期 以， 5乂

2、 答辩委员会主席 抽 湖 南 工 业 大 学 二一五年六月十日 湖南工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本课 题的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：旧查 1 曰期 年 4 月， 7 曰 湖南工业大学论文版权使用授权书 本人了解湖南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分

3、内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位 论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作 者 签 名 导 师 签 名 期 年 月 /曰 摘要 卡车在停车及夜间休息时要求空调可以持续运行，电动空调在效 率和运行独立性方面优于传统机械空调，更符合卡车空调的发展需 要。目前电动空调的应用对象多为基于高压电源的纯电动或混合动力 汽车，现有低压驱动空调方案将逆变器、电机和压缩机集成化，存在 设计难度大成本高等局限。 针对电动空调系统应用于卡车存在负载大电流使得运行效率较 低和功率受限等问题，课题研究卡车 24V电源下的电动空调驱动方 案，设计 lkW空调压缩机电机控制系统。本文采用直流升压

4、变换器， 通过提高电压等级减少后级逆变器及电机损耗；采用永磁同步电机变 母线电压矢量控制方案提高运行效率。研究内容包括以下三个方面： (1) 两级 DC-DC升压变换器设计 针对卡车电源 24V供电的特 点，采用了 24V/110V的两级 DC-DC 升压方案，前级 Boost升压电路输出稳压 48V， 后级全桥隔离变换器 进一步升高电压并实现高低压侧电气隔禺。 (2) 变母线电压下永磁同步电机驱动器设计 针对压缩机主要工作在低转速工况下的特点，采用了变母线电压 的矢量控制方案，减少功率在 DC-DC变换器上的损耗，同时改善逆 变器输出电压质量。 (3) 卡车空调系统半实物仿真的建立 利用 M

5、atlab建立了卡车空调系统的仿真模型；在利用 Matlab与 DSP的实时数据交换 （ RTDX)实现电机转速实时控制的基础上，建 立了基于 Matlab GUI的卡车空调半实物仿真平台。 论文在方案设计的基础上，对直流升压模块及电机驱动器进行了 样机制作以及实验验证，其中直流升压模块在 20%额定负载时测试效 率约为79%，电机控制器实现了变母线电压控制，提高了电压利用率。 最后，通过仿真对比了几种重型车辆工况下的温度控制效果，结果表 明电驱动空调系统相对于传统空调具有运行独立性、效率较高等优 势。 关键词：卡车电动空调，两级升压变换器，电机驱动器 ABSTRACT It is requi

6、red that the truck air-conditioner be capable of mnning continually when parking or rest at night. Electric powered air-conditioner fits the trends of truck demands due to its advantages in efficiency and independence of mnning comparing with the traditional mechanical drive air-conditioner. Current

7、ly , the Electric powered air-conditioner is primarily designed for all-electric or hybrid vehicles which based on high voltage power supply, while there is a limit to the air-conditioner of low voltage drive for its high cost and hard to design for integration of the inverter, motor and compressor.

8、 Aiming at the problem of low operation efficiency and power restriction caused by large load current in the application of the electric powered air-conditioner system for truck, in this project, A drive scheme of electric powered air-conditioner is studied based on 24V power supply and a lkW motor

9、control system of the air-conditioner compressor is designed. In this paper, the DC-DC converter is adopted to lift the voltage level and subsequently reduce the loss of the inverter and motor; a vector control scheme of Permanent Magnet Synchronous Motor based on changing DC bus voltage is adopted

10、to improve operating efficiency. The study includes the following three aspects: (1) Design of two stage step-up DC-DC converter A two stage step-up DC-DC converter is adopted to the application with the 24V power supply, the first stage for Boost converter to keep a constant 48V output, the second

11、stage for foil-bridge isolated converter by the purpose of fiirther boost of voltage and isolation of high and low side of voltage. (2) Design of Permanent Magnet Synchronous Motor driver based on changing DC bus voltage Since the compressor mainly worked in low speed condition, a vector control sch

