空氣凈化類負(fù)荷新型轉(zhuǎn)速算法和控制方式研究

于 明

(廣西電網(wǎng)有限公司,南寧 530023)

0 引 言

空氣凈化器是指對(duì)空氣中存在的固態(tài)或氣態(tài)形式的污染物具有一定去除能力的電器設(shè)備，按照功能可以將空氣凈化器劃分為幾個(gè)主要的部分：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空氣過(guò)濾系統(tǒng)及智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其工作過(guò)程：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使室內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)，將帶有污染物的空氣吸入后送至機(jī)器內(nèi)部的空氣過(guò)濾系統(tǒng)，空氣過(guò)濾系統(tǒng)去除或吸附各種污染物后，再由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將清潔的空氣吹出[1]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為空氣凈化器最核心的部件，扮演著相當(dāng)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接決定著風(fēng)力的大小、凈化效果等，還會(huì)影響供電電網(wǎng)的質(zhì)量。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能對(duì)于空氣凈化器的性能有著重要的影響，也對(duì)小區(qū)供電電網(wǎng)質(zhì)量造成影響。

1 空氣凈化器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)工作的基本原理：給定子繞組通入交替的電流，由電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁體所激發(fā)的磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)屬于同步電機(jī)，即定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有相同的頻率。因此，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向需要跟隨轉(zhuǎn)子位置同步變化，為實(shí)現(xiàn)這種同步跟隨，需要采用特定的方法獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)控制電子換相電路使各相繞組按照特定的順序循環(huán)導(dǎo)通，這樣就通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)和電子換相電路聯(lián)合完成了對(duì)電機(jī)的換相，替代了傳統(tǒng)的電刷機(jī)械換向器[2]。

圖1為無(wú)刷直流電機(jī)六步換向時(shí)磁場(chǎng)矢量變化圖。在圖1(a)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可以知道a、b相定子繞組電流產(chǎn)生的磁勢(shì)Fa和Fb的合成磁勢(shì)為Fs，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)為Fr。當(dāng) 時(shí)，定子產(chǎn)生的合成磁勢(shì)Fs與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr之間的夾角為120°，產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr方向也在旋轉(zhuǎn)。θ由0°開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)θ=30°時(shí)，定子產(chǎn)生的合成磁勢(shì)Fs與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr之間的夾角為90°，此時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。此后，隨著θ的繼續(xù)增大，定子產(chǎn)生的合成磁勢(shì)Fs與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr之間的夾角逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩逐也漸減小，當(dāng)θ=60°時(shí)，此時(shí)定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的夾角減小到60°，此時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與θ=0°時(shí)相同，為保證電機(jī)正常運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩不能再繼續(xù)減小，因此，需要改變定子產(chǎn)生的合成磁勢(shì)Fs的方向，此時(shí)改變電流的方向，如圖1(b)所示，換相后定子磁勢(shì)Fs和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr之間的夾角為120°，隨著電機(jī)的運(yùn)行當(dāng)夾角繼續(xù)減小至60°時(shí)，再進(jìn)行一次換相，不斷地重復(fù)這個(gè)過(guò)程，使定子產(chǎn)生的磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的夾角在60°～120°的范圍內(nèi)交替變化，這樣可以讓電機(jī)的力矩最大、運(yùn)轉(zhuǎn)最平穩(wěn)[3]。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)六步換向時(shí)磁場(chǎng)矢量變化圖

2 空氣凈化器驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速特性研究

2.1 無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性研究

采用兩兩導(dǎo)通的無(wú)刷直流電機(jī)可以得出其導(dǎo)通回路的電壓平衡方程：

Udc=2RI+2E

(1)

式中,Udc為直流母線電壓，R為定子各相繞組電阻，I為各相定子電流，E為各相定子反電動(dòng)勢(shì)。

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)得出：

(2)

式中,ωm為轉(zhuǎn)子的角速度，Ke為線反電勢(shì)系數(shù)。結(jié)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可以得出電機(jī)的機(jī)械特性方程為

(3)

式中,Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，由式(3)可知無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程與他勵(lì)直流電機(jī)一致，得出在不同Udc的條件下無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2所示[4]。從圖2中可知：在相同的轉(zhuǎn)矩下無(wú)刷直流電機(jī)可以通過(guò)改變供電電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，可以通過(guò)PWM控制繞組電壓大小進(jìn)行調(diào)速。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線

