電動(dòng)汽車空調(diào)電機(jī)無位置傳感器控制的實(shí)驗(yàn)研究*

魏海峰,張 懿,楊 康,顧 凱

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212003)

2016019

電動(dòng)汽車空調(diào)電機(jī)無位置傳感器控制的實(shí)驗(yàn)研究*

魏海峰,張 懿,楊 康,顧 凱

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212003)

為滿足電動(dòng)汽車空調(diào)的工程需求，采用一體式電機(jī)-渦旋壓縮機(jī)，研究了壓縮機(jī)中永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方案。該方案基于傳統(tǒng)的三段式驅(qū)動(dòng)方法，在開環(huán)加速與轉(zhuǎn)速閉環(huán)之間，增加位置閉環(huán)的環(huán)節(jié)，以改善切換的可靠性。在閉環(huán)運(yùn)行階段，采用滑模觀測(cè)器估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，進(jìn)行了大量樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過相電流、母線電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等多參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的互相印證，驗(yàn)證了控制方案的有效性和可行性。

車載空調(diào)；永磁同步電機(jī)；滑模觀測(cè)器；無傳感器運(yùn)行

前言

一體式電機(jī)-渦旋壓縮機(jī)因其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為電動(dòng)汽車車載空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，壓縮機(jī)電機(jī)及其控制器的設(shè)計(jì)則是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，需要光電編碼盤之類的機(jī)械傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，增大了壓縮機(jī)體積和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性[3-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)90%的故障與位置傳感器有關(guān)。對(duì)于一體式電機(jī)-渦旋壓縮機(jī)，電機(jī)安裝空間更為有限，且壓縮機(jī)內(nèi)溫度往往超過100℃，充滿了強(qiáng)腐蝕性的高壓制冷劑，運(yùn)行環(huán)境惡劣[6]。因此，研究車載空調(diào)電機(jī)的無傳感器控制對(duì)電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)拓展具有積極作用。

常用的永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法主要有3種類型：一類是基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法[7-9]，該方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，但是受參數(shù)不確定性和測(cè)量噪聲影響較大，一般很少采用；另一類是利用電機(jī)凸極特性獲取位置信息的方法[10-13]，在轉(zhuǎn)速低至零時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，但它局限于凸極電機(jī)，且額外引入的高頻信號(hào)會(huì)降低電機(jī)的控制性能；最后一類是基于反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)方法[14-17]，其本身具備出色的動(dòng)靜態(tài)性能，但在低速時(shí)觀測(cè)精度不高，須在電機(jī)轉(zhuǎn)子定位并啟動(dòng)運(yùn)行至一定轉(zhuǎn)速后，方可投入使用，不適用于零速重載的啟動(dòng)條件。考慮到空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，約為額定負(fù)載的10%，并且對(duì)啟動(dòng)過程沒有特殊要求，易于進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，滿足基于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)方法的應(yīng)用前提。本文中采用轉(zhuǎn)子位置滑模觀測(cè)器來觀測(cè)轉(zhuǎn)子的位置角和轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)其無傳感器驅(qū)動(dòng)控制。轉(zhuǎn)子滑模觀測(cè)器是基于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器的一種，具有對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精度要求不高，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部環(huán)境擾動(dòng)具有較強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)，特別適用于電動(dòng)汽車車載空調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)合。

本文中根據(jù)車載空調(diào)應(yīng)用的工程實(shí)際，采用一體式電機(jī)-渦旋壓縮機(jī)，將滑模觀測(cè)器與電機(jī)階段式啟動(dòng)運(yùn)行有機(jī)結(jié)合，改進(jìn)了電機(jī)的閉環(huán)切換策略，提出電動(dòng)汽車空調(diào)電機(jī)無位置傳感器控制方案。在此基礎(chǔ)上，研制了某型號(hào)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)，利用搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本文中控制方案的有效性。

1 一體式電機(jī)-渦旋壓縮機(jī)

