磁懸浮電機斷電重啟控制策略研究

郭偉林，陳棟建，張良浩

(1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070； 2.廣東省高速節能電機系統企業重點實驗室，珠海 519070)

0 引 言

采用磁懸浮電機的制冷系統廣泛應用于數據中心制冷等不間斷運行場合，在此方面的應用領域對電機控制系統實現斷電恢復快速重啟提出更高的要求。而磁懸浮電機控制系統出現異常斷電，在電機未停轉狀態下需要電機能量回饋維持磁軸懸浮穩定，避免磁軸掉落磨損。如何保證磁懸浮電機可靠性的同時實現快速重啟具有重要的研究應用意義。

目前國內外主要有兩類方法進行斷電恢復快速重啟：一類是令電機制動零速重啟，該方式在電機高速惰轉情況下制動時間較長，無法滿足高速狀態下的電機快速重啟要求，適用于低速狀態下的快速重啟；另一類是觀測轉子位置轉速信息實現帶速重啟。文獻[1-2]提出采用零電壓矢量注入法，該方法多次注入零電壓矢量，根據三相短路電流計算轉子角度及電機轉速。該方法位置觀測的精度受限于反動電動勢大小以及電流傳感器精度，因此無法滿足全速域的位置觀測。文獻[3-4]提出使用高頻方波注入法，該方法在電機端注入高頻振脈電壓，根據其響應電流高頻分量獲取轉子位置信息，從而實現帶速重啟。但高頻注入法計算轉子角度的誤差受反電動勢影響，不適用于中高轉速下的帶速重啟。文獻[5]結合上述兩種方法，通過使用三相短路測試脈沖判斷當前轉速，根據轉速狀態選擇高頻注入法或零電壓矢量注入法。兩者的結合能夠做到全速域位置觀測并完成帶速重啟，但三相短路測試脈沖易引起的電流難以控制，難以保證控制系統的可靠性。上述方法在斷電時間內沒有進行能量回饋控制，無法為磁懸浮軸承控制器持續供電，因此無法滿足大功率磁懸浮電機控制系統的安全可靠性。

為確保電機控制系統的安全可靠性以及滿足快速重啟功能需求，本文提出在短時斷電場合中根據電機惰轉高低速狀態將電機制動零速重啟與帶速重啟結合使用的控制方式。電機控制系統在高速狀態斷電時進行電壓電流雙閉環的SVPWM整流調控能量回饋，保證磁懸浮軸承控制能源供應，同時從響應的電機電流中獲取轉子位置轉速信息，做到帶速重啟。電機控制系統在低速狀態斷電則進行在逆變器中基于Boost等效電路下的升壓式能量回饋快速制動，即增大能量回饋母線電壓調制幅值，使電機快速制動然后零速重啟。本文策略始終以可控電壓能量回饋方式實現全速域下的斷電快速重啟，充分保證了磁懸浮軸承的能源供應，避免磁懸浮軸承失電磨損。同時磁懸浮電機快速重啟的實現令制冷系統在不間斷運行應用場合中能夠在短時斷電后快速恢復運行，避免冷卻溫度因長時間停機出現大幅回升，降低了經濟效益損失。

1 磁懸浮電機控制系統

1.1 磁懸浮永磁同步電機控制系統結構

磁懸浮電機控制電路拓撲結構如圖1所示，通過AC-DC-AC變頻器對電機進行速度控制。變頻器整流部分采用二極管不控整流；直流部分為儲能電容與制動電阻并聯構成，并對磁懸浮軸承控制器供電；逆變部分為三相兩電平IGBT逆變結構。

圖1 磁懸浮電機控制結構框圖

1.2 FOC磁場定向控制

本文磁懸浮電機控制系統采用勵磁電流idref=0的無位置傳感器磁場定向矢量控制，該控制算法通過坐標變換對同步旋轉坐標系下d、q軸電流解耦調控。控制結構如圖2所示，其中包含了電流環和轉速環雙閉環控制。轉速環作為外環將參考轉速與反饋轉速作PI計算獲得轉矩電流參考值iqref。電流環作為內環將轉矩電流參考值與電機三相電流反饋值作PI運算獲得當前勵磁控制量ud和轉矩控制量uq。兩個控制量進行Park逆變換后進行SVPWM計算獲得控制三相逆變器的振幅脈沖，實現了電機速度控制。

