電動汽車空調電機無位置傳感器控制的實驗研究*

魏海峰,張 懿,楊 康,顧 凱

(江蘇科技大學電子信息學院， 鎮江 212003)

2016019

電動汽車空調電機無位置傳感器控制的實驗研究*

魏海峰,張 懿,楊 康,顧 凱

(江蘇科技大學電子信息學院， 鎮江 212003)

為滿足電動汽車空調的工程需求，采用一體式電機-渦旋壓縮機，研究了壓縮機中永磁同步電機無位置傳感器控制方案。該方案基于傳統的三段式驅動方法，在開環加速與轉速閉環之間，增加位置閉環的環節，以改善切換的可靠性。在閉環運行階段，采用滑模觀測器估算電機轉子位置和轉速，進行了大量樣機實驗，通過相電流、母線電流、轉速、轉矩和功率等多參數實驗結果的互相印證，驗證了控制方案的有效性和可行性。

車載空調；永磁同步電機；滑模觀測器；無傳感器運行

前言

一體式電機-渦旋壓縮機因其所具有的獨特優勢，已成為電動汽車車載空調領域的研究熱點，壓縮機電機及其控制器的設計則是其中的關鍵技術之一[1-2]。傳統的永磁同步電機驅動控制，需要光電編碼盤之類的機械傳感器來檢測轉子位置，增大了壓縮機體積和成本，降低了系統的可靠性[3-5]。據統計，電機90%的故障與位置傳感器有關。對于一體式電機-渦旋壓縮機，電機安裝空間更為有限，且壓縮機內溫度往往超過100℃，充滿了強腐蝕性的高壓制冷劑，運行環境惡劣[6]。因此，研究車載空調電機的無傳感器控制對電動汽車的技術進步和市場拓展具有積極作用。

常用的永磁同步電機無傳感器控制方法主要有3種類型：一類是基于電機理想模型的開環計算方法[7-9]，該方法計算過程簡單、動態響應迅速，但是受參數不確定性和測量噪聲影響較大，一般很少采用；另一類是利用電機凸極特性獲取位置信息的方法[10-13]，在轉速低至零時仍可實現觀測，但它局限于凸極電機，且額外引入的高頻信號會降低電機的控制性能；最后一類是基于反電動勢的觀測方法[14-17]，其本身具備出色的動靜態性能，但在低速時觀測精度不高，須在電機轉子定位并啟動運行至一定轉速后，方可投入使用，不適用于零速重載的啟動條件。考慮到空調壓縮機啟動時負載轉矩較小，約為額定負載的10%，并且對啟動過程沒有特殊要求，易于進行轉子定位，滿足基于反電動勢觀測方法的應用前提。本文中采用轉子位置滑模觀測器來觀測轉子的位置角和轉速，以實現其無傳感器驅動控制。轉子滑模觀測器是基于反電動勢觀測器的一種，具有對系統數學模型精度要求不高，對系統內部參數攝動和外部環境擾動具有較強魯棒性的特點，特別適用于電動汽車車載空調的應用場合。

本文中根據車載空調應用的工程實際，采用一體式電機-渦旋壓縮機，將滑模觀測器與電機階段式啟動運行有機結合，改進了電機的閉環切換策略，提出電動汽車空調電機無位置傳感器控制方案。在此基礎上，研制了某型號國產電動汽車的空調系統，利用搭建的實驗平臺，開展了大量實驗研究，驗證了本文中控制方案的有效性。

1 一體式電機-渦旋壓縮機

系統采用電機與渦旋壓縮機一體式設計，電機和壓縮機本體封閉在一個殼體內，因此無傳動損耗。除軸承外，沒有金屬接觸，無運動機構的摩擦磨損，機械效率高。電機通過貼合壓縮機冷端表面進行冷卻，借助冷媒循環可自行冷卻而無須外加冷卻設備。該渦旋壓縮機采用動渦輪和靜渦輪組合的動靜式結構，動、靜渦輪都由端板和從端板上伸出的漸開線型渦旋齒構成，兩者偏心配置且相差180°。壓縮機運行時，靜渦輪靜止不動，動渦輪在防轉機構的約束下，由曲柄軸帶動作偏心回轉平動。氣體由吸入口經空氣濾芯吸入靜渦輪的外圍，隨著偏心軸的旋轉，氣體在動靜渦輪嚙合所組成的若干個月牙形壓縮腔內被逐步壓縮，然后由靜渦輪中心部件的軸向孔連續排出。對于傳統內燃機汽車空調，壓縮機轉速與內燃機轉速成固定比例關系，轉速由內燃機的最低轉速和內燃機與壓縮機之間的傳動比所決定，而電動空調壓縮機的轉速可以自由調整，其范圍只與電機的調速范圍有關。