12、eme based on changing DC bus voltage is adopted to reduce the loss in DC-DC converter and, in the meanwhile, improve quality of output voltage in inverter. (3) The establishment of semi-physical simulation system for the truck air-conditioner The simulation model of the truck air-conditioner was est

13、ablished by Matlab; the semi-physical simulation platform based on Matlab GUI is built after the realization of the real-time control of the motor speed by using real time data exchange (RTDX) of Matlab and DSP- Based on the scheme design, a DC-DC converter and motor driver is manufactured and prece

14、ded by experimental verification. The result show that the test efficiency of the DC-DC converter is about 79% at the rated load of 20% and the voltage utilization ratio is improved through the realization of the control of bus voltage. At last, a simulation of temperature control effect under varie

15、d work status of heavy vehicles is conducted. The results show that the electric powered air-conditioner system has a higher independence of mmiing and efficiency compared to the traditional air-conditioner. Key words: Truck electric powered air-conditioner, Step-up DC-DC converter, Motor driver 目录

16、m . i ABSTRACT . II m-M . i i.i研究背景与意义 . i 1.2国内外研究现状 . 2 1.2.1卡车空调研究现状 . 2 1.2.2汽车电动空调研究现状 . 3 1.3电动空调应用于卡车存在的问题 . 7 1.4论文研究内容与章节构成 . 7 第二章卡车空调系统总体方案设计 . 10 2.1卡车空调驱动方案 . 10 2.1.1传统车用空调系统 . 10 2.1.2卡车空调驱动方案比较 . 11 2.2卡车空调电气系统方案 . 12 2.2.1卡车电动空调运行工况 . 12 2.2.2压缩机电机选型 . 12 2.2.3卡车空调电气系统方案比较 . 14 2 .

17、3 吉 . 15 第三章 DC-DC升压变换器设计 . 16 3.1DC-DC变换器主电路设计 . 16 3.1.1 DC-DC变换器拓扑结构比较 . 16 3.1.2主电路拓扑选择 . 17 3.2DC-DC变换器主要参数计算 . 18 3.2.1 Boost变换器参数计算 . 18 3.2.2 DC-DC变换器开关管选择 . 19 3.2.3吸收电路参数计算 . 19 3.2.4输出滤波电路参数计算 . 20 3.3 DC-DC变换器控制电路设计 . 20 3.3.1控制模式选择 . 20 3.3.2 Boost控制电路设计 . 22 3.3.3全桥隔离升压电路控制电路设计 . 23 3.

18、4实验结果 . 23 3.4.1变换器调试 . 23 3.4.2变换器常规项目测试 . 25 3.5小结 . 28 第四章永磁同步电机驱动器设计 . 29 4.1永磁同步电机矢量控制系统 . 29 4.1.1变直流母线电压控制 . 29 4.1.2永磁同步电机矢量控制 . 30 4.2逆变器设计 . 31 4.2.1逆变器主电路及驱动电路 . 31 4.2.2电流采样 . 32 4.2.3编码器电路设计 . 32 4.2.4逆变器驱动 DSP控制软件设计 . 33 4.3实验结果 . 34 4.3.1电机驱动器调试 . 34 4.3.2逆变器与 DC-DC变换器联合调试 . 37 4.4小结

19、. 40 第五章卡车空调系统仿真 . 41 5.1空调系统模型的建立 . 41 5.1.1不同工况下热负荷计算 . 41 5.1.2空调模糊控制设计 . 42 5.2空调仿真模型的建立 . 43 5.2.1Matlab与 DSP实时数据交换 （ RTDX)的建立 . 43 5.2.2空调系统控制模型及 GUI设计 . 45 5.3空调系统仿真结果 . 46 5.4小结 . 48 第六章总结与展望 . 49 . 50 攻读学位期间主要的研究成果 . 53 猶 . 55 V 硕士学位论文 第一章绪论 1.1研究背景与意义 卡车是世界上最重要货物运输工具之一，随着社会的发展，人们对于卡车使 用的舒适

