基于零電壓矢量脈沖法的空調(diào)風(fēng)機(jī)飛車啟動(dòng)策略研究

任兆亭 李希志 周金偉 姜學(xué)想

青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 山東青島 266555

0 引言

永磁同步電機(jī)因?yàn)樾矢?、功率因?shù)高、易于調(diào)速等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于空調(diào)風(fēng)機(jī)中。斷電狀態(tài)的風(fēng)機(jī)可能受外界風(fēng)力推動(dòng)作用而處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，需要研究風(fēng)機(jī)的飛車啟動(dòng)技術(shù)。為了使啟動(dòng)時(shí)給定的電壓矢量與反電勢(shì)相配合，首先需進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)[1

]。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁同步電機(jī)初始位置檢測(cè)及飛車啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了較多的研究。風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)在定子中感應(yīng)出較大的反電動(dòng)勢(shì)，可以直接通過測(cè)量繞組端電壓的方式跟蹤轉(zhuǎn)子位置[2]，但是電壓傳感器由于成本較高而應(yīng)用較少，因此反電勢(shì)法有較大的局限性。文獻(xiàn)[3]采用零電流矢量閉環(huán)法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。該方法中，通過將電流給定設(shè)置為零，利用電流閉環(huán)將定子電流調(diào)節(jié)為零，此時(shí)定子繞組中的電壓輸出與電機(jī)反電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，可以通過讀取電壓給定數(shù)據(jù)來得到電機(jī)的反電勢(shì)信息，但該方法在電流閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，容易引起電流沖擊。文獻(xiàn)[4]采用高頻注入法，利用電機(jī)的凸極特性進(jìn)行初始位置和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，但是高頻注入法會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲，且在轉(zhuǎn)速較高時(shí)信噪比較低。文獻(xiàn)[5]使用獨(dú)立開關(guān)脈沖法進(jìn)行初始位置的檢測(cè)，該方法對(duì)H橋上管施加相互獨(dú)立的脈沖，然后從獨(dú)立開關(guān)脈沖激發(fā)的相電流中提取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，然而這種方法需要預(yù)先確定脈沖施加的時(shí)間，需要針對(duì)電機(jī)的具體參數(shù)及運(yùn)行工況調(diào)整，通用性較差。文獻(xiàn)[6]采用零電壓矢量脈沖法進(jìn)行初始位置的檢測(cè)，通過控制逆變器上橋或下橋?qū)▉硎┘恿汶妷菏噶棵}沖，從電流中提取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。與其他方法相比，零電壓矢量脈沖法無需復(fù)雜的運(yùn)算，且檢測(cè)速度快，準(zhǔn)確性高，因此，相比于其他方法，零電壓矢量脈沖法更適用于空調(diào)風(fēng)機(jī)順逆風(fēng)啟動(dòng)中的初始位置檢測(cè)。針對(duì)初始位置檢測(cè)，目前，根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置/轉(zhuǎn)速觀測(cè)所需的零電壓矢量脈沖數(shù)目，可分為零電壓矢量單脈沖法[7-8]、零電壓矢量雙脈沖法[9]和零電壓矢量多脈沖法[10-11]等。其中，零電壓矢量雙脈沖法觀測(cè)速度快，且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的識(shí)別，具有明顯的優(yōu)勢(shì)[12]。

本文以永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，首先分析基于零電壓矢量雙脈沖法的轉(zhuǎn)子初始位置和轉(zhuǎn)速觀測(cè)原理，然后研究脈沖寬度和脈沖間隔的調(diào)整方案，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)速下初始位置和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，并在永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

1 基于零電壓矢量脈沖法的初始位置檢測(cè)

1.1 初始位置檢測(cè)

常規(guī)的空調(diào)風(fēng)機(jī)采用矢量控制，并結(jié)合SVPWM調(diào)制方式，輸出門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)至三相逆變橋。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，左側(cè)為不控整流模塊，右側(cè)為6個(gè)IGBT可控元件組成的逆變模塊。電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在某時(shí)刻同時(shí)打開上側(cè)或下側(cè)三個(gè)橋臂的IGBT，電機(jī)定子電流流過不控整流器件或反向并聯(lián)二極管形成通路，施加零矢量脈沖。施加零電壓矢量脈沖時(shí)，定子三相等效為短路，可以在短路電流中提取轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。