系統(tǒng)采用電機(jī)與渦旋壓縮機(jī)一體式設(shè)計(jì)，電機(jī)和壓縮機(jī)本體封閉在一個(gè)殼體內(nèi)，因此無傳動(dòng)損耗。除軸承外，沒有金屬接觸，無運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦磨損，機(jī)械效率高。電機(jī)通過貼合壓縮機(jī)冷端表面進(jìn)行冷卻，借助冷媒循環(huán)可自行冷卻而無須外加冷卻設(shè)備。該渦旋壓縮機(jī)采用動(dòng)渦輪和靜渦輪組合的動(dòng)靜式結(jié)構(gòu)，動(dòng)、靜渦輪都由端板和從端板上伸出的漸開線型渦旋齒構(gòu)成，兩者偏心配置且相差180°。壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，靜渦輪靜止不動(dòng)，動(dòng)渦輪在防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，由曲柄軸帶動(dòng)作偏心回轉(zhuǎn)平動(dòng)。氣體由吸入口經(jīng)空氣濾芯吸入靜渦輪的外圍，隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)，氣體在動(dòng)靜渦輪嚙合所組成的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜渦輪中心部件的軸向孔連續(xù)排出。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車空調(diào)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速成固定比例關(guān)系，轉(zhuǎn)速由內(nèi)燃機(jī)的最低轉(zhuǎn)速和內(nèi)燃機(jī)與壓縮機(jī)之間的傳動(dòng)比所決定，而電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可以自由調(diào)整，其范圍只與電機(jī)的調(diào)速范圍有關(guān)。

本文中采用的車載變頻空調(diào)系統(tǒng)由電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥和連接管路等組成。車內(nèi)溫度高時(shí)，溫度信號(hào)傳到電機(jī)控制器，控制器提高輸入永磁同步電機(jī)的頻率和電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，壓縮機(jī)單位時(shí)間的排氣量和空調(diào)的制冷量增加。車內(nèi)溫度低時(shí)，溫度信號(hào)傳到電機(jī)控制器，控制器降低輸入電機(jī)的頻率和電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，壓縮機(jī)單位時(shí)間排氣量和空調(diào)的制冷量減少。電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式結(jié)構(gòu)使得制冷劑的泄漏大大減少，無需電磁離合器控制壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲降低。該壓縮機(jī)體積小，質(zhì)量輕，可靠性高，安裝方便，能有效減小整車質(zhì)量和體積。

2 轉(zhuǎn)子位置滑模觀測(cè)器

永磁同步電機(jī)α-β兩相坐標(biāo)系下電壓平衡方程為

(1)

定義滑模面為

(2)

滑模觀測(cè)方程為

(3)

式(3)減去式(1)得電流觀測(cè)誤差的狀態(tài)方程：

(4)

系統(tǒng)進(jìn)入滑模狀態(tài)后，有

(5)

代入式(4)，并將不連續(xù)的含有高頻成分的反電勢(shì)信號(hào)低通濾波，得其估算值為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子位置角為

(8)

3 無位置傳感器的驅(qū)動(dòng)控制

由本文中算法可知，滑模觀測(cè)器是通過計(jì)算反電勢(shì)相角來得到轉(zhuǎn)子位置。理論上，滑模觀測(cè)器可用于系統(tǒng)全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的觀測(cè)，但在電壓和電流的實(shí)際測(cè)量中總會(huì)存在測(cè)量噪聲和測(cè)量誤差，它們必然會(huì)引起反電勢(shì)的偏差。當(dāng)系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)，因電機(jī)的端電壓比較大，測(cè)量誤差和測(cè)量噪聲在整個(gè)反電勢(shì)中所占的比例相對(duì)較小，偏差量相對(duì)估算的反電勢(shì)值較小，因此電機(jī)尚能較好地運(yùn)行。但是當(dāng)電機(jī)低速時(shí)，端電壓很小，測(cè)量誤差和測(cè)量噪聲相對(duì)反電勢(shì)所占比例增大，漂移量相對(duì)估算的反電勢(shì)也較大，使電機(jī)低速運(yùn)行性能變差，甚至根本無法運(yùn)行。因此，永磁同步電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動(dòng)，須要按照電機(jī)啟動(dòng)、低速和高速的不同轉(zhuǎn)速區(qū)間，研究階段式的驅(qū)動(dòng)策略。

常用的電機(jī)三段式驅(qū)動(dòng)方法，由開環(huán)加速階段直接進(jìn)入矢量控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段，同時(shí)引入轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流等多個(gè)變量的閉環(huán)控制，控制結(jié)構(gòu)變化大，會(huì)引起切換的失敗。由于轉(zhuǎn)速估算和電流矢量變換的前提都在于轉(zhuǎn)子位置角度的觀測(cè)，位置閉環(huán)是其中最重要的閉環(huán)環(huán)節(jié)，也是其它閉環(huán)控制成功的基礎(chǔ)。本文中改進(jìn)了傳統(tǒng)的三段式無位置傳感器驅(qū)動(dòng)方法，將閉環(huán)運(yùn)行階段進(jìn)一步分為位置閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)兩個(gè)先后步驟：開環(huán)加速之后，先將滑模觀測(cè)器得到的轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)，完成電機(jī)的自同步運(yùn)行，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流的閉環(huán)控制，提高開環(huán)與閉環(huán)階段間切換的可靠性。

