基于脈振高頻注入的永磁同步壓縮機無位置傳感器控制

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1 引言

永磁同步電動機（PMSM）具有功率密度高、運行效率高、無電刷等優(yōu)點，廣泛用于高性能伺服系統(tǒng)以及家用電器中[1]。目前，變頻空調(diào)壓縮機與風機廣泛使用永磁同步電機。PMSM壓縮機的電機與泵體密封在殼體內(nèi)，電機工作溫度能達到120℃，同時，內(nèi)部充滿冷媒和潤滑油，難以安裝機械式傳感器，大部分PMSM壓縮機都采用無位置傳感器控制[2]。目前，適用于PMSM的無位置控制方法可以分為兩類：（1）基于基波模型的位置檢測方法，主要利用基波模型中的反電勢進行速度和位置的檢測，一般在中高速時采用；（2）基于諧波模型的位置檢測方法，這類方法普遍利用轉(zhuǎn)子的凸極性來實現(xiàn)位置檢測，普遍用于電機的低速無位置控制[3]，脈振高頻注入法就屬于此類方法，其魯棒性好，對電機參數(shù)不敏感。

本文針對現(xiàn)有技術(shù)方案中，在低速運行及啟動過程采用開環(huán)的反電動勢模型估算位置，對電機參數(shù)及硬件依賴較大、適應性差的不足，采用脈振高頻注入法估算低速下的轉(zhuǎn)速與位置。本文給出實現(xiàn)脈振高頻注入法的關鍵步驟，并在單轉(zhuǎn)子壓縮機上進行了實驗，結(jié)果驗證了該控制方法具有較好的魯棒性。

2 基于脈振高頻注入的位置估算

脈振高頻注入法首先向d軸注入一個高頻余弦電壓信號，采樣q軸電流，經(jīng)過帶通濾波器（BPF），再與正弦調(diào)制信號相乘，經(jīng)過低通濾波器（LPF），得到估算坐標系與實際坐標系的誤差角，經(jīng)PI鎖相環(huán)得出估算速度，再對估算速度積分得到估算角度，信號處理過程如圖1所示[3]。當轉(zhuǎn)速高于450rpm時，再切換至基于電機反電勢觀測器加鎖相環(huán)的位置估算，當轉(zhuǎn)速低于400rpm時，切換至基于脈振高頻注入的估算，在400rpm至450rpm維持原有的估算方法。

下面對脈振高頻注入法實現(xiàn)過程中的關鍵技術(shù)展開描述：

（1）在注入高頻信號前應給定一個d軸電流，使轉(zhuǎn)子d軸定位至給定的角度。為了消除定位盲區(qū)，應進行二次定位，并根據(jù)“功角自平衡原理”，兩次定位角度差為60°。

（2）注入信號頻率與幅值選擇依據(jù)：注入信號的頻率應小于等于PWM載頻的1/10，以保證注入余弦信號不失真，并且遠大于采用高頻注入法的運行頻率，以利于濾波器的設計，本文使用的載頻為5kHz，注入信號的頻率為500Hz；注入信號的幅值過小，影響轉(zhuǎn)速信號的提取精度，過大會帶來過高的噪聲，因此注入信號的幅值應根據(jù)不同阻抗的電機與實際系統(tǒng)選取。

（3）數(shù)字濾波器根據(jù)其脈沖響應分為有限長沖激響應（FIR）及無限長沖激響應（IIR），IIR濾波器用定點DSP實現(xiàn)存在濾波器有限字長和系數(shù)量化效應，其對系數(shù)量化非常敏感，直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而FIR濾波器的脈沖傳遞函數(shù)只有零點，其總是穩(wěn)定的[4]。由于本文中主控制器使用定點DSP，故濾波器使用FIR濾波器實現(xiàn)，借助MATLAB/FDATOOL工具，使用Hamming窗函數(shù)進行濾波器設計，對FDATOOL設計好后的濾波器應進行二次校驗，看幅頻特性是否滿足要求，若不滿足，應提高濾波器的階數(shù)。文中的帶通濾波器（BPF）使用30階濾波器，低通濾波器使用16階濾波器。500Hz帶通濾波器幅值頻率特性曲線如圖2所示。

