變頻空調中永磁同步電機的高性能控制

1、變頻空調中永磁同步電機的高性能控制收藏此信息打印該信息 添加：趙鐵夫 劉智超 黃立培來源：未知 1 引言隨著全世界范圍能源危機的到來，各國政府都在為經濟可持續(xù)發(fā)展的目的積極地推廣節(jié)能降耗技術。作為家庭用電的主要設備之一，傳統(tǒng)的定頻空調器由于其運行效率低下正在逐漸退出市場。新一代的變頻空調器因為具有節(jié)能效果明顯、溫度調節(jié)平穩(wěn)、整個頻率范圍內運行噪聲低等一系列優(yōu)點，因而受到市場的關注1。由于變頻器供電的特點以及壓縮機運行的特殊性，普通異步電機往往會出現(xiàn)效率低，噪聲大等問題，難以達到較好的運行性能。永磁式同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點。和異步電動機相比，它由于不需要無功

2、勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調速控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)在變頻空調中的應用也引起了廣泛關注。對于空調中的壓縮機負載，在電機轉子每旋轉一周的過程中，由于壓縮機氣缸內壓力的變化，電機的負載轉矩會周期性的波動。對于傳統(tǒng)的矢量控制方式，這樣就不可避免的產生了較大轉速波動，影響了壓縮機工作的性能。為解決上述問題，本文將無速度傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)應用到變頻空調中，以快速準確的跟蹤負載轉矩，并提出了一種q軸指令電流復合控制方法來減小轉速的波動，實現(xiàn)永磁同

3、步電機的高性能控制2。2 永磁電機與無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)2.1 永磁電機的分類和特點習慣上，根據永磁電動機轉子磁鋼幾何形狀的不同，可以分為永磁同步電動機(permanent-magnet synchronous motor，pmsm)和無刷直流電動機(brush-less dc motor，bldcm)兩種。兩者有很多相似之處，它們之間最大的區(qū)別是:當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形不同。永磁同步電機的反電勢為正弦波，而無刷直流電機為梯形波。無刷直流電機定子電流為方波，每相開通120°電角度，然后關斷60°電角度。每60°電角度有一個開關改變狀態(tài)，所以無

4、刷直流電機轉子位置檢測器是每隔60°電角度輸出一個脈沖。一般無刷直流機在每個60°的電角度內其轉子位置角是未知的，因此輸出的參考轉矩的值只能以六階梯的方式模擬負載轉矩(如圖1所示)，而不能精確的跟隨負載轉矩的變化。這樣就造成了較大轉速波動，影響了壓縮機工作的性能。圖1 壓縮機負載與無刷直流機轉矩控制方法示意圖永磁同步電機定子電流為正弦波，需要連續(xù)地檢測轉子位置。永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度，高動態(tài)性能，大范圍的速度和位置控制，從而達到變頻空調中的高性能控制的效果。2.2 無速度傳感器矢量控制方法1971年, 德國blaschke等人提出的交流電機的矢量控制方法，

5、從理論上解決了交流電動機轉矩的高性能控制問題。矢量控制的基本思想源于對直流電機的嚴格模擬。直流電機本身具有良好的解耦性, 它可以分別通過控制其電樞電流和勵磁電流來達到控制電機轉矩的目的。矢量控制的最終目的是改善電機的轉矩控制性能, 而實施仍然落實到對定子電流的控制上。矢量控制通過電機磁場定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量，分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性。該控制方法首先應用在異步電機上, 很快被移植到同步電機。事實上, 在永磁同步電機上更容易實現(xiàn)矢量控制。因為該電機在矢量控制過程中沒有感應電機中的轉差頻率電流而且控制受參數(主要是轉子參數)的影響也小。目前,矢量控制技術在永磁同步電機中得

6、到了廣泛地應用3。圖2 永磁同步電機壓縮機矢量控制系統(tǒng)框圖永磁同步電機壓縮機矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。矢量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制。永磁同步電機的電磁轉矩方程:上式中，id、iq分別為定子繞組d-q軸電流; ld、lq分別為 d-q軸電感; d、q分別為d-q軸磁鏈; r為轉子永磁磁鏈; pn為電機極對數。從上式中可以看出, 當永磁體的磁鏈和直、交軸電感確定后, 電動機的轉矩便取決于定子電流的空間矢量is=id+jiq，也就是說控制id和iq即可控制電動機的轉矩。永磁同步電機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉矩便只

7、和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。在傳統(tǒng)的永磁同步電機的控制中，為了得到轉子的精確位置和速度，最常用的方法是在轉子軸上安裝機械傳感器，但是這些傳感器增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，而且其應用受到諸如溫度、濕度和震動等條件的限制，使該系統(tǒng)不能廣泛適用于各種場合。為了克服使用傳感器給系統(tǒng)帶來的缺憾，無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)逐漸成為了研究的重點。無機械傳感器交流調速系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關電信號，通過適當的方法估計出轉子的位置和速度取代機械傳感器，以實現(xiàn)電機閉環(huán)控制。常見的轉子位置和速度的估算方法有如下幾種4:(1) 利用定子端電壓和電流直接計算的