3.1 轉(zhuǎn)子定位

由于永磁體的存在，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈就有其隨機(jī)的空間位置，轉(zhuǎn)子定位是通過施加方向恒定的空間電壓矢量，使轉(zhuǎn)子N極定位在指定位置處。因此，本文中將逆變器兩相導(dǎo)通，控制電機(jī)勵(lì)磁電流為0，轉(zhuǎn)矩電流為常值，且兩者夾角為-90°，使定子產(chǎn)生特定方向的磁場(chǎng)，并保持一段時(shí)間。轉(zhuǎn)子便可轉(zhuǎn)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸和三相靜止坐標(biāo)系的A軸重合的位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子相位的初始化。轉(zhuǎn)子定位階段須保持足夠的電流，以產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)為防止電機(jī)過流，電流應(yīng)控制至電機(jī)額定電流的10%～40%。

3.2 開環(huán)加速

在完成轉(zhuǎn)子定位后，則須使電機(jī)加速到能讓滑模觀測(cè)器準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子角度的最小轉(zhuǎn)速。在開環(huán)啟動(dòng)階段，采用恒壓頻比控制，通過控制逆變器電壓和頻率比值不變，保持氣隙磁鏈幅值恒定，進(jìn)而達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。為了讓永磁同步電機(jī)不產(chǎn)生失步現(xiàn)象，則須保證升頻升壓曲線盡量和電機(jī)自身的壓頻曲線一致。由于變頻空調(diào)系統(tǒng)本身設(shè)有自動(dòng)過流保護(hù)的功能，因此，頻率設(shè)定必須通過給定積分算法產(chǎn)生升速信號(hào)，升速的積分時(shí)間可根據(jù)溫控模式的需要進(jìn)行選擇。

3.3 閉環(huán)運(yùn)行

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)無傳感器控制，是在開環(huán)加速后直接切換至轉(zhuǎn)速閉環(huán)，由于控制結(jié)構(gòu)變化大，會(huì)發(fā)生切換失敗的情況。針對(duì)這一問題，本文中將閉環(huán)階段進(jìn)一步分為位置閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)兩個(gè)步驟，在位置閉環(huán)完成之后，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，提升了閉環(huán)切換的可靠性。

3.3.1 位置閉環(huán)

隨著電機(jī)的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升，電機(jī)的反電勢(shì)也被建立起來，用于轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的有用信息可從反電動(dòng)勢(shì)中分離出來，則可利用滑模觀測(cè)器進(jìn)行估算。此時(shí)，先啟動(dòng)滑模觀測(cè)器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的開環(huán)預(yù)估計(jì)，使估算誤差減小。在經(jīng)歷幾個(gè)電周期待角度估算穩(wěn)定后，將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的來源由開環(huán)的外同步信號(hào)轉(zhuǎn)換到滑模觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自同步運(yùn)行。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置由永磁轉(zhuǎn)子的位置決定，自動(dòng)地維持與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°的夾角，可使單位轉(zhuǎn)矩電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較大。

3.3.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)

位置閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，將所得轉(zhuǎn)子位置角對(duì)時(shí)間求導(dǎo)即可計(jì)算得出轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 000r/min時(shí)，進(jìn)入矢量控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段。矢量控制是對(duì)電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流相位及幅值的控制，也即將對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。只要保證勵(lì)磁電流為0，使定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)間的角度為90°，即保持正交，就能保證電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流成正比。由于無需勵(lì)磁電流，勵(lì)磁損耗為0，銅耗亦隨之減小，有助于提升空調(diào)運(yùn)行效率。矢量控制使電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)空調(diào)制冷量的需要而連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)制冷量連續(xù)可調(diào)的變頻控制。

圖1給出了基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖，圖中d和q表示電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d-q坐標(biāo)軸。

圖1 采用滑模觀測(cè)器的矢量控制系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

圖2 車載空調(diào)樣機(jī)

