变频空调中永磁同步电机的高性能控制

变频空调中永磁同步电机的高性能控制收藏此信息打印该信息 添加：赵铁夫 刘智超 黄立培来源：未知 1 引言随着全世界范围能源危机的到来，各国政府都在为经济可持续发展的目的积极地推广节能降耗技术。作为家庭用电的主要设备之一，传统的定频空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场。新一代的变频空调器因为具有节能效果明显、温度调节平稳、整个频率范围内运行噪声低等一系列优点，因而受到市场的关注1。由于变频器供电的特点以及压缩机运行的特殊性，普通异步电机往往会出现效率低，噪声大等问题，难以达到较好的运行性能。永磁式同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速控制，因此永磁同步电机矢量控制系统在变频空调中的应用也引起了广泛关注。对于空调中的压缩机负载，在电机转子每旋转一周的过程中，由于压缩机气缸内压力的变化，电机的负载转矩会周期性的波动。对于传统的矢量控制方式，这样就不可避免的产生了较大转速波动，影响了压缩机工作的性能。为解决上述问题，本文将无速度传感器永磁同步电机矢量控制系统应用到变频空调中，以快速准确的跟踪负载转矩，并提出了一种q轴指令电流复合控制方法来减小转速的波动，实现永磁同步电机的高性能控制2。2 永磁电机与无速度传感器矢量控制系统2.1 永磁电机的分类和特点习惯上，根据永磁电动机转子磁钢几何形状的不同，可以分为永磁同步电动机(permanent-magnet synchronous motor，pmsm)和无刷直流电动机(brush-less dc motor，bldcm)两种。两者有很多相似之处，它们之间最大的区别是:当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形不同。永磁同步电机的反电势为正弦波，而无刷直流电机为梯形波。无刷直流电机定子电流为方波，每相开通120°电角度，然后关断60°电角度。每60°电角度有一个开关改变状态，所以无刷直流电机转子位置检测器是每隔60°电角度输出一个脉冲。一般无刷直流机在每个60°的电角度内其转子位置角是未知的，因此输出的参考转矩的值只能以六阶梯的方式模拟负载转矩(如图1所示)，而不能精确的跟随负载转矩的变化。这样就造成了较大转速波动，影响了压缩机工作的性能。图1 压缩机负载与无刷直流机转矩控制方法示意图永磁同步电机定子电流为正弦波，需要连续地检测转子位置。永磁同步电机的矢量控制系统可以实现高精度，高动态性能，大范围的速度和位置控制，从而达到变频空调中的高性能控制的效果。2.2 无速度传感器矢量控制方法1971年, 德国blaschke等人提出的交流电机的矢量控制方法，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的解耦性, 它可以分别通过控制其电枢电流和励磁电流来达到控制电机转矩的目的。矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能, 而实施仍然落实到对定子电流的控制上。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。该控制方法首先应用在异步电机上, 很快被移植到同步电机。事实上, 在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。因为该电机在矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。目前,矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用3。图2 永磁同步电机压缩机矢量控制系统框图永磁同步电机压缩机矢量控制系统框图如图2所示。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。永磁同步电机的电磁转矩方程:上式中，id、iq分别为定子绕组d-q轴电流; ld、lq分别为 d-q轴电感; d、q分别为d-q轴磁链; r为转子永磁磁链; pn为电机极对数。从上式中可以看出, 当永磁体的磁链和直、交轴电感确定后, 电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量is=id+jiq，也就是说控制id和iq即可控制电动机的转矩。永磁同步电机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。