基于脈振高頻注入的永磁同步壓縮機(jī)無位置傳感器控制

Gree Electric Appliances Inc Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

永磁同步電動機(jī)（PMSM）具有功率密度高、運(yùn)行效率高、無電刷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高性能伺服系統(tǒng)以及家用電器中[1]。目前，變頻空調(diào)壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)廣泛使用永磁同步電機(jī)。PMSM壓縮機(jī)的電機(jī)與泵體密封在殼體內(nèi)，電機(jī)工作溫度能達(dá)到120℃，同時，內(nèi)部充滿冷媒和潤滑油，難以安裝機(jī)械式傳感器，大部分PMSM壓縮機(jī)都采用無位置傳感器控制[2]。目前，適用于PMSM的無位置控制方法可以分為兩類：（1）基于基波模型的位置檢測方法，主要利用基波模型中的反電勢進(jìn)行速度和位置的檢測，一般在中高速時采用；（2）基于諧波模型的位置檢測方法，這類方法普遍利用轉(zhuǎn)子的凸極性來實(shí)現(xiàn)位置檢測，普遍用于電機(jī)的低速無位置控制[3]，脈振高頻注入法就屬于此類方法，其魯棒性好，對電機(jī)參數(shù)不敏感。

本文針對現(xiàn)有技術(shù)方案中，在低速運(yùn)行及啟動過程采用開環(huán)的反電動勢模型估算位置，對電機(jī)參數(shù)及硬件依賴較大、適應(yīng)性差的不足，采用脈振高頻注入法估算低速下的轉(zhuǎn)速與位置。本文給出實(shí)現(xiàn)脈振高頻注入法的關(guān)鍵步驟，并在單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法具有較好的魯棒性。

2 基于脈振高頻注入的位置估算

脈振高頻注入法首先向d軸注入一個高頻余弦電壓信號，采樣q軸電流，經(jīng)過帶通濾波器（BPF），再與正弦調(diào)制信號相乘，經(jīng)過低通濾波器（LPF），得到估算坐標(biāo)系與實(shí)際坐標(biāo)系的誤差角，經(jīng)PI鎖相環(huán)得出估算速度，再對估算速度積分得到估算角度，信號處理過程如圖1所示[3]。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于450rpm時，再切換至基于電機(jī)反電勢觀測器加鎖相環(huán)的位置估算，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于400rpm時，切換至基于脈振高頻注入的估算，在400rpm至450rpm維持原有的估算方法。

下面對脈振高頻注入法實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)展開描述：

（1）在注入高頻信號前應(yīng)給定一個d軸電流，使轉(zhuǎn)子d軸定位至給定的角度。為了消除定位盲區(qū)，應(yīng)進(jìn)行二次定位，并根據(jù)“功角自平衡原理”，兩次定位角度差為60°。

（2）注入信號頻率與幅值選擇依據(jù)：注入信號的頻率應(yīng)小于等于PWM載頻的1/10，以保證注入余弦信號不失真，并且遠(yuǎn)大于采用高頻注入法的運(yùn)行頻率，以利于濾波器的設(shè)計(jì)，本文使用的載頻為5kHz，注入信號的頻率為500Hz；注入信號的幅值過小，影響轉(zhuǎn)速信號的提取精度，過大會帶來過高的噪聲，因此注入信號的幅值應(yīng)根據(jù)不同阻抗的電機(jī)與實(shí)際系統(tǒng)選取。

（3）數(shù)字濾波器根據(jù)其脈沖響應(yīng)分為有限長沖激響應(yīng)（FIR）及無限長沖激響應(yīng)（IIR），IIR濾波器用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)存在濾波器有限字長和系數(shù)量化效應(yīng)，其對系數(shù)量化非常敏感，直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而FIR濾波器的脈沖傳遞函數(shù)只有零點(diǎn)，其總是穩(wěn)定的[4]。由于本文中主控制器使用定點(diǎn)DSP，故濾波器使用FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，借助MATLAB/FDATOOL工具，使用Hamming窗函數(shù)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，對FDATOOL設(shè)計(jì)好后的濾波器應(yīng)進(jìn)行二次校驗(yàn)，看幅頻特性是否滿足要求，若不滿足，應(yīng)提高濾波器的階數(shù)。文中的帶通濾波器（BPF）使用30階濾波器，低通濾波器使用16階濾波器。500Hz帶通濾波器幅值頻率特性曲線如圖2所示。