（4）Iq經(jīng)BPF濾波器后為Iqh，會產(chǎn)生一定的相位滯后，為保證正弦調(diào)制信號與Iqh相位相同，應對正弦信號補償一個初始相位，再與Iqh相乘。

（5）脈振高頻注入法在提取轉(zhuǎn)速信號的過程中使用了各類濾波器，與電機的速度環(huán)、電流環(huán)與鎖相環(huán)構(gòu)成了閉環(huán)控制，脈振高頻注入法對控制器的參數(shù)比較敏感，整定控制器參數(shù)較為關鍵[5]，若控制參數(shù)選擇不合適，會導致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，在工程應用中，常使用帶寬來整定控制器參數(shù)，如速度環(huán)帶寬、電流環(huán)帶寬、鎖相環(huán)帶寬，其中電流環(huán)帶寬尤為重要。電流環(huán)的帶寬應小于帶通濾波器的中心頻率，在壓縮機應用場合中，對動態(tài)性能要求不高，因此電流環(huán)帶寬可適當選小。另外，由于Id與Iq包含高頻注入分量，在進行電流閉環(huán)控制時，應使用低通濾波器（截止頻率為100Hz）濾除dq軸電流采樣信號中的高頻分量，再與給定電流信號作差。

3 實驗結(jié)果

采用上述脈振高頻注入法，使用DSP+IPM硬件結(jié)構(gòu)，在單轉(zhuǎn)子內(nèi)埋式永磁同步壓縮機上進行試驗，電機參數(shù)為：極對數(shù)為3，Ld=9.2mH，Lq=11.6mH，Rs=1.8Ω，圖3所示為估算轉(zhuǎn)速曲線與壓縮機相電流曲線，壓縮機穩(wěn)定運行在3Hz，并且從圖中可以看出，脈振高頻注入法能較好反應單轉(zhuǎn)子壓縮機在旋轉(zhuǎn)一周過程中由于吸排氣負荷不平衡導致的轉(zhuǎn)速波動，而使用線性觀測器估算旋轉(zhuǎn)坐標系下Ed、Eq，再使用鎖相環(huán)解算出轉(zhuǎn)速與位置的方法，在相同負荷下最低只能運行在6Hz。通過試驗證明，本文采用的脈振高頻注入法能在較低轉(zhuǎn)速下估算出壓縮機的轉(zhuǎn)速與位置，使壓縮機能穩(wěn)定運行在低頻，以實現(xiàn)節(jié)能以及提高空調(diào)舒適度的目的，并且，該方法對不同參數(shù)的電機有較好的適應性，可縮短新產(chǎn)品開發(fā)中調(diào)試參數(shù)的時間。

圖1 信號處理過程

圖2 500Hz帶通濾波器幅值頻率特性曲線

圖3 估算轉(zhuǎn)速曲線與壓縮機相電流曲線

參考文獻

[1] 劉錦波，張承慧等. 電機與拖動[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[2] 孫承波. 空調(diào)永磁同步壓縮機控制系統(tǒng)研究[博士學位論文]. 上海：上海大學，2008.

[3] 王龍. 寬轉(zhuǎn)速范圍表貼式永磁同步電機無位置傳感器控制[碩士學位論文]. 南京：南京航空航天大學，2016.

[4] 劉毅. 基于高頻注入的永磁同步電動機無傳感器運行研究[碩士學位論文]. 杭州：浙江大學，2005.

[5] 秦峰，賀益康，劉毅等. 兩種高頻信號注入法的無傳感器運行研究[J].中國電機工程學報，2005, 25(5): 116-121.