20、性、环保性以及运营经济性提出了更高的要求。卡车驾驶室不仅是卡车 驾驶员的驾驶工作场所，更是一种家居生活场所，以长途货物运输为主的重型卡 车更被称为 “ 移动之家 ” 1。卡车空调系统的稳定运行不仅可以提供舒适的驾驶 环境，提高驾驶安全性能，减少交通事故，对于卡车司机而言更是创造舒适休闲 环境和良好生活品质的重要保证。 目前传统卡车空调压缩机由发动机直接带动，压缩机转速随着发动机行驶工 况的变化而大范围变动。首先，发动机由于给空调压缩机提供动力，输出功率受 到影响，使得车辆在爬坡等情形时，由于车速过低使得空调系统出现压力异常升 高，因而需要关闭空调的电磁离合器以増加输出马力。 否则由于压缩机所需

21、扭矩 増大，可能出现电磁离合器打滑，损坏传动机构，严重时会导致发动机熄火 2。 其次，压缩机转速的大范围变动而不能保持在最优转速附近，因而压缩效率低下。 在机械安装上，由发动机驱动的机械压缩机必须与发动机相连接，这使得制冷剂 的管路长而且连接点较多，冷气的管路消耗大。车辆在行驶中的不断震动颠簸导 致空调管路的可靠性降低，从而降低了空调系统整体的制冷效率。卡车发动机作 为主要的热负荷，既影响了压缩机的压缩效率，同时又由于国内基本都是平头卡 车，发动机位于驾驶室下面，其热量也容易传递到卡车驾 驶室，产生 “ 热炕头 ” 效应 3。最后，在短时停车以及夜间休息等情况下，采用传统发动机机械传动汽 车空

22、调系统的卡车必须首先启动发动机，不仅降低了燃油经济性，而且带来了较 高的震动噪声 4。 国际上节能减排法规日趋严格，美国提出的载货汽车怠速停车排放法规 限制怠速运转时间，加拿大以及欧洲国家同样对停车熄火作出相应的规定。我国 珠海珠海市环境保护条例规定在住宅、学校、机关、医院、停车场、旅游景 点等环境敏感区域停机动车须熄火 2。随着停车熄火规定的执行以及怠速熄火技 术应用，车用空调系统必须作出相应 的改变，传统发动机传动空调系统的应用受 到了制约。 以电动机为动力源的电动空调系统，打破了对发动机输出动力的依赖，在安 装位置和压缩机运转模式上都具有相对独立性，因而很好的解决了上述问题。 电动压缩机

23、电机的电源来源于蓄电池供电，而蓄电池是由车用发电机发出的 1 卡车变频空调控制系统设计和研究 交流电再经整流进行充电的，因而电动压缩机经过由机械能转化为电能再转化为 机械能的过程。然而实际上与传统机械压缩机由发动机驱动的能量转化过程相 比，电动压缩机的效率要高于传统机 械压缩机，如表 1-1所示 5-6。 表 1-1传统机械式压缩机与电动式压缩机的效率比较 类型 传输效率 容积效率 其他 总和 机械式压缩机 0.95 0.40 0.75 0.29 电动压缩机 0.65 0.90 0.75 0.44 电动压缩机相对于传统机械式压缩机效率较高，主要是由于以下几方面的原 因： 压缩机效率较高。传统机

24、械空调由于发动机转速不稳定，空调系统的制冷剂 流量频繁变动引起控制压缩机离合的电磁阀不断离合控制，因而效率较低。同时 空调系统必须采用大排量压缩机来满足低转速时的制冷要求。电动空调的转速较 为稳定，在同等制冷量的要求下，电动压缩机的排量可下降约 70%7。 管路损耗较低。传统机械空调的压缩机位置靠近发动机，压缩机在高温的环 境下完成压缩过程。而空调的冷凝风机和蒸发风机又安装在卡车前段或者车室， 因而制冷剂的管路较长，这增加了冷气的消耗。而电动空调压缩机电机动力来源 于蓄电池，其安装位置更加灵活，可以采用顶置式或者分体式 8。 压缩机转速独立可控。压缩机电机转速在开机启动负荷较高时可以高速运转

