空調室內機風機轉速控制算法研究

吳學偉

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

隨著生活水平的提升，空調系統已經逐漸成為現代家居和辦公場所必不可少的設備，，而且用戶人民群眾對空調的舒適性要求越來越高，反饋在指標上主要就是溫度波動和噪音。而這兩個關鍵指標都與電機的轉速控制穩定性有非常大的關系。目前最常用的電機有直流電機和PG 電機兩種。這兩種電機都是基于電機內置的霍爾轉速反饋進行控制，即霍爾元件被安裝在電機的內部，正常時電機每轉動一周，霍爾元件輸出一個或幾個脈沖信號。當風扇電機轉速高時，其輸出脈沖信號頻率高；當風扇電機轉速低時，其輸出脈沖信號頻率低。輸出的脈沖信號被單片機采集，經過計算轉換成反饋轉速，然后通過調整VSP 電壓（直流電壓）或可控硅的導通角從而調整PG 電機的工作電壓（PG 電機）從而對電機進行調節。

目前常用的轉速控制算法主要包括比例調節、PID控制、神經網絡控制等[1]。神經網絡控制相比于PID 控制，具有更好的自適應性和魯棒性，但是需要消耗較大的計算機硬件和軟件資源，應用范圍較窄。空調普遍采用8 位單片機或32 位的cottex-M0 芯片，主頻通常在60 MHZ 以內，Flash 小于256 K，無法運行大型的神經網絡算法。PID 算法占用的硬件和軟件資源較少比較適合應用在空調上，但是在應對空調室內機風機復雜多變的動態變化負載（掃風關和開）方面容易出現控制不穩轉速波動大的問題，有必要針對性進行研究，下面以PG電機為例進行說明。

1 電機調速當前的控制算法及存在問題

采用比例控制的算法，PG 電機每轉一圈反饋3 個脈沖，通過檢測每3 個脈沖的周期來計算電機轉速。在反饋脈沖中斷中對反饋脈沖個數計數和計時，當累計到3個脈沖時根據當前3 個反饋脈沖的周期計算電機當前轉速并調整電機斬波時間。

1.1 當前使用的的PG 電機控制算法及存在問題

項目最開始采用的是最基本的比例控制，即：

1）當電機實測轉速小于目標轉速差值大于某一設定時時，PG 電機斬波時間將增大或減小，每次增大或減少的值根據差值確定，差值越大調節數值越多；

2）當實測轉速與目標轉速小于某一設定值時，PG電機PG 電機斬波時間保持不變。

按照此算法實測的轉速控制穩定性如表1、表2，對實測數據進行分析，在非掃風狀態下控制精度能達到±15 r/min，但是在掃風狀態下偏差接近±30 r/min，相應的風量變化達到6 %，噪音變化達1.5 分貝。

表1 掃風停狀態轉速

表2 掃風開狀態轉速

分析波動的原因，當掃風葉片以4 w/s 的速度來回轉動，直接引起風機系統的靜壓在快速變化，也就是電機的負載在變化，從數據上看即該調速方式在外界干擾較小的時候能夠很好的穩定在目標轉速，然而在外界干擾頻繁或者干擾較大時并不能夠做到快速的響應。需要研究新算法加以改進。

2 新算法研究及單片機程序實現

新算法要解決的關鍵問題是掃風狀態下轉速波動幅度較大，目標是非掃風狀態下和掃風狀態下轉速波動范圍控制在設定轉速±10 r/min 以內。

2.1 新算法描述

PID 控制器是一種經典的控制算法，其中比例、積分和微分作用分別是：

1）比例作用：以誤差（偏差）做為輸入，輸出為控制量的線性關系。比例的作用是使控制量與誤差成正比，比例的作用是快速響應和減小穩態誤差。

2）積分作用：以誤差（偏差）的積分做為輸入，輸出為控制量的線性關系。積分的作用是消除靜態誤差，即消除穩態誤差。

3）微分作用：以誤差（偏差）的微分做為輸入，輸出為控制量的線性關系。微分的作用是消除瞬時誤差，即消除過沖和振蕩。

PID 控制分為位置型PID 和增量型PID，PG 電機是通過改變電機控制端導通角（強電電壓過零點延后開啟時間點）來實現轉速控制。通過定時器計算導通時間可以精確到微秒，為了減小計算量，采用增量式PID 算法。每次檢測到實際轉速只需要計算本次控制量的增量，然后通過控制輸出本次增量及前一次輸出量之累加值即可[2-5]，見圖1。