（4）Iq經(jīng)BPF濾波器后為Iqh，會產(chǎn)生一定的相位滯后，為保證正弦調(diào)制信號與Iqh相位相同，應(yīng)對正弦信號補(bǔ)償一個初始相位，再與Iqh相乘。

（5）脈振高頻注入法在提取轉(zhuǎn)速信號的過程中使用了各類濾波器，與電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)與鎖相環(huán)構(gòu)成了閉環(huán)控制，脈振高頻注入法對控制器的參數(shù)比較敏感，整定控制器參數(shù)較為關(guān)鍵[5]，若控制參數(shù)選擇不合適，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，在工程應(yīng)用中，常使用帶寬來整定控制器參數(shù)，如速度環(huán)帶寬、電流環(huán)帶寬、鎖相環(huán)帶寬，其中電流環(huán)帶寬尤為重要。電流環(huán)的帶寬應(yīng)小于帶通濾波器的中心頻率，在壓縮機(jī)應(yīng)用場合中，對動態(tài)性能要求不高，因此電流環(huán)帶寬可適當(dāng)選小。另外，由于Id與Iq包含高頻注入分量，在進(jìn)行電流閉環(huán)控制時，應(yīng)使用低通濾波器（截止頻率為100Hz）濾除dq軸電流采樣信號中的高頻分量，再與給定電流信號作差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述脈振高頻注入法，使用DSP+IPM硬件結(jié)構(gòu)，在單轉(zhuǎn)子內(nèi)埋式永磁同步壓縮機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)參數(shù)為：極對數(shù)為3，Ld=9.2mH，Lq=11.6mH，Rs=1.8Ω，圖3所示為估算轉(zhuǎn)速曲線與壓縮機(jī)相電流曲線，壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在3Hz，并且從圖中可以看出，脈振高頻注入法能較好反應(yīng)單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在旋轉(zhuǎn)一周過程中由于吸排氣負(fù)荷不平衡導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速波動，而使用線性觀測器估算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下Ed、Eq，再使用鎖相環(huán)解算出轉(zhuǎn)速與位置的方法，在相同負(fù)荷下最低只能運(yùn)行在6Hz。通過試驗(yàn)證明，本文采用的脈振高頻注入法能在較低轉(zhuǎn)速下估算出壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置，使壓縮機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行在低頻，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能以及提高空調(diào)舒適度的目的，并且，該方法對不同參數(shù)的電機(jī)有較好的適應(yīng)性，可縮短新產(chǎn)品開發(fā)中調(diào)試參數(shù)的時間。

圖1 信號處理過程

圖2 500Hz帶通濾波器幅值頻率特性曲線

圖3 估算轉(zhuǎn)速曲線與壓縮機(jī)相電流曲線

參考文獻(xiàn)

[1] 劉錦波，張承慧等. 電機(jī)與拖動[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 孫承波. 空調(diào)永磁同步壓縮機(jī)控制系統(tǒng)研究[博士學(xué)位論文]. 上海：上海大學(xué)，2008.

[3] 王龍. 寬轉(zhuǎn)速范圍表貼式永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制[碩士學(xué)位論文]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[4] 劉毅. 基于高頻注入的永磁同步電動機(jī)無傳感器運(yùn)行研究[碩士學(xué)位論文]. 杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5] 秦峰，賀益康，劉毅等. 兩種高頻信號注入法的無傳感器運(yùn)行研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005, 25(5): 116-121.