基于狀態(tài)觀測器的永磁同步電機(jī)逆風(fēng)啟動及運(yùn)行設(shè)計(jì)

賀小林 方許丹 劉志輝

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前在空調(diào)領(lǐng)域中，無位置傳感器的直流風(fēng)機(jī)的逆風(fēng)啟動在業(yè)界一直是個難題，而變頻空調(diào)廣泛服務(wù)于工業(yè)領(lǐng)域、商用場所、普通家庭等場所。當(dāng)環(huán)境中風(fēng)力較大時(shí)，關(guān)機(jī)狀態(tài)室外機(jī)的風(fēng)機(jī)會隨著風(fēng)高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶需要開機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，就會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)啟動失敗，甚至導(dǎo)致誤報(bào)故障，嚴(yán)重影響用戶使用。本文提出了一種基于狀態(tài)觀測器辨識風(fēng)機(jī)逆風(fēng)狀態(tài)、逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算、逆風(fēng)制動和啟動的方案，有效解決了風(fēng)機(jī)逆風(fēng)狀態(tài)下啟動失敗的問題。

1 逆風(fēng)啟動及運(yùn)行技術(shù)原理

本文提出的基于狀態(tài)觀測器的永磁同步電機(jī)的逆風(fēng)啟動及運(yùn)行技術(shù)，主要包括風(fēng)機(jī)逆風(fēng)狀態(tài)辨識、逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算及逆風(fēng)制動和啟動等技術(shù)，具體方案如下：

1.1 逆風(fēng)狀態(tài)辨識技術(shù)

永磁同步電機(jī)的定子部分由三相繞組構(gòu)成，當(dāng)外部風(fēng)力自動旋轉(zhuǎn)時(shí)，在三相繞組中產(chǎn)生反電動勢，若有電流回路時(shí)，則三相繞組中會產(chǎn)生相互電角度相差120°的正弦波的相電流，且滿足基爾霍夫電流定律，可得公式（1）：

其中iu、iv、iw代表電機(jī)定子三相繞組的U、V、W相電流值。

根據(jù)Clark變換法則，可將三相繞組相電流值等幅值變換為正交兩相靜止坐標(biāo)系下和兩相電流值來表示，如公式（2）：

其中iα、iβ代表和兩相電流值。

將公式（1）代入公式（2），進(jìn)一步簡化公式（2），可得公式（3）：

由公式（3）可知，只需檢測出電機(jī)的U、V相電流，即計(jì)算出兩相坐標(biāo)系下α和β兩相電流值。

由兩相靜止坐標(biāo)系下的α和β兩相電流值，可計(jì)算出電機(jī)定子繞組電流峰值，即公式（4）：

其中Is為電機(jī)定子繞組相電流峰值。

因此可根據(jù)風(fēng)機(jī)功率預(yù)設(shè)逆風(fēng)狀態(tài)辨識的電流閾值，若值大于預(yù)設(shè)電流閾值，則風(fēng)機(jī)處于逆風(fēng)運(yùn)行狀態(tài)，否則處于靜止?fàn)顟B(tài)。

1.2 逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算技術(shù)

在無位置傳感器的變頻控制中，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速是基于狀態(tài)觀測器進(jìn)行估算，其中狀態(tài)觀測器是以三相繞組的相電流值為輸入量，因此通過PWM1-6控制IPM的開關(guān)管有序?qū)ê完P(guān)斷實(shí)現(xiàn)采樣相電流值：iu、iv、iw，確保狀態(tài)觀測器正常工作。

如圖1所示，相電流：iu、iv、iw，經(jīng)過Clark和Park變換法則，等效變換為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的iq、id，通過給定iq*和id*值時(shí)，由PI控制器輸出uq和ud，經(jīng)Park逆變換和SVPWM調(diào)制后，PWM1-6輸出信號控制IPM的開關(guān)管有序?qū)ê完P(guān)斷，采樣三相繞組的相電流，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)觀測器估算逆風(fēng)轉(zhuǎn)速

在變頻FOC控制算法中，iq*控制電磁轉(zhuǎn)矩，控制轉(zhuǎn)子磁通，為使給定iq*和id*值對電機(jī)的逆風(fēng)轉(zhuǎn)速干擾降至最小，給定iq*和id*值為0，這樣既可對電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)影響降至最小，也可使?fàn)顟B(tài)觀測器正常運(yùn)行，獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，為電機(jī)的逆風(fēng)制動奠定基礎(chǔ)。

1.3 逆風(fēng)制動及啟動技術(shù)

在電機(jī)處于逆風(fēng)狀態(tài)時(shí)，經(jīng)逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算處理后，當(dāng)估算轉(zhuǎn)速為正向轉(zhuǎn)速值時(shí)，由于估算轉(zhuǎn)速和位置已知，電機(jī)可直接進(jìn)入正向啟動；當(dāng)估算轉(zhuǎn)速為逆向轉(zhuǎn)速值時(shí)，將電機(jī)的定子繞組中的U相和V相進(jìn)行換相控制，由于估算轉(zhuǎn)速和位置已知，電機(jī)可直接進(jìn)入閉環(huán)逆風(fēng)制動。