8、方法;(2) 基于反電動勢或定子磁鏈的估算方法;(3) 模型參考自適應方法;(4) 基于各種觀測器的估算方法;(5) 高頻注入方法;(6) 人工智能理論基礎上的估算方法。3 無速度傳感器永磁同步電機在壓縮機系統(tǒng)中的應用為了研究變頻空調中永磁同步電機的控制，本文將無速度傳感器矢量控制應用到了永磁同步電機壓縮機負載系統(tǒng)中，并針對負載波動的特點，提出了減小電機轉速脈動的改進辦法。3.1 永磁同步電機壓縮機系統(tǒng)介紹本系統(tǒng)控制原理框圖如圖2所示，采用無速度傳感器矢量控制，其中勵磁電流id參考值idref0，逆變器采用空間矢量pwm調制的方法。轉速、位置辨識環(huán)節(jié)采用了一種基于反電勢的內埋式永磁同步電機轉速

9、估算方法，其基本原理是:永磁同步電機的反電勢的幅值和方向分別代表了電機的轉速和位置，根據在估算坐標系下的假設模型與真實模型之間電流的差別，估算出反電勢，從而得到含有常數ke和k的轉速和位置估算表達式5:式(1)中，em為電機的反電勢; ke是反電勢系數，t為控制周期; i、ir分別為模型電機與實際電機在假設座標下的電流之差。文獻6證明了上述轉速辨識算法的穩(wěn)定性。在恒負載運行條件下，當電機參數發(fā)生改變時，估算的速度與位置角仍然能夠收斂實際值，因此，該算法可以取代機械傳感器從而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。3.2 q軸指令電流復合控制方法在電機運行過程中，由于電機的運行狀況(如電流、溫度、濕度等)的變化，使得電

10、機的參數，包括電阻、電感、反電勢系數等都會發(fā)生變化，又由于測量時的誤差，真實電機的參數無法精確的獲得。另外，為了減少成本，還希望增加控制周期時間的長度。對于上述種種限制，在傳統(tǒng)的矢量控制中一般是通過調節(jié)控制框圖中的pi調節(jié)器的參數來使系統(tǒng)的響應滿足要求。但是對于空調中的壓縮機負載，在電機轉子每旋轉一周的過程中，由于壓縮機氣缸內壓力的變化，電機的負載轉矩會周期性的波動，通過仿真分析表明轉速和位置的辨識以及系統(tǒng)的運行性能極易受到了參數變化，尤其是q軸電感變化的影響。在這種情況下, pi參數整定的方法中的穩(wěn)定性與響應速度的矛盾就凸現(xiàn)出來: pi增益過小時, 辨識出的轉速很難跟蹤真實轉速; pi增益過

11、大, 系統(tǒng)不穩(wěn)定而出現(xiàn)振蕩。為了解決反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應速度的矛盾，本文提出了一種針對壓縮機負載的q軸指令電流復合控制的方法。由于估算的轉子位置角與實際電機位置角相差不大，而負載曲線與位置角有著較為嚴格的關系。而且系統(tǒng)采用的id=0的控制方法，因而在穩(wěn)態(tài)時，根據電機的電磁轉矩公式，在每個控制周期由估算的位置查表找到負載的轉矩大小，也就得到了需要的電磁轉矩大小，由此直接計算需要的q軸電流大小為:將計算出的q軸電流iq_ref與速度pi調節(jié)器的輸出之和作為q軸指令電流值，如圖3所示。圖4和圖5分別為q軸電感發(fā)生10%波動時，采用整定速度調節(jié)器pi參數和采用q軸指令電流復合控制方法后系統(tǒng)仿真的結果。

12、從兩者的比較效果可以看出，由于加入了q軸指令電流的前饋控制，那么大范圍變化轉矩所需的轉矩電流可以預先計算出來，這樣查表得到的電磁轉矩大小也就相當好地追蹤了負載轉矩。同時傳統(tǒng)的pi控制器可以對反饋的速度信號進行調節(jié)。這樣，穩(wěn)態(tài)時速度的波動大大減少(±5%以內)，同時系統(tǒng)估算算法不受參數的影響而能夠繼續(xù)穩(wěn)定的進行，從而改善了永磁同步電機壓縮機系統(tǒng)的性能。圖3 q軸指令電流復合控制方法圖4 q軸電感發(fā)生10%波動時，整定速度調節(jié)器pi參數后的仿真結果圖5 q軸電感發(fā)生10%波動時，采用q軸指令電流復合控制方法后的仿真結果4 結束語變頻空調器體現(xiàn)了現(xiàn)代電力電子技術和微電控制技術的應用成果，具有節(jié)能、高效、舒適的優(yōu)勢，有廣闊的發(fā)