本文中采用的車載變頻空調系統由電動壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和連接管路等組成。車內溫度高時，溫度信號傳到電機控制器，控制器提高輸入永磁同步電機的頻率和電壓，使電機轉速升高，壓縮機單位時間的排氣量和空調的制冷量增加。車內溫度低時，溫度信號傳到電機控制器，控制器降低輸入電機的頻率和電壓，使電機轉速降低，壓縮機單位時間排氣量和空調的制冷量減少。電動機內置式結構使得制冷劑的泄漏大大減少，無需電磁離合器控制壓縮機運轉，噪聲降低。該壓縮機體積小，質量輕，可靠性高，安裝方便，能有效減小整車質量和體積。

2 轉子位置滑模觀測器

永磁同步電機α-β兩相坐標系下電壓平衡方程為

(1)

定義滑模面為

(2)

滑模觀測方程為

(3)

式(3)減去式(1)得電流觀測誤差的狀態方程：

(4)

系統進入滑模狀態后，有

(5)

代入式(4)，并將不連續的含有高頻成分的反電勢信號低通濾波，得其估算值為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)計算得到轉子位置角為

(8)

3 無位置傳感器的驅動控制

由本文中算法可知，滑模觀測器是通過計算反電勢相角來得到轉子位置。理論上，滑模觀測器可用于系統全速范圍內轉子位置的觀測，但在電壓和電流的實際測量中總會存在測量噪聲和測量誤差，它們必然會引起反電勢的偏差。當系統高速運行時，因電機的端電壓比較大，測量誤差和測量噪聲在整個反電勢中所占的比例相對較小，偏差量相對估算的反電勢值較小，因此電機尚能較好地運行。但是當電機低速時，端電壓很小，測量誤差和測量噪聲相對反電勢所占比例增大，漂移量相對估算的反電勢也較大，使電機低速運行性能變差，甚至根本無法運行。因此，永磁同步電機無位置傳感器驅動，須要按照電機啟動、低速和高速的不同轉速區間，研究階段式的驅動策略。

常用的電機三段式驅動方法，由開環加速階段直接進入矢量控制轉速閉環階段，同時引入轉子位置、轉速、勵磁電流和轉矩電流等多個變量的閉環控制，控制結構變化大，會引起切換的失敗。由于轉速估算和電流矢量變換的前提都在于轉子位置角度的觀測，位置閉環是其中最重要的閉環環節，也是其它閉環控制成功的基礎。本文中改進了傳統的三段式無位置傳感器驅動方法，將閉環運行階段進一步分為位置閉環和轉速閉環兩個先后步驟：開環加速之后，先將滑模觀測器得到的轉子位置閉環，完成電機的自同步運行，再進行轉速、電流的閉環控制，提高開環與閉環階段間切換的可靠性。

3.1 轉子定位

由于永磁體的存在，永磁同步電機轉子靜止時轉子磁鏈就有其隨機的空間位置，轉子定位是通過施加方向恒定的空間電壓矢量，使轉子N極定位在指定位置處。因此，本文中將逆變器兩相導通，控制電機勵磁電流為0，轉矩電流為常值，且兩者夾角為-90°，使定子產生特定方向的磁場，并保持一段時間。轉子便可轉到兩相旋轉坐標系的直軸和三相靜止坐標系的A軸重合的位置，實現轉子相位的初始化。轉子定位階段須保持足夠的電流，以產生足夠大的電磁轉矩，同時為防止電機過流，電流應控制至電機額定電流的10%～40%。

3.2 開環加速

在完成轉子定位后，則須使電機加速到能讓滑模觀測器準確估算出轉子角度的最小轉速。在開環啟動階段，采用恒壓頻比控制，通過控制逆變器電壓和頻率比值不變，保持氣隙磁鏈幅值恒定，進而達到控制電磁轉矩和電機轉速的目的。為了讓永磁同步電機不產生失步現象，則須保證升頻升壓曲線盡量和電機自身的壓頻曲線一致。由于變頻空調系統本身設有自動過流保護的功能，因此，頻率設定必須通過給定積分算法產生升速信號，升速的積分時間可根據溫控模式的需要進行選擇。

3.3 閉環運行

傳統的永磁同步電機無傳感器控制，是在開環加速后直接切換至轉速閉環，由于控制結構變化大，會發生切換失敗的情況。針對這一問題，本文中將閉環階段進一步分為位置閉環和轉速閉環兩個步驟，在位置閉環完成之后，再進行轉速閉環控制，提升了閉環切換的可靠性。