2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

根據(jù)上文分析，為使電機(jī)可以快速起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)降速小，在本課題中，控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。本課題所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，Spd_ref是參考轉(zhuǎn)速，Spd_act是實(shí)際轉(zhuǎn)速，I_ref是經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后輸出的參考電流，I_act是實(shí)際電流，U是經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后輸出的電壓控制信號(hào)。

圖3 凈化器無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置控制系統(tǒng)框圖

3 新型轉(zhuǎn)速估計(jì)算法

3.1 基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定子繞組電阻壓降的新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法

根據(jù)上文分析可知，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法需要在檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后延遲30°電角度，對(duì)下一組繞組進(jìn)行換相，從而合理控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)順序，在反電動(dòng)勢(shì)波形的平頂部分導(dǎo)通該項(xiàng)繞組，使相電流與反電動(dòng)勢(shì)的相位一致，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最佳換相。

電機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳換相，可以讓電機(jī)繞組獲得最大的利用率，從而使電機(jī)具有較大的電磁轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，此時(shí)電機(jī)的平穩(wěn)性最好，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最佳運(yùn)行。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的準(zhǔn)確性對(duì)于基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法控制的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)換相至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)通過(guò)兩次反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，得到的轉(zhuǎn)速是兩次過(guò)零點(diǎn)之間的平均轉(zhuǎn)速，不夠準(zhǔn)確，這樣導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法在最佳換相時(shí)刻換相，造成電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，因此需要一種更為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法。

對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，當(dāng)電流從a相流入b相時(shí)：

(4)

式中，ia、ib、ic分別是三相繞組相電流，Ea和Eb分別為A相、B相定子反電動(dòng)勢(shì)。

根據(jù)式(4)可得線電壓：

(5)

(6)

從式(6)可知，根據(jù)線電壓、相電流和定子繞組電阻可以計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是電機(jī)繞組電阻R會(huì)隨著溫度而變化導(dǎo)致無(wú)法確定，且對(duì)三相電流的采樣電路也增加了設(shè)計(jì)的成本。為此提出一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定子繞組電阻壓降的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定子繞組電阻壓降的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法

從圖4可以看出，轉(zhuǎn)速估計(jì)采用PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償定子繞組電阻壓降，不再需要實(shí)時(shí)電流和電阻。其中，Spd_est是由線電壓估計(jì)的轉(zhuǎn)速，Spe_ce是通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)估計(jì)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)器的輸入是兩個(gè)轉(zhuǎn)速的偏差，調(diào)節(jié)器的輸出是補(bǔ)償?shù)亩ㄗ永@組電阻壓降Uc。

3.2 新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述的理論分析，在圖3建立的控制系統(tǒng)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將占空比設(shè)置為1，圖5為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、采用傳統(tǒng)估計(jì)方法的轉(zhuǎn)速和采用新型估計(jì)方法的轉(zhuǎn)速。

從圖5可以看出，在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，采用傳統(tǒng)的基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)估計(jì)的轉(zhuǎn)速存在較大的誤差，采用這種轉(zhuǎn)速估計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法在最佳換相時(shí)刻進(jìn)行換相，使得電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，存在較大的噪聲與振動(dòng)；而采用新型估計(jì)方法的轉(zhuǎn)速在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻更加接近電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖5 兩種轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的比較

4 PWM控制方式對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響

4.1 PWM方式對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

由文獻(xiàn)[6]可知，可以得出雙管調(diào)制下無(wú)刷直流電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為

(7)

式中，D為PWM占空比，T為PWM一個(gè)周期的時(shí)間，ia1min為雙管調(diào)制下穩(wěn)態(tài)時(shí)的最小電流值。

由文獻(xiàn)[6]可知，可以得出單管調(diào)制下無(wú)刷直流電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為

(8)

通過(guò)比較兩種方式的平均電磁轉(zhuǎn)矩可得：

(9)

可知，在相同的PWM頻率與占空比下，無(wú)刷直流電機(jī)在單管調(diào)制方式下的電磁轉(zhuǎn)矩大于在雙管調(diào)制下的電磁轉(zhuǎn)矩。