采用ZC系列磁滯測(cè)功機(jī)構(gòu)建了車載空調(diào)永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。磁滯測(cè)功機(jī)由帶齒極定子、空心磁滯杯轉(zhuǎn)子、激磁線圈、支架和底板等組成，當(dāng)磁滯測(cè)功機(jī)內(nèi)部線圈通過電流時(shí)產(chǎn)生磁力線，并形成磁回路而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，改變勵(lì)磁電流即可改變負(fù)載力矩。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有手動(dòng)、定點(diǎn)、自動(dòng)測(cè)試方式，負(fù)載可根據(jù)設(shè)置自動(dòng)加載，掃描出電機(jī)從空載到堵轉(zhuǎn)的特性曲線。電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)可以用報(bào)表或曲線方式顯示或打印，并可保存和查看；顯示曲線時(shí)，可以修改曲線坐標(biāo)參數(shù)和橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的選擇。多臺(tái)電機(jī)的測(cè)試曲線可以在同一界面下比較，曲線坐標(biāo)值、曲線縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)可以修改，系統(tǒng)可進(jìn)行帶負(fù)載耐久實(shí)驗(yàn)，遇到電機(jī)不正常時(shí)自動(dòng)報(bào)警并停止實(shí)驗(yàn)。圖2為車載空調(diào)樣機(jī)，壓縮機(jī)具體參數(shù)如下：排氣量為34cm3/r，蓄電池電壓為312V，母線電流為9.1A，極對(duì)數(shù)為3，噪聲為76dB，凈質(zhì)量為6.4kg，制冷量為5.60kW(6 000r/min)，輸入功率為2.85kW(6 000r/min)，性能系數(shù)(COP)為1.95(6 000r/min)。

采用提出的無位置傳感器控制策略，開展了電機(jī)定位啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和高速重載實(shí)驗(yàn)，對(duì)控制方案的可行性和有效性進(jìn)行了分析研究。

4.1 定位啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖3為電機(jī)定位啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)的相電流波形圖。由該圖可以看出，轉(zhuǎn)子定位初始時(shí)刻沖擊電流達(dá)到5A，定位時(shí)間持續(xù)1.2s，隨后電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，相電流呈現(xiàn)出正弦波形。實(shí)驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)子定位時(shí)，伴隨著“咔”的輕響，可觀察到電機(jī)轉(zhuǎn)子被迅速拉至定位位置。隨后，電機(jī)開始啟動(dòng)，并逐漸加速，進(jìn)入開環(huán)運(yùn)行階段。圖3說明本文中驅(qū)動(dòng)控制策略能完成電機(jī)的定位和啟動(dòng)，定位沖擊電流可控，可順利進(jìn)入開環(huán)加速階段。

圖3 定位啟動(dòng)時(shí)的相電流波形

圖4～圖6分別為無傳感器驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)相電流波形、母線電流-轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線。圖4～圖6為同一實(shí)驗(yàn)測(cè)得，可從不同側(cè)面相互印證控制策略的性能。特別是圖5，從轉(zhuǎn)速和直流母線電流兩者關(guān)系入手，從一種新穎的角度研究電機(jī)的運(yùn)行特征。

圖4 相電流波形

圖5 轉(zhuǎn)速-母線電流曲線

圖6 轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線

統(tǒng)觀圖4～圖6中的3條曲線可見，電機(jī)運(yùn)行的階段性特征明顯，轉(zhuǎn)子定位、開環(huán)升速和閉環(huán)運(yùn)行3個(gè)階段清晰可見。定位啟動(dòng)階段已于4.1節(jié)中說明，下面重點(diǎn)分析后兩個(gè)階段。

4.2 開環(huán)加速實(shí)驗(yàn)

開環(huán)加速階段，由于轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器尚未投入運(yùn)行，在逆變電源外同步狀態(tài)下，電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)并不是處于理想的垂直狀態(tài)。因此，即使所需電磁轉(zhuǎn)矩較小，無論是相電流還是母線電流都比較大。從圖4和圖5可明顯看到，開環(huán)加速時(shí)，相電流和母線電流都有急劇增加，兩者峰值分別為16和1.2A。同樣由于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的這種非正交性，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩為電流矢量和定子磁鏈?zhǔn)噶坎娣e的關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)比較大。從圖5和圖6也可看出，在此階段，母線電流和轉(zhuǎn)速的變化波動(dòng)較大。與此對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過程中，開環(huán)加速期間的振動(dòng)和噪聲明顯。

4.3 閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

4.3.1 位置閉環(huán)

