淺談變頻空調壓縮機驅動控制技術

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，節能減排成為主旋律。在大幅增長的居民家電耗能，空調用電占比急速攀升。迫于電力日益緊張，人們觀念轉變，傳統定頻空調逐漸被高效節能的變頻空調取代。對變頻空調室外機用永磁同步電機壓縮機驅動控制技術逐步發展為主流。

1 變頻空調系統構成和特點

1.1 構成

變頻空調系統分3部分：遙控器、室內機、室外機。室內機負責接收遙控信號，檢測室內溫度，控制風機轉速，并向室外機發送通訊指令。室外機負責檢測室外環境、盤管溫度，驅動壓縮機，并調節室外風機工作方式、轉速，根據制冷、制熱、除霜、除濕等模式控制各類閥門（四通閥、電子膨脹閥）開啟和關閉，以及進行各類電氣上過流、過壓保護，確保空調正常運行。

1.2 特點

相比傳統空調，變頻空調有3大特點。（1）啟動后可快速達到設定溫度。（2）溫度控制平順。（3）對電源電壓干擾小。傳統空調啟動時電流為額定電流4-7倍，容易對電源電網造成干擾。變頻空調一般以低頻啟動，再逐步提高運行頻率，啟動階段電流較小，從而降低對電網的干擾。

2 壓縮機驅動控制技術

2.1 驅動控制

變頻空調壓縮機主要為永磁同步電機，2種驅動控制技術較常見，即：直接轉矩控制和矢量控制。

直接轉矩控制（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矩控制方案奠定了直接轉矩控制應用于永磁同步電機的理論基礎[2]。

直接轉矩控制，以對定子磁鏈的估算作為磁場定向，最終實現對定子磁鏈和轉矩的直接控制。直接轉矩控制的優點表現在：除定子電阻外的其余電機參數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，更利于實現無速度傳感器控制。直接轉矩控制缺點在于逆變器開關頻率不固定，轉矩及電流波動較大，另外需要較高的采用頻率實現數字化控制。

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將理論進行了系統化，并發表專利，從而奠定了矢量控制的理論基礎[3]。

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

在不同的應用場合，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，忽略了磁阻轉矩的作用，使得單位電流下電磁轉矩不是最大；電機只能在額定轉速以下工作。

最大電磁轉矩/電流比控制策略（Maximum Torque per ，簡稱MTPA）也稱單位電流電磁轉矩最大控制策略。當定子電流一定時，使電機輸出轉矩最大或當輸出轉矩一定時，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，電樞反應起去磁作用，這種單位電流電磁轉矩最大控制策略是以削弱轉子勵磁磁場，提高電機功率因素方法來提高單位電流電磁轉矩的，即弱磁控制方式，可以擴大調速范圍。如果Ld＞Lq，直軸電樞電流分量大于0，電樞反應起助磁作用，這種單位電流電磁轉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矩的。

弱磁控制常應用于內置式永磁同步電機控制。對轉子而言，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。

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矩，定子電流與轉子磁極需保持垂直，故必須精確獲取轉子位置。在變頻空調壓縮機中，永磁電機處于封閉的環境中，溫度超過120℃，且壓縮機內部充滿強腐蝕性高壓制冷劑，無法直接利用傳感器檢測轉子的位置，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、鎖相環等方式。

擴展卡爾曼濾波法采取最優估計原理中最小均方差來估算系統狀態變量。該算法有較好的實時性、動態性能和抗干擾能力，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計參數，達到消除隨機的系統和測量噪聲的目的。對這些參數的分析和確定非常困難。

滑模觀測器根據α-β坐標系下電壓方程建立觀測器，并將滑模變結構技術應用在觀測器的控制回路中，使系統抗負載及參數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，通過不同控制結構間的高頻切換，產生滑動模態，使系統狀態軌跡最終收斂到切換面上的穩定點。該算法簡單易實現且魯棒性高，但由于滑模變結構具有不連續的bang-pang控制特性，使得系統會產生高頻“抖振”現象，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，且需要持續高頻激勵，從而實現在電機全速度范圍內進行轉子位置檢測。該算法缺點是無法在隱極式永磁同步電機中應用。

2.3 轉矩補償

變頻空調壓縮機有3種類型結構，即單轉子、雙轉子和渦旋式。受成本影響，壓縮機通常選擇單轉子結構。在低頻運行時，由于轉子的不平衡性，容易導致連接壓縮機盤管產生大幅度振動，該周期性的低頻振動會在室外整機管路和系統間產生共振，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，速度環較慢，轉速PI調節形成的參考轉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定于預設轉速下，在沒有加入轉矩補償時，先計算出負載力矩與轉速波動的相對偏移相位角度。在參考轉矩電流上疊加一個與當前壓縮機轉速周期相同的轉矩補償分量，該分量決定了轉矩補償量的大小。不同的轉速下，轉矩補償分量幅值大小是不同的，可以根據參考轉矩電流大小按照一定比例選擇轉矩補償分量幅值，具體比例系數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

隨著家用空調能效等級新國標《轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能源效率等級》出臺及實施，國內越來越多的空調器生產廠家將重點轉移至變頻空調。近年來，微電子技術、模糊控制技術、神經網絡技術和電力電子技術迅猛進步，未來變頻空調產品及壓縮機驅動技術一定會朝著高度集成化、智能化和模塊化方向發展。

[1]張劍,溫旭輝,劉鈞.一種基于DSP的PMSM轉子位置及轉速估計新方法[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.