25、以输出较大的制冷量，在负荷 较低时可以维持低速运转，以减少电能损耗。 电动空调系统由于其运行独立性，高效率，低损耗，低噪音等特点，符合节 能减排政策的要求，符合市场的需求。在这种背景下，对卡车电动空调进行研究 便具有重要的意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1卡车空调研究现状 目前，国内大多数燃油卡车空调系统采用的是机械压缩机，供应卡车独立空 调的生产厂家还非常有限，包括常州市龙威机电、劲达集团、山东克莱森、天津 宏亮和东莞鼎立汽车空调等，基本上产品以出口为主。 由于单独启动发动机带动空调油耗太高，国内部分卡车采用加装独立空调， 其中采用包括采用独立的柴油机驱动制冷压缩机工作的方式 9。这种

26、加装方式在 车辆发动机熄火状态时启动独立的柴油机运转，独立的柴油机除了提供空调压缩 机动力外还承担发电的任务，保证车辆空调风机以及其它电器的正常工作，蓄电 池也由独立的发电机提供电力补充。如常州市龙威机电有限公司供应的独立空调 采用单缸风冷柴油机作为动力源，其发动机启动方式包括手拉式和直流 12V电 2 硕士学位论文 启动两种。 加装的独立空调也可以是独立电动空调，目前国内卡车电动空调采用的方式 主要是顶置空调，采用的变频 24V或 12V的直流无刷电机驱动制冷压缩机工作。 同时空调的电源由加装的独立蓄电池提供电能。 山东克莱森公司研发的 24V分体式独立空调采用独立蓄电池供电驱动方式。 在卡

27、车行进过程中，发动机带动发电机向加装的蓄电池进行充电。空调制冷量可 达 2.0kw以上，功耗小于 lkW1 I D, (3-6) 湖 J 根据输出纹波电压 厶 /。 =0.24乂， 则有 Cmin=502.67 ()。 3.2.2 DC-DC变换器开关管选择 设计中 Boost电路及全桥隔离变换电路均采用了型号为 IRFB4310的 N沟道 増强型功率 MOSFET， 其基本参数为：漏 -源极击穿电压为 100V， 连续工作时， 漏极平均电流ID =97A (100 C时），漏 -源极通态阻抗 RDS(on； ) =5.6mQ。 Boost 电路续流二极管以及全桥隔离变换电路变压器二次侧全波整

28、流的整流二极管则 均采用型号为 MM80FU040的快恢复二极管，其反向耐压为 400V， 反向恢复时 间为 22到 52ns。 3.2.3吸收电路参数计算 在 DC-DC变换器中，功率开关管如果采用硬开关方式，在开通和关断过程 中会产生较大的突变电流和涌浪电压，可能造成开关管损害和电磁干扰。为了降 低电感或变压器的体积，实现轻量化，最直接的途径就是提高开关频率。然而开 关频率的提升将进一步使得开关损耗增加，降低运行效率。因此需要设计缓冲电 路来保证功率开关管安全运行并减小开关损耗。 在 Boost升压电路中采用 RCD缓冲电路，抑制关断时的电压尖峰。为满足 对尖峰电压的吸收，则有吸收电容电压

29、在 M0S管关断期间内电压能上升到 M0S 管 DS两端的电压，而在 M0S管导通时电压能基本下降为 0。 充电过程：假定吸收电容两端电压为 0,此时 M0S管关断， RC吸收电路等 效为一阶电路的零状态响应， VDS为 DS两端电压， T=RC为电路时间常数，其 中 R为二极管正向阻值与吸收电阻的并联值。则电容上的电压计算公式为： t Uc = DS (ie r ) ( 3- 7) lc Yo R (3-8) 放电过程：假定吸收电容两端电压为 VDS， 此时 MOS管关断， RC吸收电路 等效为如下图一阶电路的零输入响应，则电容上的电压计算公式为： 11 c = DS / _ DS c _