在传统的永磁同步电机的控制中，为了得到转子的精确位置和速度，最常用的方法是在转子轴上安装机械传感器，但是这些传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性，而且其应用受到诸如温度、湿度和震动等条件的限制，使该系统不能广泛适用于各种场合。为了克服使用传感器给系统带来的缺憾，无速度传感器永磁同步电机控制系统逐渐成为了研究的重点。无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适当的方法估计出转子的位置和速度取代机械传感器，以实现电机闭环控制。常见的转子位置和速度的估算方法有如下几种4:(1) 利用定子端电压和电流直接计算的方法;(2) 基于反电动势或定子磁链的估算方法;(3) 模型参考自适应方法;(4) 基于各种观测器的估算方法;(5) 高频注入方法;(6) 人工智能理论基础上的估算方法。3 无速度传感器永磁同步电机在压缩机系统中的应用为了研究变频空调中永磁同步电机的控制，本文将无速度传感器矢量控制应用到了永磁同步电机压缩机负载系统中，并针对负载波动的特点，提出了减小电机转速脉动的改进办法。3.1 永磁同步电机压缩机系统介绍本系统控制原理框图如图2所示，采用无速度传感器矢量控制，其中励磁电流id参考值idref0，逆变器采用空间矢量pwm调制的方法。转速、位置辨识环节采用了一种基于反电势的内埋式永磁同步电机转速估算方法，其基本原理是:永磁同步电机的反电势的幅值和方向分别代表了电机的转速和位置，根据在估算坐标系下的假设模型与真实模型之间电流的差别，估算出反电势，从而得到含有常数ke和k的转速和位置估算表达式5:式(1)中，em为电机的反电势; ke是反电势系数，t为控制周期; i、ir分别为模型电机与实际电机在假设座标下的电流之差。文献6证明了上述转速辨识算法的稳定性。在恒负载运行条件下，当电机参数发生改变时，估算的速度与位置角仍然能够收敛实际值，因此，该算法可以取代机械传感器从而实现系统的控制。3.2 q轴指令电流复合控制方法在电机运行过程中，由于电机的运行状况(如电流、温度、湿度等)的变化，使得电机的参数，包括电阻、电感、反电势系数等都会发生变化，又由于测量时的误差，真实电机的参数无法精确的获得。另外，为了减少成本，还希望增加控制周期时间的长度。对于上述种种限制，在传统的矢量控制中一般是通过调节控制框图中的pi调节器的参数来使系统的响应满足要求。但是对于空调中的压缩机负载，在电机转子每旋转一周的过程中，由于压缩机气缸内压力的变化，电机的负载转矩会周期性的波动，通过仿真分析表明转速和位置的辨识以及系统的运行性能极易受到了参数变化，尤其是q轴电感变化的影响。在这种情况下, pi参数整定的方法中的稳定性与响应速度的矛盾就凸现出来: pi增益过小时, 辨识出的转速很难跟踪真实转速; pi增益过大, 系统不稳定而出现振荡。为了解决反馈系统稳定性与响应速度的矛盾，本文提出了一种针对压缩机负载的q轴指令电流复合控制的方法。由于估算的转子位置角与实际电机位置角相差不大，而负载曲线与位置角有着较为严格的关系。而且系统采用的id=0的控制方法，因而在稳态时，根据电机的电磁转矩公式，在每个控制周期由估算的位置查表找到负载的转矩大小，也就得到了需要的电磁转矩大小，由此直接计算需要的q轴电流大小为:将计算出的q轴电流iq_ref与速度pi调节器的输出之和作为q轴指令电流值，如图3所示。图4和图5分别为q轴电感发生10%波动时，采用整定速度调节器pi参数和采用q轴指令电流复合控制方法后系统仿真的结果。从两者的比较效果可以看出，由于加入了q轴指令电流的前馈控制，那么大范围变化转矩所需的转矩电流可以预先计算出来，这样查表得到的电磁转矩大小也就相当好地追踪了负载转矩。同时传统的pi控制器可以对反馈的速度信号进行调节。这样，稳态时速度的波动大大减少(±5%以内)，同时系统估算算法不受参数的影响而能够继续稳定的进行，从而改善了永磁同步电机压缩机系统的性能。图3 q轴指令电流复合控制方法图4 q轴电感发生10%波动时，整定速度调节器pi参数后的仿真结果图5 q轴电感发生10%波动时，采用q轴指令电流复合控制方法后的仿真结果4 结束语变频空调器体现了现代电力电子技术和微电控制技术的应用成果，具有节能、高效、舒适的优势，有广阔的发展前景。本文将无速度传感器永磁同步机控制系统应用于空调压缩机中，针对压缩机周期性脉动负载转矩的控制方法展开研究，提出了一种q轴指令电流复合控制的办法，通过估算的转子位置实时地计算转矩电流，并结合pi调节器对系统进行控制。仿真结果表明，该方法有效地解决了传统的pi调节器参数整定时存在的矛盾，保证了估算算法稳定运行，并抑制了速度的大范围波动，实现了变频空调中永磁同步机的高性能控制。