3.3.1 位置閉環

隨著電機的啟動，轉速逐漸上升，電機的反電勢也被建立起來，用于轉子位置估計的有用信息可從反電動勢中分離出來，則可利用滑模觀測器進行估算。此時，先啟動滑模觀測器進行轉子位置的開環預估計，使估算誤差減小。在經歷幾個電周期待角度估算穩定后，將轉子位置信號的來源由開環的外同步信號轉換到滑模觀測器的轉子位置觀測信號，實現電機的自同步運行。定子繞組產生的旋轉磁場位置由永磁轉子的位置決定，自動地維持與轉子磁場90°的夾角，可使單位轉矩電流產生的電磁轉矩較大。

3.3.2 轉速閉環

位置閉環運行時，將所得轉子位置角對時間求導即可計算得出轉速。當電機轉速升至1 000r/min時，進入矢量控制轉速閉環階段。矢量控制是對電機勵磁電流和轉矩電流相位及幅值的控制，也即將對電機轉矩的控制，落實到對定子電流的控制上。只要保證勵磁電流為0，使定子電流產生的電樞磁動勢與轉子勵磁磁場間的角度為90°，即保持正交，就能保證電機的電磁轉矩與轉矩電流成正比。由于無需勵磁電流，勵磁損耗為0，銅耗亦隨之減小，有助于提升空調運行效率。矢量控制使電機的轉速根據空調制冷量的需要而連續變化，實現壓縮機制冷量連續可調的變頻控制。

圖1給出了基于滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器矢量控制系統框圖，圖中d和q表示電機同步旋轉坐標系下的d-q坐標軸。

圖1 采用滑模觀測器的矢量控制系統框圖

4 實驗研究

圖2 車載空調樣機

采用ZC系列磁滯測功機構建了車載空調永磁同步電機實驗平臺。磁滯測功機由帶齒極定子、空心磁滯杯轉子、激磁線圈、支架和底板等組成，當磁滯測功機內部線圈通過電流時產生磁力線，并形成磁回路而產生轉矩，改變勵磁電流即可改變負載力矩。實驗平臺具有手動、定點、自動測試方式，負載可根據設置自動加載，掃描出電機從空載到堵轉的特性曲線。電機測試數據可以用報表或曲線方式顯示或打印，并可保存和查看；顯示曲線時，可以修改曲線坐標參數和橫坐標、縱坐標的選擇。多臺電機的測試曲線可以在同一界面下比較，曲線坐標值、曲線縱坐標和橫坐標可以修改，系統可進行帶負載耐久實驗，遇到電機不正常時自動報警并停止實驗。圖2為車載空調樣機，壓縮機具體參數如下：排氣量為34cm3/r，蓄電池電壓為312V，母線電流為9.1A，極對數為3，噪聲為76dB，凈質量為6.4kg，制冷量為5.60kW(6 000r/min)，輸入功率為2.85kW(6 000r/min)，性能系數(COP)為1.95(6 000r/min)。

采用提出的無位置傳感器控制策略，開展了電機定位啟動實驗、運行實驗和高速重載實驗，對控制方案的可行性和有效性進行了分析研究。

4.1 定位啟動實驗

圖3為電機定位啟動實驗的相電流波形圖。由該圖可以看出，轉子定位初始時刻沖擊電流達到5A，定位時間持續1.2s，隨后電機啟動運行，相電流呈現出正弦波形。實驗過程中，轉子定位時，伴隨著“咔”的輕響，可觀察到電機轉子被迅速拉至定位位置。隨后，電機開始啟動，并逐漸加速，進入開環運行階段。圖3說明本文中驅動控制策略能完成電機的定位和啟動，定位沖擊電流可控，可順利進入開環加速階段。

圖3 定位啟動時的相電流波形

圖4～圖6分別為無傳感器驅動下的電機相電流波形、母線電流-轉速曲線和轉速-時間曲線。圖4～圖6為同一實驗測得，可從不同側面相互印證控制策略的性能。特別是圖5，從轉速和直流母線電流兩者關系入手，從一種新穎的角度研究電機的運行特征。

圖4 相電流波形

圖5 轉速-母線電流曲線

圖6 轉速-時間曲線

統觀圖4～圖6中的3條曲線可見，電機運行的階段性特征明顯，轉子定位、開環升速和閉環運行3個階段清晰可見。定位啟動階段已于4.1節中說明，下面重點分析后兩個階段。

4.2 開環加速實驗

開環加速階段，由于轉子位置觀測器尚未投入運行，在逆變電源外同步狀態下，電機定轉子磁場并不是處于理想的垂直狀態。因此，即使所需電磁轉矩較小，無論是相電流還是母線電流都比較大。從圖4和圖5可明顯看到，開環加速時，相電流和母線電流都有急劇增加，兩者峰值分別為16和1.2A。同樣由于定轉子磁場的這種非正交性，根據電磁轉矩為電流矢量和定子磁鏈矢量叉積的關系，電磁轉矩脈動會比較大。從圖5和圖6也可看出，在此階段，母線電流和轉速的變化波動較大。與此對應，實驗過程中，開環加速期間的振動和噪聲明顯。