開環(huán)加速運(yùn)行4s，本實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為715r/min時(shí)，系統(tǒng)切換至位置閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 000r/min時(shí)，再進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)狀態(tài)。從開環(huán)進(jìn)入位置閉環(huán)后，可以發(fā)現(xiàn)，即使圖6中電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，即反映電磁轉(zhuǎn)矩的加速度不降低的情況下，圖4和圖5在該階段對(duì)應(yīng)的相電流幅值和母線電流都有明顯減小。也就是說，由于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可通過滑模觀測(cè)器觀測(cè)得到，注入永磁同步電機(jī)定子繞組的電流，便可由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來控制，從而進(jìn)入定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子位置來決定的自同步運(yùn)行模式。通過查閱測(cè)功機(jī)的記錄數(shù)據(jù)可知，電機(jī)運(yùn)行效率在位置閉環(huán)前后各1s時(shí)刻測(cè)得的數(shù)值，也由34.1%突增至63.5%。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中的噪聲也比開環(huán)加速階段有明顯降低。綜合上述波形、曲線、效率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，滑模觀測(cè)器能正確觀測(cè)出永磁同步電機(jī)由外同步進(jìn)入自同步狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子的位置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無位置傳感器控制運(yùn)行。

4.3.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)

在位置閉環(huán)運(yùn)行階段，同時(shí)計(jì)算滑模觀測(cè)器所得轉(zhuǎn)子位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000r/min時(shí)，本實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)時(shí)間為第6s的時(shí)刻(以轉(zhuǎn)子定位時(shí)刻為時(shí)間起點(diǎn))，系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段。按照?qǐng)D1所示的矢量控制模式，根據(jù)空調(diào)制冷量的需求，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行。從圖4和圖5可以明顯看到，第6s和1 000r/min時(shí)刻，相電流和母線電流都存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖6的轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線也顯示，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，可穩(wěn)定運(yùn)行于設(shè)定的6 000r/min處，且控制精度高。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明滑模觀測(cè)器運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速計(jì)算正確，能完成系統(tǒng)的矢量控制變頻調(diào)速。

4.4 高速重載實(shí)驗(yàn)

為分析控制策略在高速重載極端條件下的運(yùn)行效果，進(jìn)行了高速重載實(shí)驗(yàn)，電機(jī)在6 000r/min、最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩6N·m下的相電流波形如圖7所示。由圖7可知，相電流頻率為303.5Hz，據(jù)此可算得轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)速控制誤差為

圖7中，電機(jī)相電流有效值達(dá)到了21.6A，系統(tǒng)仍具有良好的運(yùn)行性能。但是，由于滑?？刂茷殚_關(guān)邏輯，并非連續(xù)控制，本身存在缺陷，會(huì)造成如圖7所示的信號(hào)抖動(dòng)。因此，下一步須研究適合工程應(yīng)用的滑模觀測(cè)器去抖動(dòng)算法。

圖7 6 000r/min和6N·m時(shí)的相電流波形

5 結(jié)論

本文中采用將滑模觀測(cè)器與電機(jī)無傳感器運(yùn)行有機(jī)結(jié)合的控制方案，通過詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)控制策略能有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子定位和啟動(dòng)，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)與開環(huán)加速之間，設(shè)計(jì)了位置閉環(huán)運(yùn)行階段，提高了閉環(huán)切換的可靠性；

(2)滑模觀測(cè)器能準(zhǔn)確測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，從而完成無位置傳感器運(yùn)行時(shí)的自同步與閉環(huán)調(diào)速；

(3)即使在高速重載工況下，控制方案仍具有較高的調(diào)速精度；

(4)在壓縮機(jī)運(yùn)行的常態(tài)工況下，電機(jī)運(yùn)行效率可達(dá)90%，并在較大轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)都具有80%以上的運(yùn)行效率。

綜上所述，控制方案能滿足電動(dòng)汽車變頻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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An Experimental Study on the Position Sensorless Control of Electric Motor for Air-conditioning in Electric Vehicle

Wei Haifeng, Zhang Yi, Yang Kang & Gu Kai

SchoolofElectricalandInformation,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003

For meeting the engineering requirements of mobile air-conditioning in an electric vehicle, an integrated electric motor - scroll compressor is adopted and a position sensorless control scheme of permanent magnet synchronous motor in compressor is studied. Based on the traditional 3-stage start-up method, a position closed-loop link is added in between open-loop acceleration stage and speed closed-loop stage to improve switching reliability. In closed-loop operation stage, sliding mode observer is used to estimate the position and rotation speed of motor rotor. A large number of tests are carried out and the effectiveness and feasibility of the control scheme proposed are verified through the mutual validation among the results of test on parameters of phase current, bus current, rotation speed, torque, and power etc.

mobile air-conditioning; permanent magnet synchronous motor; sliding mode observer; sensorless operation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(61503161)、極端條件下機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料科學(xué)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開放基金(201303)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2011]6號(hào))資助。

原稿收到日期為2013 年12月13日，修改稿收到日期為2014年6月30日。