淺談變頻空調(diào)壓縮機驅(qū)動控制技術(shù)

徐 暉,闕步軍,黃華東

（1.杭州士蘭微電子股份有限公司; 2.杭州宇視科技有限公司; 3.林德工程(杭州)有限公司,杭州310012）

0 前言

隨著能源日益匱乏，節(jié)能減排成為主旋律。在大幅增長的居民家電耗能，空調(diào)用電占比急速攀升。迫于電力日益緊張，人們觀念轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)定頻空調(diào)逐漸被高效節(jié)能的變頻空調(diào)取代。對變頻空調(diào)室外機用永磁同步電機壓縮機驅(qū)動控制技術(shù)逐步發(fā)展為主流。

1 變頻空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成和特點

1.1 構(gòu)成

變頻空調(diào)系統(tǒng)分3部分：遙控器、室內(nèi)機、室外機。室內(nèi)機負責接收遙控信號，檢測室內(nèi)溫度，控制風機轉(zhuǎn)速，并向室外機發(fā)送通訊指令。室外機負責檢測室外環(huán)境、盤管溫度，驅(qū)動壓縮機，并調(diào)節(jié)室外風機工作方式、轉(zhuǎn)速，根據(jù)制冷、制熱、除霜、除濕等模式控制各類閥門（四通閥、電子膨脹閥）開啟和關(guān)閉，以及進行各類電氣上過流、過壓保護，確保空調(diào)正常運行。

1.2 特點

相比傳統(tǒng)空調(diào)，變頻空調(diào)有3大特點。（1）啟動后可快速達到設(shè)定溫度。（2）溫度控制平順。（3）對電源電壓干擾小。傳統(tǒng)空調(diào)啟動時電流為額定電流4-7倍，容易對電源電網(wǎng)造成干擾。變頻空調(diào)一般以低頻啟動，再逐步提高運行頻率，啟動階段電流較小，從而降低對電網(wǎng)的干擾。

2 壓縮機驅(qū)動控制技術(shù)

2.1 驅(qū)動控制

變頻空調(diào)壓縮機主要為永磁同步電機，2種驅(qū)動控制技術(shù)較常見，即：直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Contro，即DTC）是德國魯爾大學M.DePenbrock教授和日本學者I.Takahashi在1985年提出[1]。澳大利亞的L ZHONG, M FRahman和胡育文教授提出基于永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制方案奠定了直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于永磁同步電機的理論基礎(chǔ)[2]。

直接轉(zhuǎn)矩控制，以對定子磁鏈的估算作為磁場定向，最終實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點表現(xiàn)在：除定子電阻外的其余電機參數(shù)在某些擾動作用下仍能保持基本不變的性能，通過加入磁鏈觀測器對同步速度信息的估算較方便，更利于實現(xiàn)無速度傳感器控制。直接轉(zhuǎn)矩控制缺點在于逆變器開關(guān)頻率不固定，轉(zhuǎn)矩及電流波動較大，另外需要較高的采用頻率實現(xiàn)數(shù)字化控制。

矢量控制（Field Oriented Control，即FOC）是Darmstader大學的Hasse博士1968年在一個學會論文雜志上首先提出。1971年德國西門子公司的F.Blaschke將理論進行了系統(tǒng)化，并發(fā)表專利，從而奠定了矢量控制的理論基礎(chǔ)[3]。

在磁場定向坐標系下，電流矢量分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩個相互垂直的分量，兩者分別用來產(chǎn)生磁通及轉(zhuǎn)矩，經(jīng)坐標變換后，通過正交或解耦操作可相應(yīng)對磁場及轉(zhuǎn)矩進行獨立、連續(xù)控制。

在不同的應(yīng)用場合，永磁同步電機矢量控制策略可分為3種形式：id=0控制、最大電磁轉(zhuǎn)矩/電流比控制、弱磁控制。

在id=0控制中，直軸分量恒等于0。此時等效直軸繞組開路不起作用。如不考慮定子直軸分量，僅從交軸電壓方程來看，永磁同步電機則可等效為一臺直流電機。id=0的控制策略簡單，但存在2個缺點：永磁同步電機本身氣隙磁阻不均勻，忽略了磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使得單位電流下電磁轉(zhuǎn)矩不是最大；電機只能在額定轉(zhuǎn)速以下工作。

最大電磁轉(zhuǎn)矩/電流比控制策略（Maximum Torque per ，簡稱MTPA）也稱單位電流電磁轉(zhuǎn)矩最大控制策略。當定子電流一定時，使電機輸出轉(zhuǎn)矩最大或當輸出轉(zhuǎn)矩一定時，定子電流最小。對于Ld=Lq的隱極式永磁同步電機而言，MTPA與id=0控制策略完全一樣。而對于Ld≠Lq的凸極同步電機來說，如果Ld＜Lq，直軸電樞電流分量小于0，電樞反應(yīng)起去磁作用，這種單位電流電磁轉(zhuǎn)矩最大控制策略是以削弱轉(zhuǎn)子勵磁磁場，提高電機功率因素方法來提高單位電流電磁轉(zhuǎn)矩的，即弱磁控制方式，可以擴大調(diào)速范圍。如果Ld＞Lq，直軸電樞電流分量大于0，電樞反應(yīng)起助磁作用，這種單位電流電磁轉(zhuǎn)矩最大的控制策略是以增強勵磁磁場，提高電機功率因素來提高電流電磁轉(zhuǎn)矩的。