4.2 PWM方式對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)非換相期間非導(dǎo)通相電流續(xù)流的影響

無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使其應(yīng)用受到限制，其中換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為無(wú)刷直流電機(jī)所特有的，且對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大。采用PWM控制，當(dāng)PWM為低電平時(shí)，電流總是通過(guò)PWM調(diào)制相的另一橋臂的二極管進(jìn)行續(xù)流。因此，可以知道采用單管調(diào)制方式，在非換相期間導(dǎo)通相存在恒導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管與續(xù)流的二極管同為上橋臂或者下橋臂的時(shí)刻，造成某相有電流流過(guò)的可能，若是采用PWM-ON-PWM控制方式，該相非導(dǎo)相期間無(wú)電流流過(guò)[7-8]。

4.3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述的理論分析，在PSIM仿真環(huán)境中建立了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真。仿真中電機(jī)參數(shù)如下：定子電阻11.9 Ω，定子電感1.38 mH，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為16.15(V·kr/min)，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.007 g·m2，直流母線電壓為300 V，PWM頻率為20 kHz，占空比設(shè)置為0.6，得到PWM-ON-PWM方式下的相電流與電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。仿真表明采用PWM-ON-PWM方式的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在上、下橋臂換相時(shí)最小，通過(guò)公式推導(dǎo)及仿真實(shí)驗(yàn)比較了六種常見(jiàn)的PWM方式下的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和，再考慮不同PWM方式下的開(kāi)關(guān)管損耗，結(jié)果表明，無(wú)刷直流電機(jī)在PWM-ON-PWM方式下的性能優(yōu)于其他幾種方式。

圖6 PWM-ON-PWM方式下的波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成了對(duì)空氣凈化器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，搭建了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由高壓直流供電部分、低壓直流供電部分、電機(jī)控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。

圖7 空氣凈化器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5.1 新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法實(shí)驗(yàn)波形

為了驗(yàn)證本文提出的新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在200 V的供電電壓下，將占空比設(shè)置為1，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2010 r/min，得到采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的端電壓波形和換相信號(hào)如圖8所示，采用新型的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的端電壓波形和換相信號(hào)如圖9所示。發(fā)現(xiàn)相較于采用新型的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法使得電機(jī)運(yùn)行的噪聲與振動(dòng)較大，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大。

圖8 采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的波形

從圖8可以看出，由于估計(jì)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速存在較大的誤差，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法在最佳換相時(shí)刻換相，反電動(dòng)勢(shì)的波形呈現(xiàn)非正常的梯形波，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，存在較大的噪聲和振動(dòng)；從圖9可以看出，采用新型的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法可以使無(wú)刷直流電機(jī)的換相點(diǎn)更接近最佳換相點(diǎn)，反電動(dòng)勢(shì)的波形接近理想的梯形波，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖9 采用新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法的波形

根據(jù)圖8與圖9的對(duì)比可以得出結(jié)論：采用新型方法估計(jì)的轉(zhuǎn)速更加接近實(shí)際轉(zhuǎn)速，可以使無(wú)刷直流電機(jī)的換相點(diǎn)更接近最佳換相點(diǎn)，從而使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低噪聲和振動(dòng)。

5.2 采用PWM-ON-PWM方式電機(jī)運(yùn)行測(cè)試

為了進(jìn)一步觀察電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速特性，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，采用PWM-ON-PWM方式，從400 r/min的給定轉(zhuǎn)速開(kāi)始每間隔200 r/min的給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并擬合調(diào)速曲線圖，如圖10所示，可知系統(tǒng)有良好的調(diào)速特性。

圖10 控制系統(tǒng)的調(diào)速曲線圖

通過(guò)示波器觀察不同供電電壓下的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將供電電壓設(shè)置為60 V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，得到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相電壓波形如圖11所示。從圖中可以看出相電壓呈現(xiàn)辨析度極高的梯形波，且波形沒(méi)有發(fā)生畸變，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖11 60V供電電壓下電機(jī)運(yùn)行的相電壓波形

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定子繞組電阻壓降的新型轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明采用新型方法估計(jì)的轉(zhuǎn)速更加接近實(shí)際轉(zhuǎn)速，可以使電機(jī)的換相點(diǎn)更接近最佳換相點(diǎn)，從而使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

本文針對(duì)現(xiàn)存的多種對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究了PWM方式對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能影響，結(jié)果表明，無(wú)刷直流電機(jī)在PWM-ON-PWM方式下的性能最優(yōu)，供電電網(wǎng)沖擊最小。