圖1 施加零電壓矢量脈沖時(shí)的電流流通路徑圖

要從零電壓矢量脈沖法所激發(fā)電流中提取轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速信息，需對(duì)相電流iA、iB、iC進(jìn)行Clarke變換：

電流矢量I=[iα,iβ]T，它與α軸夾角記為θI，與q軸夾角為θdI，如圖2所示。

圖2 零電壓矢量脈沖法向量圖

永磁電機(jī)電壓方程為：

式中：Rs為定子電阻；ω為轉(zhuǎn)子電角速度；ψf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈；Ld、Lq為d軸和q軸電感；id、iq為d軸和q軸電流。

施加零電壓矢量脈沖時(shí)定子側(cè)短路，因此其端電壓為零。又因?yàn)殡姍C(jī)定子電阻較小，計(jì)算過程中可以忽略電子電阻上的壓降[6]。因此，施加零電壓矢量脈沖時(shí)對(duì)應(yīng)的定子電壓方程為：

求解后，可得零電壓矢量脈沖所激發(fā)的電流為：

可將式（4）中的正余弦函數(shù)通過二階泰勒級(jí)數(shù)展開，并近似為：

計(jì)算合成電流矢量幅值，可得：

轉(zhuǎn)速估算結(jié)果可表示為：

由式（7）可知，零電壓矢量單脈沖法測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出結(jié)果恒為正，因此無法通過單脈沖法識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)向。另外，轉(zhuǎn)速估計(jì)結(jié)果與電機(jī)q軸電感、磁鏈等參數(shù)直接相關(guān)。因此，使用零電壓矢量單脈沖法進(jìn)行初始速度檢測(cè)存在較大的局限性。

根據(jù)式（4）可知，dq坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子的位置角可估算為：

進(jìn)一步變換為：

當(dāng)T1和ωT1足夠小時(shí)，可近似為：

進(jìn)一步近似為：

另外，在αβ坐標(biāo)系中電流矢量位置角（電角度）為：

因此，轉(zhuǎn)子角度的估算值為：

1.2 初始速度檢測(cè)

零電壓矢量單脈沖法估算速度快，但是在估算轉(zhuǎn)速時(shí)，估算結(jié)果受電機(jī)參數(shù)影響比較大，且無法判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。為此，引入零電壓矢量雙脈沖法轉(zhuǎn)速估算方法，其原理為：

分別先后施加兩個(gè)零矢量脈沖，持續(xù)時(shí)間分別為T1，T2。第1個(gè)零矢量脈沖施加完畢后，間隔時(shí)間τ12，然后施加第2個(gè)零矢量脈沖。零電壓矢量雙脈沖法向量圖如圖3所示，圖中分別繪出了零電壓矢量脈沖1和脈沖2所激發(fā)的電流矢量I1和I2。在靜止坐標(biāo)系中的位置分別為θI1和θI2。短路電流幅值變化規(guī)律如圖4所示，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分別為T1、T2的兩個(gè)零電壓矢量脈沖分別激發(fā)兩個(gè)電流矢量，其幅值在零電壓矢量脈沖施加過程中近似線性上升，在零電壓矢量脈沖施加完畢之后逐漸衰減為零。

圖3 零電壓矢量雙脈沖法向量圖

圖4 零電壓矢量雙脈沖引起的電流矢量幅值變化示意圖

零矢量電流I1、I2與α軸夾角分別為θI1和θI2：

轉(zhuǎn)速估算結(jié)果為：

如果估算的轉(zhuǎn)速大于0，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若小于0，電機(jī)反轉(zhuǎn)。另外，為確保反正切函數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)控制兩個(gè)零電壓矢量脈沖間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度間隔不超過（-π，π）：

τ12的取值范圍為：

2 零電壓矢量脈沖法脈寬和脈沖間隔確定策略

以實(shí)驗(yàn)室2.2 kW永磁同步電機(jī)為例，分析零電壓矢量脈沖法的脈寬和脈沖間隔確定方案。永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)表