圖2 FOC矢量控制結構圖

2 斷電恢復快速重啟策略

2.1 高速惰轉帶速重啟

實現電機帶速重啟需要具備的條件是獲得當前狀態下轉子精確的位置與轉速信息。本文提出在電機高速狀態斷電后進行電壓電流雙閉環SVPWM整流調控電機惰轉反電動勢能量回饋母線電容，同時從電機響應電流中獲取轉子信息。其中轉子信息的獲取采用滑模觀測法，該法是基于觀測電流與實際電流之間的誤差來設計滑模觀測器，并由電流的誤差來重構電機的反電動勢、估算轉子位置與速度。其中反電動勢能量回饋調控的本質是為電壓型三相AC/DC整流過程。逆變器回饋反電動勢能量的等效三相整流電路如圖3所示，圖3中Ea～c為三相反電動勢，La～b為三相電感，Ra～c為三相等效電阻，V1～V6位IGBT功率器件，D1～D6為續流二極管，udc為母線電壓，R為制動電阻。

圖3 三相整流等效電路

定義開關函數：

(1)

式中：k分別代表a,b,c各相。

通過圖3三相整流等效電路，可以列出三相回路的電壓方程：

(2)

式中：ia，ib，ic分別為三相電流；uaN，ubN，ucN分別為a～c點與N點間電壓；uNO為N點與O點間電壓。

在圖3的三相回路中，當Sk=1，即上橋臂導通，下橋臂關斷時，ukN=udc；當Sk=0時，即上橋臂關斷，下橋臂導通時，ukN=0，因此可得：

ukN=Skudc

(3)

將式(3)代入三相電壓方程式(2)中可得：

(4)

在電機三相星型連接回路中有：

(5)

式(5)代入式(4)后三式相加可得：

(6)

式(6)代入式(4)可得：

(7)

由基爾霍夫電流定律獲得圖3中節點M的電流方程：

(8)

根據功率器件IGBT導通狀態，例如當Sa=1，Sb=0，Sc=0時，i=ia，可得：

i=Saia+Sbib+Scic

(9)

將式(9)代入式(8)可得：

(10)

由以上電壓電流方程可知，通過控制逆變器的三相邏輯開關，可以調控三相響應電流，進而調控電機能量回饋到母線電容的電壓幅值。

在FOC磁場定向矢量控制中采用dq軸解耦控制，為了降低控制系統的復雜性，三相整流能量回饋控制也沿用dq軸解耦控制。因此將三相整流電壓方程變換至同步旋轉坐標系下可得：

(11)

三相整流電流方程變換至同步旋轉坐標系下可得：

(12)

由同步旋轉坐標系下的電壓電流方程設計電壓電流雙閉環的整流控制策略，如圖4所示。以母線電壓調節作為外環，以電機三相電流調節作為內環，實現電流調控回饋電壓幅值。

圖4 電壓電流雙閉環整流控制框圖

在同步旋轉坐標系中，令控制矢量V的q軸分量完全重合反電動勢電壓矢量以及令d軸分量為0，合成控制矢量如圖5所示。

圖5 合成矢量

由圖5可以看出控制矢量V追蹤反電動勢電壓矢量E直至完全重合，此時的控制矢量V與反電動勢合成矢量E同相位同轉速旋轉，三相響應電流中則包含了轉子的位置與轉速信息。由此觀測三相電流可獲取轉子的位置以及轉速，從而具備了電機帶速重啟條件，當斷電恢復后切換回轉速電流雙閉環控制時即可實現平穩電機重啟。

2.2 低速惰轉制動重啟

低速狀態下轉子信息觀測相對模糊，不利于帶速重啟，所以電機處于低速惰轉狀態則進行電壓單閉環調控的能量回饋，通過抬升電壓調制幅值實現電機快速制動效果，進而實現電機零速重啟。該方法中的能量回饋實質為在逆變器構成的Boost等效電路中采用下橋臂調控方式進行回饋。

如圖6所示，電路中電機電感以及功率開關V4、V5、V6構成升壓Boost電路。當V4、V5、V6導通時，電機內部繞組電感電阻形成回路，繞組線圈不斷切割磁場產生反電動勢在電感L中蓄能；當V4、V5、V6關斷，U相反電動勢電壓大于母線電壓時，反電動勢給母線電容充電。

圖6 Boost等效電路

該能量回饋控制策略如圖7所示，采用電壓環單閉環PI調控方式。母線電壓參考值與反饋值作差PI計算獲得調控量，該調控量經過數學計算后與三角載波比較后獲得開關脈沖PWM。該PWM同時作用于逆變器下橋臂，實現AC/DC整流能量回饋。該法無需依賴電機轉子位置來選擇控制開關管，電機處于低速狀態時也可以高效可靠地實現升壓式的能量回饋。該過程中加大母線電壓調控幅值則加大了制動電阻的損耗功率，加快了電機惰轉反電動勢能量的損耗；同時電機繞組電感儲能的提升，起到電機快速制動效果，從而實現電機制動零速重啟。