圖1 PID 控制系統原理框圖

增量式PID 控制計算公式為：

式中：

Δu(k)—本次輸出延后過零時間的增量；

u(k)—本次電機控制端在電壓過零后延遲開啟對應時間點；

u(k-1)—前一次電機控制端電壓過零時間延后時間點；

e(k)—本次設定轉速與實際轉速差值；

e(k-1)—前一次設定轉速與實際轉速差值；

Kp—比例放大系數；

Ki—積分放大系數；

Kd—微分放大系數；

Ti—積分時間；

Td—微分時間。

2.2 單片機程序實現方法

為提高程序的通用性，我們將算法封裝成一個函數，PID 控制的算法函數為void CountPID (void)，該函數在主循環中調用，調用該函數計算出的新斬波時間AfterZEROtime 在定時器TCA1 中斷中更新。

TempVar1 = EnPID * (KpPID +KiPID*KtPID+(KdPID/KtPID)) ；

TempVar2 = En1PID* (KpPID+(KdPID/KtPID ))；

TempVar3 = En2PID * (KdPID/KtPID)；

TempVar = TempVar1 - TempVar2 + TempVar3；

EnPID 為本次設定轉速與實際轉速差值e(k)，即設定轉速減實際轉速，Set_PGSpeedtime - TempSpeed1；該值大于零說明需要加速，小于零則需要減速。

En1PID 為上一次設定轉速與實際轉速差值e(k-1)；

En2PID 為上上次設定轉速與實際轉速差值e(k-2)；

EnPID 等于 En1PID 且二者均小于2 則認為達到設定轉速，不進行斬波時間調整。

TempVar1 對應公式（2）中的第一項Ae(k)；

TempVar2 對應公式（2）中的第二項Be(k-1)；

TempVar3 對應公式（2）中的第三項Ce(k-2)；

TempVar 對應公式（2）中的Δu(k)為本次輸出斬波時間增量，該值大于零說明需要加速，小于零則需要減速。

由于單片機運算浮點數速度很慢，參數Kp、Ki、Kt、Kd 均采用放大16 倍的整數進行計算（此時中間計算結果不會產生溢出），最終TempVar 的賦值再右移4位進行還原。為了防止數值過大溢出，當設定轉速差值|EnPID| ＞ 500 時將值限定在500。當設定本次實測轉速與前一次實測轉速均等于目標轉速則認為電機轉速已達到目標轉速，PG 電機控制端導通時間保持不變。PG 電機控制當中，采用定時器產生500 us 的中斷。

3 PID 參數整定及算法進一步優化果

在完成算法和軟件設計之后，開始通過實驗確定PID調節的參數整定，實驗過程中根據轉速波動幅度及響應速度整定Kp，Ki，Kt，Kd。

1）掃風打開：取參數組1 時電機轉速穩定，基本能夠控制在設定轉速±10 r/min，但打開掃風之后轉速波動就很大，超過±20 r/min；

2）掃風葉片固定不動時，取參數組2 時不掃風狀態下電機轉速比較穩定，但是在掃風狀態時轉速不是很穩定，基本在±17 r/min 左右。

通過反復的調節參數都無法找到一組可以同時適配掃風打開和停止的參數，需要對算法做進一步的優化，為此在控制算法上引入了掃風的狀態，根據不同的掃風狀態動態調用不同的參數組，進一步優化后的實驗測試數據如表3、4。

表3 新算法掃風停狀態轉速

表4 新算法掃風開狀態轉速

采用新的算法后，在非掃風狀態，電機轉速穩定性基本控制在±8 r/min 以內;掃風狀態下，轉速也能夠控制在目標轉速±10 r/min 以內，精度控制提升67 %。掃風狀態下超調量很小且能夠快速平穩的達到設定轉速。

4 結論

本文針對空調室內機直流電機轉速控制波動大的問題進行了研究。通過分析轉速控制波動大的主要原因，并提出了一種新的基于掃風狀態的增量型PID 控制算法，通過實驗驗證，提出的方法能夠有效地改善電機轉速控制的精度，使得空調系統運行更加穩定，新的算法能將適用掃風和不掃風兩種狀態下轉速精度控制在±10 r/min 以內。所述控制算法同樣適用于帶轉速反饋的直流電機控制。