30、R (3-9) (3-10) 在电路分析时，取时间 t=5i=5RC时完成充放电。设功率管工作频率约为 50kHz，充放电过程需要在 PWM 个周期 20叫内完成，得到 RC . (3-13) A/, 其 中 为 输 出 电 压 ， （ off为一 个周期内开关管的关断时间， A/i为滤波电感的 纹波电流。 为保证电路具有较好的暂态响应特性，避免铁芯在峰值电流流过电感时达到 饱和，须满足 38: ML = u T(lD )电 40 硕士学位论文 第五章卡车空调系统仿真 为了对比空调系统在电驱动与发动机驱动两种模式下卡车车室温度控制效 果，本章将通过 Matlab建立空调系统模型，再利用 Mat

31、lab与 DSP的实时数据交 换建立半实物仿真平台，模拟卡车车室的温度控制的过程。 5.1空调系统模型的建立 5.1.1不同工况下热负荷计算 对卡车热负荷的计算主要目的在于计算所需空调制冷量的大小。在计算时， 本文驾驶室结构参数参考了文献 44中春兰载货汽车的具体参数，该车驾驶室玻 璃结构面积约为 3.3m2， 内容积达到 5m2左右。 在计算空调热负荷（单位： W)时，建立如下热平衡方程式 44_46。 Qe= QE + QB + QAi + QP + QM + QD (5-1) 式中：込为汽车总热负荷； 为通过车体维护结构进入车内的热负荷； 为通过各玻璃表面进入车内的热负荷； ， 为通过室

32、外空气带入车内的热负荷； 为车内驾驶员及乘客散发的热量； 2M为车内电器传入的热量； 2D为从动力舱传入的热量。 在计算车体热负荷时，车顶、车身侧面、车地板的传热系数均与车辆行驶 速度有关，在传热系数的计算中，汽车车体外表面与室外空气的对流换热系数按 式 5-2计算。 a0 =1.163(4 + 12) (5-2) 式中： a 为汽车车体外表面与室外空气的对流换热系数； v为汽车车速。 为计入车速对车体热负荷的影响，引入 Matlab advisor2002中几种瞬态循环 工况。其中包括：用于代表重型车辆典型城郊循环 CSHVR工况；市内区域道路 大型车辆循环NYCC工况 ;常规动力在用运输车

33、 (卡车和运输巴士 )NewYorkBUS 工况；卡车的城市复合行驶 NYCTRUCK工况 46。 上述的其他的负荷分为上述其他工况与夜间休息两种情况作一定假设，见 表 5-1。其中 T1和 T2分别表示车外温度和车内温度。 41 卡车变频空调控制系统设计和研究 表 5-1不同 工况下的车体热负荷 循环工况 夜间休息 QB 21.8*(Tl-T2)+642 21.8*(T1-T2)+100 QM 15.5*(T1-T2) 15.5*(T1-T2) QP 180 180 QM 83 30 QD 2.26*(90-T2) 0 假设所采用的压缩机单位制冷量为 107kJ/Kg， 压缩机制冷量为 6k

34、W， 输气 系数为0.64,额定转速为 3000rpm， 排量为 138ml/r， 压缩含熵曲线参考 44中数 据，计算得到压缩机单位转速下的制冷量约为： 2.0W/rpm。 对于车室的温度计算，汽车车室内空气总的热量可按理想气体定压公式计 算： Qe=lOOOmAh = lOOOpVCpAT (5-3) 式中： ge为汽车总热负荷； m为车厢内空气总质量； A 为车厢内空气焓值的变化； V为车厢总容积； p为空气密度（标准大气压下近似取为 1.2253kg/m ); 空气比热容； A r为车厢内空气温度变化率。 根据 5-3式可以求出车室温度，假设其温度响应是一个纯延迟加惯性环节 45，则可