圖7 Boost電路整流能量回饋調控框圖

2.3 斷電恢復快速重啟控制流程

磁懸浮電機控制系統斷電快速重啟控制流程框圖如圖8所示。電機運行頻率高于50 Hz狀態下斷電，變頻器進行電壓電流雙閉環SVPWM整流能量回饋，在調控過程中通過觀測電流獲得轉子的位置與轉速信息，在變頻器完成重新上電后切回轉速電流雙閉環控制進而實現帶速重啟。電機運行頻率小于50 Hz狀態下斷電則進行升壓式能量回饋快速制動，實現零速重啟。

圖8 斷電恢復電機快速重啟控制流程框圖

3 Simulink仿真與電機實驗

3.1 帶速重啟Simulink仿真

3.1.1 仿真搭建

根據基于電壓電流雙閉環SVPWM整流能量回饋調控的帶速重啟策略，在Simulink中搭建仿真模型，如圖9所示。該仿真在電機SVPWM控制模塊的基礎上添加轉速電流雙閉環與電壓電流雙閉環間相互切換，以此仿真實現電機帶速重啟功能。

圖9 帶速重啟仿真模型

3.1.2 仿真結果

在該仿真中電機控制系統運行在高頻率狀態，在7 s時刻斷電，同時控制系統由速度電流雙閉環控制切換至電壓電流雙閉環整流能量回饋控制。仿真結果如圖10所示，斷電后能量回饋令母線電壓維持在460 V，此時電機電流穩定可控。該仿真在8 s時刻電源恢復，電機控制系統根據獲得的轉子角度與位置平穩切回轉速電流雙閉環控制，做到了斷電恢復后0.56 s內完成帶速重啟，且啟動電流平穩可控。

圖10 仿真結果波形

3.2 斷電快速重啟電機實驗

3.2.1 電機正常停機惰轉時間測試

電機穩定運行高速狀態下斷電恢復，電機以額定電壓能量回饋控制進入正常惰轉狀態。測量電機反電動勢波形如圖11所示，由該波形可知電機正常惰轉時間約為83 s。

圖11 電機惰轉反電動勢波形

3.2.2 高速惰轉帶速重啟實驗

該實驗磁懸浮電機控制系統穩定運行436 Hz狀態下斷電恢復，同時進行電壓電流雙閉環整流能量回饋控制，觀測電流獲取轉子的位置與轉速信息，實驗波形如圖12所示。該過程中，在斷電后母線電壓能夠穩定維持在460 V，磁懸浮軸承控制能源供應正常；電源恢復后1.55 s時間內完成了電機帶速重啟，電機速度得到了平穩控制，且電機電流控制在安全范圍內，滿足了控制系統的安全可靠性以及斷電快速重啟需求。

圖12 帶速重啟波形

3.2.3 低速惰轉制動零速重啟實驗

該實驗磁懸浮電機系統在電機低速斷電狀態下進行能量回饋升壓式控制，實現電機制動后零速重啟，實驗波形如圖13所示。實驗在斷電后母線回饋電壓從額定的460 V抬升到670 V，電機快速制動效果十分顯著。在斷電恢復后19 s內完成了電機制動，實現了零速重啟；同時母線電壓460 V提升至670 V能夠兼容維持磁懸浮軸承控制器供電。

圖13 快速制動零速重啟波形

4 結 語

本文在磁懸浮電機控制系統運用在短時斷電場合中，提出一種新型的斷電恢復快速重啟策略。該策略在電機高速狀態斷電后進行電壓電流雙閉環的SVPWM整流調控電機能量回饋，通過觀測電流獲取轉子信息進行帶速重啟；在電機低速狀態斷電后進行升壓式能量回饋制動電機零速重啟。仿真與實驗證明本文策略在斷電快速重啟中的安全性與高效性。相對于零矢量注入法的三相短接響應電流的不可控性，該策略的帶速重啟的電機電流始終處于電流環閉環調控之中。低速下采用的升壓快速制動零速重啟，取代在轉子轉速與位置信息模糊不清的狀態下帶速重啟，降低電機重啟失敗率。

本文策略實現了電機惰轉能量回饋控制，維持了磁懸浮軸承控制器持續供電，保證了控制系統的安全可靠性。相對于電機正常惰轉至停轉的零速重啟常規方法，本文策略實現了在電機中高轉速狀態下2.35 s內完成斷電恢復帶速重啟；在電機低速狀態下斷電恢復零速重啟時間從83 s縮短至19 s。磁懸浮電機控制系統斷電重啟時間得到了極大的縮短，滿足了不間斷運行場合對快速重啟功能需求。