4.3 閉環運行實驗

4.3.1 位置閉環

開環加速運行4s，本實驗中對應轉速為715r/min時，系統切換至位置閉環運行狀態；當轉速升至1 000r/min時，再進入轉速閉環狀態。從開環進入位置閉環后，可以發現，即使圖6中電機轉速變化率，即反映電磁轉矩的加速度不降低的情況下，圖4和圖5在該階段對應的相電流幅值和母線電流都有明顯減小。也就是說，由于轉子位置信號可通過滑模觀測器觀測得到，注入永磁同步電機定子繞組的電流，便可由轉子位置信號來控制，從而進入定子旋轉磁場由轉子位置來決定的自同步運行模式。通過查閱測功機的記錄數據可知，電機運行效率在位置閉環前后各1s時刻測得的數值，也由34.1%突增至63.5%。同時，實驗過程中的噪聲也比開環加速階段有明顯降低。綜合上述波形、曲線、效率和實驗結果可知，滑模觀測器能正確觀測出永磁同步電機由外同步進入自同步狀態時轉子的位置，從而實現電機的無位置傳感器控制運行。

4.3.2 轉速閉環

在位置閉環運行階段，同時計算滑模觀測器所得轉子位移對時間的導數，得到電機轉速，當電機轉速達到1 000r/min時，本實驗中對應時間為第6s的時刻(以轉子定位時刻為時間起點)，系統進入轉速閉環階段。按照圖1所示的矢量控制模式，根據空調制冷量的需求，驅動壓縮機調速運行。從圖4和圖5可以明顯看到，第6s和1 000r/min時刻，相電流和母線電流都存在一個明顯的轉折點。圖6的轉速-時間曲線也顯示，在轉速閉環階段，電機轉速平穩上升，可穩定運行于設定的6 000r/min處，且控制精度高。上述實驗結果充分表明滑模觀測器運行可靠，轉子位置觀測準確，轉速計算正確，能完成系統的矢量控制變頻調速。

4.4 高速重載實驗

為分析控制策略在高速重載極端條件下的運行效果，進行了高速重載實驗，電機在6 000r/min、最大負載轉矩6N·m下的相電流波形如圖7所示。由圖7可知，相電流頻率為303.5Hz，據此可算得轉速為

轉速控制誤差為

圖7中，電機相電流有效值達到了21.6A，系統仍具有良好的運行性能。但是，由于滑模控制為開關邏輯，并非連續控制，本身存在缺陷，會造成如圖7所示的信號抖動。因此，下一步須研究適合工程應用的滑模觀測器去抖動算法。

圖7 6 000r/min和6N·m時的相電流波形

5 結論

本文中采用將滑模觀測器與電機無傳感器運行有機結合的控制方案，通過詳細的理論分析和實驗研究，得到如下結論：

(1)控制策略能有效實現電機轉子定位和啟動，在轉速閉環與開環加速之間，設計了位置閉環運行階段，提高了閉環切換的可靠性；

(2)滑模觀測器能準確測取電機轉子的位置信息，從而完成無位置傳感器運行時的自同步與閉環調速；

(3)即使在高速重載工況下，控制方案仍具有較高的調速精度；

(4)在壓縮機運行的常態工況下，電機運行效率可達90%，并在較大轉矩區間內都具有80%以上的運行效率。

綜上所述，控制方案能滿足電動汽車變頻空調系統的應用需求，具有良好的工程應用價值。

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An Experimental Study on the Position Sensorless Control of Electric Motor for Air-conditioning in Electric Vehicle

Wei Haifeng, Zhang Yi, Yang Kang & Gu Kai

SchoolofElectricalandInformation,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003

For meeting the engineering requirements of mobile air-conditioning in an electric vehicle, an integrated electric motor - scroll compressor is adopted and a position sensorless control scheme of permanent magnet synchronous motor in compressor is studied. Based on the traditional 3-stage start-up method, a position closed-loop link is added in between open-loop acceleration stage and speed closed-loop stage to improve switching reliability. In closed-loop operation stage, sliding mode observer is used to estimate the position and rotation speed of motor rotor. A large number of tests are carried out and the effectiveness and feasibility of the control scheme proposed are verified through the mutual validation among the results of test on parameters of phase current, bus current, rotation speed, torque, and power etc.

mobile air-conditioning; permanent magnet synchronous motor; sliding mode observer; sensorless operation

*國家自然科學基金(61503161)、極端條件下機械結構和材料科學國防重點學科實驗室開放基金(201303)和江蘇高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦發[2011]6號)資助。

原稿收到日期為2013 年12月13日，修改稿收到日期為2014年6月30日。