弱磁控制常應(yīng)用于內(nèi)置式永磁同步電機控制。對轉(zhuǎn)子而言，定子電樞磁場一方面削弱電機的勵磁磁場，一方面其空間轉(zhuǎn)速需相對電樞繞組不斷加快。電壓達到極限時，為確保電機高速運行，需通過減小氣隙磁通得以實現(xiàn)。

2.2 位置估算

永磁同步電機變頻壓縮機中，為了獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，定子電流與轉(zhuǎn)子磁極需保持垂直，故必須精確獲取轉(zhuǎn)子位置。在變頻空調(diào)壓縮機中，永磁電機處于封閉的環(huán)境中，溫度超過120℃，且壓縮機內(nèi)部充滿強腐蝕性高壓制冷劑，無法直接利用傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，故通常采用無位置傳感器的位置估算。

常見的位置估算包括：基于磁鏈與反電動勢、基于狀態(tài)觀測器（典型有卡爾曼濾波觀測器、擴展卡爾曼濾波觀測器、龍伯格觀測器、滑模觀測器）、高頻信號注入、鎖相環(huán)等方式。

擴展卡爾曼濾波法采取最優(yōu)估計原理中最小均方差來估算系統(tǒng)狀態(tài)變量。該算法有較好的實時性、動態(tài)性能和抗干擾能力，適合在很寬的速度范圍工作。不足之處需要用到較多的誤差統(tǒng)計參數(shù)，達到消除隨機的系統(tǒng)和測量噪聲的目的。對這些參數(shù)的分析和確定非常困難。

滑模觀測器根據(jù)α-β坐標系下電壓方程建立觀測器，并將滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在觀測器的控制回路中，使系統(tǒng)抗負載及參數(shù)變化的魯棒性得到提升。在滑模觀測器中定義電流誤差為滑模切換面，通過不同控制結(jié)構(gòu)間的高頻切換，產(chǎn)生滑動模態(tài)，使系統(tǒng)狀態(tài)軌跡最終收斂到切換面上的穩(wěn)定點。該算法簡單易實現(xiàn)且魯棒性高，但由于滑模變結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)的bang-pang控制特性，使得系統(tǒng)會產(chǎn)生高頻“抖振”現(xiàn)象，實際時需要進行必要的抑制。

高頻信號注入法是一種基于凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法，其基本原理為在電機定子繞組上注入特定的高頻電壓（電流）信號，之后檢測定子繞組中包含位置信息的電流（電壓）信號，通過適當方法進行提取。該算法要求電機具有一定凸極性，且需要持續(xù)高頻激勵，從而實現(xiàn)在電機全速度范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)子位置檢測。該算法缺點是無法在隱極式永磁同步電機中應(yīng)用。

2.3 轉(zhuǎn)矩補償

變頻空調(diào)壓縮機有3種類型結(jié)構(gòu)，即單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子和渦旋式。受成本影響，壓縮機通常選擇單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在低頻運行時，由于轉(zhuǎn)子的不平衡性，容易導(dǎo)致連接壓縮機盤管產(chǎn)生大幅度振動，該周期性的低頻振動會在室外整機管路和系統(tǒng)間產(chǎn)生共振，不但會形成噪聲，嚴重時還會造成管路斷裂。

采用矢量控制方法，速度環(huán)較慢，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)形成的參考轉(zhuǎn)矩電流給定不能及時跟隨負載的波動變化。故需要在壓縮機啟動后穩(wěn)定于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速下，在沒有加入轉(zhuǎn)矩補償時，先計算出負載力矩與轉(zhuǎn)速波動的相對偏移相位角度。在參考轉(zhuǎn)矩電流上疊加一個與當前壓縮機轉(zhuǎn)速周期相同的轉(zhuǎn)矩補償分量，該分量決定了轉(zhuǎn)矩補償量的大小。不同的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩補償分量幅值大小是不同的，可以根據(jù)參考轉(zhuǎn)矩電流大小按照一定比例選擇轉(zhuǎn)矩補償分量幅值，具體比例系數(shù)是按照壓縮機在運行過程中實際振動效果通過實驗獲得的。

3 總結(jié)

隨著家用空調(diào)能效等級新國標《轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級》出臺及實施，國內(nèi)越來越多的空調(diào)器生產(chǎn)廠家將重點轉(zhuǎn)移至變頻空調(diào)。近年來，微電子技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電力電子技術(shù)迅猛進步，未來變頻空調(diào)產(chǎn)品及壓縮機驅(qū)動技術(shù)一定會朝著高度集成化、智能化和模塊化方向發(fā)展。

[1]張劍,溫旭輝,劉鈞.一種基于DSP的PMSM轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計新方法[J].中國電機工程學報,2006,26(12):144-148.

[2]G H Chen and K J Tseng, Design of a Permanent Magnet Direct-dr ive Wheel Motor Dr ive for Elect r ic Vehichle[J] , IEEE ESC’96, 23-37 June 1996, Baveno, Ttaly, pp1993-1939.