35、以计算压缩机的制冷量与车室热负荷的差值，并经延迟加惯性环节进 行积分得到实时的车内温度值。 5.1.2空调模糊控制设计 空调的温度控制普遍采用的是模糊控制方式，模糊控制方式相对于传统 PI 调剂控制方式更能满足温度快速达到设定值而不产生较大的温度波动。电动空调 的控制对象为压缩机转速，因此模糊控制策略的设计要求空调在刚刚启动时控制 系统输出压缩机转速目标值在最大值；随着车室温度不断下降，控制系统控制压 缩机转速跟着柔和的下降；最后 a车室温度达到目标温度值范围内时，模糊控制 输出目标压缩机转速使得空调制冷 量的输出与空调热负荷达到动态平衡。另外模 糊控制系统要求在空调热负荷不断变动的情况下，控

36、制制冷量的输出能跟上其变 化而压缩机转速不发生剧烈波动 45。 本文采用 MATLAB中 fuzzy模块对空调模糊控制系统进行设计，温度隶属 度与转速隶属度均采用三角形隶属度或者梯形隶属度函数。模糊控制器为一个双 42 硕士学位论文 输入单输出的控制器 45。 模糊控制器的两个输入量分别为温差和温差变化率，温差取设定温度与车内 传感器测定的温度反馈值之差，温差变化率取车室温差的变化值，计算周期为 10s。 温差输入范围取 -1， 10，温差模糊子集取为： N， S， MS， M， MB， B。 温差变化率输入范围取 -0.5， 0.5，温差变化率模糊子集可取为： NB， NS， Z， PS,

37、PB 模糊控制器的输出量为压缩机电机的目标转速，模糊论域取为 300, 3000， 转速模糊子集可取为： Z， S， MS， M， MB， B。 模糊控制规则见表 5-2。压缩机电机转速模糊控制输出曲面如图 5-1所示。 表 5-2转速模糊控制规则表 转速 温差 N S MS M MB B 温差变 化率 NB Z Z z s MS M NS Z S s MS MS MB Z Z S MS MS M B PS Z S MS M MB B PB Z MS M MB MB B 图 5-1压缩机电机转速模糊控制输出曲面 5.2空调仿真模型的建立 5.2.1Matlab与 DSP实时数据交换 （ RTD

38、X)的建立 Matlab 在 Embedded IDE Link 中集成了 RTDX 组件，利用 Embedded IDE Lmk中提供的各种函数结合 Matlab GUI工具可以方便地编写客户端程序操作 DSP， 实现DSP与 Matlab的实时数据交换，并利用 Matlab快速分析处理数据。 43 卡车变频空调控制系统设计和研究 通过 Matlab与 CCS的连接，可以实现在 Matlab环境下对目标 DSP的存储器或 寄存器进行访问，再利用 Matlab强大的分析和可视化工具对其进行分析和可视 化。在 Matlab环境下可以对目标 DSP中的数据访问，也可以实现对 工程的编译、 链接、加

39、载运行、设置断点等功能 48_51。 本文利用 Matlab与 DSP实时数据交换 （ RTDX)， 在 DSP程序中读取电机 编码器反馈的电机转速值，然后实时将其传输到主机中。同时，通过 MATLAB 对空调负荷进行计算得到目标转速，再将目标转速值实时传输到 DSP中。的转 速给定以完成温度的闭环控制。 具体实施步骤如下： 在 DSP程序中作如下配置： 在 CMD文 件 中 需 设 置 添 加 RTDX目 标 中 断 屏 蔽 ， 其 命 令 为 ： “_ RTDX_interrupt_mask = 0x000000008 ” 。 配置 DSP源程序： 添加 RTDX头文件 “*rtdx.h ” ； 定义输入通道： “ RTDX_CreateInputChannel() ” ； 定义输出通道： “ RTDX_CreateOutputChannel()” ； RTDX读函数： “ RTDX_readNB(通道地址，变量名，变量长度 )” ； RTDX写函数 ： “ RTDX_writ