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
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