根據(jù)式（7），可得脈沖寬度計(jì)算公式為：

根據(jù)式（19），設(shè)計(jì)電機(jī)飛車啟動(dòng)范為500～1500 r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時(shí)，零電壓矢量脈沖所激發(fā)的電流矢量幅值最大為額定電流的一半（2.2 A），則可計(jì)算得脈沖寬度為T=0.47 ms。當(dāng)n=500 r/min時(shí)，電流矢量幅值為0.73 A。這樣，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，電流矢量幅值不會(huì)超出系統(tǒng)安全電流；在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電流矢量幅值大于最小電流采樣值，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置的觀測(cè)。

另外，若脈沖間隔過大，則兩脈沖間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電角度可能超過180°，會(huì)引起轉(zhuǎn)速計(jì)算錯(cuò)誤；實(shí)際計(jì)算中，式（14）和（15）計(jì)算得到的電流矢量位置存在一定的誤差。若式（16）中的取值τ12過小，則電流矢量位置計(jì)算誤差會(huì)被帶入轉(zhuǎn)速計(jì)算中，并被放大，影響轉(zhuǎn)速計(jì)算精度。因此，為了兼顧轉(zhuǎn)速計(jì)算的正確性和準(zhǔn)確性，考慮在滿足式（18）的前提下盡可能減小脈沖間隔?？紤]轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過150°所需的時(shí)間為τ12=5.56 ms。將脈沖間隔設(shè)置為τ12=5.56 ms時(shí)，n=500～1500 r/min范圍內(nèi)變化對(duì)應(yīng)脈沖間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度范圍為50°～150°。

3 空調(diào)風(fēng)機(jī)飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述零電壓矢量脈沖法轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)及飛車啟動(dòng)，在2.2 kW永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5～圖8所示。圖中曲線從上到下依次為：轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和A相定子電流。圖5中，永磁同步電機(jī)初速度為1500 r/min。零電壓矢量脈沖施加完畢之后，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速即可被觀測(cè)出來，然后進(jìn)行電機(jī)的飛車啟動(dòng)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速觀測(cè)誤差穩(wěn)定在5%以內(nèi)，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)A相電流最大值為1.5 A左右，且未產(chǎn)生較明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，飛車啟動(dòng)過程較為平穩(wěn)。

如圖6所示為n=1000 r/min時(shí)的飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形。零電壓矢量脈沖施加完畢之后，進(jìn)行電機(jī)的飛車啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)A相電流最大值為1 A左右，且飛車啟動(dòng)過程較為平穩(wěn)。

圖6 基于零電壓矢量脈沖法的飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形（n=1000 r/min）

如圖7所示為n=500 r/min時(shí)的飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形。由于轉(zhuǎn)速較低，與圖5和圖6相比，相同脈沖寬度下激發(fā)的電流矢量幅值較小。啟動(dòng)時(shí)電機(jī)A相電流最大值不足1 A。

圖7 基于零電壓矢量脈沖法的飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形（n=500 r/min）

為驗(yàn)證零電壓矢量雙脈沖法的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向判斷效果，將轉(zhuǎn)子初始轉(zhuǎn)速拖至1500 r/min反向運(yùn)行，初始位置檢測(cè)及飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。由圖8可知，零電壓矢量雙脈沖法能夠很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的辨識(shí)，從而穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)飛車啟動(dòng)。

圖8 基于零電壓矢量脈沖法的飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形（n=-1500 r/min）

4 結(jié)論

本文對(duì)基于零電壓矢量脈沖法的空調(diào)風(fēng)機(jī)飛車啟動(dòng)進(jìn)行了研究。分析了基于零壓矢量脈沖法的轉(zhuǎn)子初始位置和轉(zhuǎn)速觀測(cè)原理，并針對(duì)傳統(tǒng)零電壓矢量單脈沖法在觀測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，觀測(cè)結(jié)果受電機(jī)參數(shù)影響大，且無法判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的問題，提出了使用零電壓矢量雙脈沖法進(jìn)行轉(zhuǎn)速的思路。另外，從限制電流矢量幅值的角度，研究了脈沖寬度的選取方案，使電機(jī)初始轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)所選擇的脈沖寬度能夠滿足觀測(cè)需求。通過限制脈沖間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度，研究了脈沖間隔的選擇方案，使轉(zhuǎn)子初始位置能夠觀測(cè)得更加準(zhǔn)確、可靠。最后，在2.2 kW永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了初始位置檢測(cè)及飛車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。