直流變頻空調PMSM 的寬頻多策略控制技術

劉學鵬，郝曉紅，張東升

(1.中山職業技術學院 機械工程系，廣東 中山 528404;2.成都電子科技大學 機電學院，成都 610054;3.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

永磁同步電動機(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)。PMSM 不需要勵磁電流，在變頻器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因數都比較高，而且體積較之同容量的異步電動機小。采用矢量控制的PMSM 能夠實現高精度、高動態性能、寬調速范圍的速度和位置控制。PMSM已經廣泛應用在工業的各個領域:數控機床，機器人，過程控制等。

使用永磁同步電機的直流變頻空調，采用轉子磁場定向的矢量控制，能隨負荷變化而調節冷氣輸出，進行溫度控制。具有溫度差精度高(0.5 度)、頻率范圍廣(30 ～100 Hz)、節能效果明顯(節能20% ～50%)的特點［1-11］。

直流變頻空調的發展逐漸向寬頻發展，既是提高節能的大勢趨勢，也是對技術的更高層次要求。變頻空調的矢量控制需要對轉子的定位高精度要求，這就對低頻技術提出了挑戰:低頻下的反電動勢混雜于噪音信號中，同時也對系統的振動帶來不小的沖擊。高頻下通常采用弱磁技術提高運行頻率，但是弱磁技術和功率控制頻率結合點不是非常吻合。針對初始相位切入點和高頻控制轉換切入點，提出了基因控制，采用多策略控制方案，最后實驗進行了論證。

1 直流變頻空調電機的數學模型

各個參數的物理意義如下:

id，iq分別為d 軸和q 軸的定子電流;vd，vq分別為d 軸和q 軸的端電壓;φa為磁通量;r 分別為定子電阻;Ld，Lq分別為d 軸和q 軸的自感;p 為微分因子;Pn為電機極對數。

矢量控制原理圖如圖1 所示，采用雙閉環控制，2 相和3相坐標變換，單電阻檢測技術，同時結合位置預估技術，PI 控制技術，實現變頻控制目的。

圖1 控制結構圖

2 低頻技術

變頻空調電機頻率向下拓展至20 Hz，可以減少空調系統的開關機次數，避免對電網的沖擊，降低空調電器的能耗。伴隨著頻率的減低，系統出現不穩定情況，表現在振動和噪音偏大，特別是電源的初始相位切入角難控制。低頻控制采用轉矩補償控制技術，圖2 是在轉矩補償技術作用下3 相電流波形圖，具體參數為轉矩常數為0.378，額定電流12 A 。K代表低頻下轉矩的權值，K 為0 代表轉矩峰值最大，K 為1 代表轉矩峰值為最小。橫坐標為相位角，縱坐標為三相電流的有效值。從圖2 中可以得出初始相位角的確定與負荷有一定的聯系。

圖2 不同相位角不同轉矩負荷下的電流波形

3 高頻技術

變頻空調電機工作頻率如果超過一定值，永磁體提供磁通量無法滿足要求，此時需要采用弱磁技術拓寬工作頻率，確定最大轉矩技術和弱磁技術的銜接一般采用臨界頻率值。圖3 中，電壓限制曲線隨頻率的變換而逐漸減小，電流限制曲線是一個以原點為中心的圓。最大轉矩電流曲線是低頻下的約束條件。電流限制曲線和電壓限制曲線是高頻下的約束條件，在高低頻轉換過程中，約束調節如圖會逐漸過渡，因此過渡階段的不穩定也將導致系統振動和不穩定。

圖3 控制軌跡

4 基因控制方法

無論低頻還是高頻主要是對電流的控制，下面將主要對電流算法進行討論首先確定免疫算法的編碼字符集［6］:設基因系統有N 個抗體，每個抗體有m 個基因(圖4)。根據信息熵原理，第j 個信息熵定義如下:Pij是j 個基因i 字符的概率。

變異采用平均信息熵得到:

抗體與抗原的關系視為親和力。抗原抗體結合強，則抗體親和力強。抗體親和力強則表明抗體關系密切。抗體濃度代表在整個抗體族群中同類抗體的比例。在基因反應過程中，高濃度抗體、低親和力抗原免疫將會被抑制，相反，低濃度抗體、高親和力免疫會促進提高。抗體i 和抗體j 之間的親和力定義如下:

第i 個抗體的濃度:

一般取常數θ 為0.8 ～1 之間。抗體i 和抗原之間的親和力:

ti是抗原和抗體i 匹配系數。

在本文基因算法中，目標函數定義:

其中:eov為電流超調量;ts為調整時間;e2為誤差平方;K1，K2，K3為加權系數。

具體算法如圖5 所示，實現步驟如下:

1)抗原識別，目標函數和限制約束作為抗原。

2)初始抗體。初始記憶細胞來自一般工程調節，整合初始簇群，產生抗體，抗體的數量為n。

3)親和力根據式(4)、式(6)，可以計算抗原和抗體的親和力。

4)更新記憶細胞。有高抗原親和力的抗體加入到記憶細胞。由于記憶細胞容量有限，新的抗體將取代舊的抗體，這樣族群中將只剩下高親和力的抗體。

5)抗體的促進和抑制。抗體的濃度由式(5)得到。選擇抗體的標準由抗體親和力和濃度因子組成:

參數a 從0 ～1 變化。這樣高親和力抗體得到促進，高濃度抗體得到抑制。上面方程保障的抗體種群的多樣性。

6)變異和交叉。對抗體種群經過交叉和變異操作得到新種群。

7)判別終止條件。重復計算的次數為10 次。

圖4 抗體數據庫結構

5 實驗和結論

實驗采用1.5 Hp 的空調系統，PMSM 電機參數:轉矩常數為0.378，額定電流12 A，額定轉矩為TR:4.536 Nm。J:慣性0.000 959 kg·m2，測得電機最惡劣噪音性能如圖6。在72 Hz 和53 Hz 的波形圖如圖7 和圖8。圖中測的為電子頻率，實際機械頻率為一半值。從上面的圖形可以看出，系統的噪音在55 dB 以下，電流波形較平滑。

圖5 算法流程

圖6 振動圖

圖7 72 Hz 波形圖

圖8 53 波形圖

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