1）閉環(huán)逆風(fēng)制動

圖1 逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算系統(tǒng)圖

圖2 逆風(fēng)制動系統(tǒng)圖

如圖2所示，在閉環(huán)逆風(fēng)制動時(shí)，狀態(tài)觀測器、速度PI控制器及電流PI控制器正常工作，當(dāng)電機(jī)的逆向轉(zhuǎn)速較高時(shí)，通過在速度PI控制器中給定較低目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*，可使逆向轉(zhuǎn)速降至給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速；當(dāng)電機(jī)的逆向轉(zhuǎn)速很低時(shí)，通過在速算PI控制器中給定較高目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*，可使逆向轉(zhuǎn)速升至給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，之后在速度PI控制器中給定較低目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*，可使逆向轉(zhuǎn)速降至給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速；由于閉環(huán)逆風(fēng)制動過程中，狀態(tài)觀測器、速度PI控制器及電流PI控制器均正常工作，系統(tǒng)中控制量均已知，當(dāng)電機(jī)在給定較低目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，控制電磁轉(zhuǎn)矩的iq*值已滿足克服逆風(fēng)所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為開環(huán)逆風(fēng)制動可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2）開環(huán)逆風(fēng)制動和正向啟動

如圖3所示，在開環(huán)逆風(fēng)制動過程中，僅電流PI控制器正常工作，其中控制電磁轉(zhuǎn)矩的i*值q已在閉環(huán)逆風(fēng)制動過程中確定，位置 值按給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*乘以Ts進(jìn)行變化，即可在電機(jī)的定子三相繞組中生成幅值恒定、按ω*轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*降為0值時(shí)，電機(jī)靜止，之后再將電機(jī)的定子繞組U相和V相進(jìn)行換相控制，當(dāng)給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω*從0增大，電機(jī)開環(huán)正向啟動。

2 軟件設(shè)計(jì)

在逆風(fēng)啟動及運(yùn)行技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件原理及永磁同步電機(jī)工作原理設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測器的永磁同步電機(jī)的逆風(fēng)啟動及運(yùn)行技術(shù)軟件控制算法，如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室中，搭建變頻空調(diào)機(jī)組的逆風(fēng)啟動測試平臺，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室工況，可使室外風(fēng)機(jī)在不同的逆風(fēng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向下自動旋轉(zhuǎn)；在空調(diào)機(jī)組的終端設(shè)備下發(fā)開機(jī)指令后，使用示波器等設(shè)備，測試室外風(fēng)機(jī)逆風(fēng)啟動的相電流波形。

基于在永磁同步電機(jī)的逆風(fēng)高轉(zhuǎn)速和逆向旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)工況下，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案可靠性最具代表性，設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)運(yùn)行于逆向旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的實(shí)驗(yàn)工況，測試其逆風(fēng)啟動，使用示波器測試相電流波形，如圖5所示。

圖3 逆風(fēng)制動系統(tǒng)圖

圖4 逆風(fēng)啟動及與運(yùn)行流程圖

從圖5可觀察到，機(jī)組在外界風(fēng)場的作用下高速逆風(fēng)反轉(zhuǎn)，當(dāng)收到開機(jī)指令時(shí)，控制算法檢測到機(jī)組逆風(fēng)反轉(zhuǎn)并進(jìn)入逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算流程，估算反轉(zhuǎn)的具體速度，為下一階段的剎車過程做準(zhǔn)備。從圖中可以觀察到在逆風(fēng)狀態(tài)辨識過程中，相電流的幅值是逐步增大，由此可判斷逆風(fēng)辨識過程是穩(wěn)定可靠；在逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算過程中，相電流的幅值是趨近于零，由此可判斷逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算過程是在未影響永磁同步電機(jī)逆風(fēng)狀態(tài)情況下進(jìn)行逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算的，表明其估算轉(zhuǎn)速切合永磁同步電機(jī)實(shí)際逆風(fēng)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)；在逆風(fēng)閉環(huán)制動過程中，相電流的幅值逐漸增大，由此可判斷逆風(fēng)閉環(huán)制動至較低目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過程是穩(wěn)定和可靠；在逆風(fēng)開環(huán)制動過程中，電流幅值是根據(jù)逆風(fēng)閉環(huán)制動至較低目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)所確定的，因此該電流值可滿足克服外風(fēng)力所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電流頻率是按降頻速率降至零，由此判斷在逆風(fēng)閉環(huán)和開環(huán)制動過程中，風(fēng)機(jī)控制平穩(wěn)且可靠，符合設(shè)計(jì)預(yù)期；在正向開環(huán)啟動過程中，電流幅值與開環(huán)制動的幅值一致，電流頻率按升頻速率增長至開環(huán)啟動目標(biāo)轉(zhuǎn)速，可確保開環(huán)啟動的可靠性。整個控制過程經(jīng)歷了逆風(fēng)狀態(tài)辨識、逆風(fēng)轉(zhuǎn)速估算、逆風(fēng)閉環(huán)制動、逆風(fēng)開環(huán)制動和正向開環(huán)啟動等五個過程，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)機(jī)組外風(fēng)機(jī)從高速逆風(fēng)反轉(zhuǎn)到平穩(wěn)降速并停止，然后正向啟動的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)，且整個過程平穩(wěn)且可靠，極大地提高了機(jī)組抗風(fēng)能力和逆風(fēng)啟動可靠性。

圖5 室外風(fēng)機(jī)逆風(fēng)啟動測試相電流波形

4 結(jié)論

本文提出了結(jié)合變頻風(fēng)機(jī)逆風(fēng)運(yùn)行特性，基于狀態(tài)觀測器辨識逆風(fēng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及位置等狀態(tài)信息，從而可靠的進(jìn)行逆風(fēng)制動及正向啟動，在無需增加變頻空調(diào)機(jī)組成本情況下，大幅降低了室外風(fēng)機(jī)啟動失敗可能性，提高了機(jī)組的抗風(fēng)能力，同時(shí)提升了用戶體驗(yàn)。