電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

尹彥秋

摘 要：電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)，作為在新能源汽車所有輔助系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)，其功耗是最大的，通過提高電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)的效能比，它可以進(jìn)一步降低新能源汽車的能耗率，有助于改善新能源汽車的續(xù)航里程。 新能源電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)所沒有的能效優(yōu)勢(shì)。根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)的負(fù)載特性和節(jié)能要求，選用永磁同步電機(jī)（PMSM），通過采用無傳感器技術(shù)和滑模觀測(cè)器法來估算轉(zhuǎn)子位置，并結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求更高的轉(zhuǎn)子速度值的估算，利用轉(zhuǎn)子位置預(yù)定位和 I- F啟動(dòng)策略，使用 PDFF調(diào)節(jié)器，可以抑制速度波動(dòng)，從而提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)空調(diào);永磁同步電機(jī);滑模觀測(cè)器;無傳感器控制;鎖相環(huán)

1 概述

近年來，隨著國(guó)家將新能源汽車上升至國(guó)家戰(zhàn)略，傳統(tǒng)汽車以及非傳統(tǒng)勢(shì)力紛紛進(jìn)場(chǎng)，以謀求新一輪新能源汽車發(fā)展紅利。2019年3月國(guó)家四部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，通知明確對(duì)新能源汽車能量消耗率提出了更高要求。電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)， 作為新能源汽車的一個(gè)關(guān)鍵分子系統(tǒng)，同時(shí)也作為新能源汽車的能耗“大戶”，業(yè)已成為各主機(jī)廠在新一輪降能耗技術(shù)所革新的目標(biāo)。通過提高電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)的效能比，其可以進(jìn)一步降低新能源汽車的能耗率，有助于改善新能源汽車的續(xù)航里程。本文提到的電動(dòng)空調(diào)伺服系統(tǒng)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)，其組成原理如圖1所示，由于其卓越的性能特性，如高控制精度，高扭矩密度和良好的扭矩穩(wěn)定性， 在交流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，具有更高的性能位置和速度要求，當(dāng)電機(jī)參數(shù)改變或電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化時(shí)， 系統(tǒng)仍具有很強(qiáng)的抗擾度。 反過來，由于外部因素的變化，系統(tǒng)的相關(guān)特性也不會(huì)發(fā)生改變，但因其對(duì)高性能的控制要求，需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)，為了克服傳統(tǒng)機(jī)械位置傳感器的低可靠性和難以維護(hù)的問題，通過使用無速度傳感器矢量控制，可以直接避免機(jī)械傳感器的不利影響。永磁同步電動(dòng)機(jī)主要控制方法如圖2所示。

2 系統(tǒng)電路工作特性

通過對(duì)比分析目前國(guó)內(nèi)外對(duì)速傳感器控制技術(shù)的研究，可以知道其中的大部分方法都只適用于電機(jī)的中、高轉(zhuǎn)速，相關(guān)研究存在對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)敏感，抗擾性差且存在難以實(shí)施的問題。在進(jìn)行伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中對(duì)需要進(jìn)行全方位考慮，其要求伺服系統(tǒng)兼具快速響應(yīng)、控制精確以及對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)具有自適應(yīng)性等特性。抑制負(fù)載轉(zhuǎn)矩及慣量的變化對(duì)PMSM伺服系統(tǒng)所產(chǎn)生的不良影響的方法大致可分為兩類：（1）可通過更改PID控制器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn);（2）通過調(diào)整PID控制器參數(shù)實(shí)現(xiàn)。PID控制策略適用于高性能要求，難以完全滿足控制要求，并且通過將非線性控制鏈路成功引入控制系統(tǒng)，獲得了線性控制結(jié)構(gòu)不具有的優(yōu)點(diǎn)。 結(jié)果如圖3所示。

通過滑模觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在高速下無傳感器矢量控制電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速自檢測(cè)，該檢測(cè)方式不僅能夠適用于高速運(yùn)行的伺服電機(jī)系統(tǒng)，并能夠使系統(tǒng)獲得更強(qiáng)的抗擾性和更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，構(gòu)建了PMSM無傳感器矢量控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。如圖4所示為伺服系統(tǒng)整體硬件電路圖。

本文采用無傳感器技術(shù)，采用滑模觀測(cè)器方法估算轉(zhuǎn)子位置，結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度估值的響應(yīng)?？刂扑俾手饕ㄟ^擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器和非線性誤差反饋，并由位置環(huán)ADRC予以實(shí)現(xiàn)。 其結(jié)構(gòu)圖如5。

根據(jù)ADRC的設(shè)計(jì)原理，通過結(jié)合永磁同步電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)子速度之間的關(guān)系，并根據(jù)伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，知曉位置環(huán)的輸出信號(hào)即為速度環(huán)控制信號(hào)的輸入，通過估計(jì)時(shí)變非線性干擾值，得出結(jié)論：

伺服系統(tǒng)的位置環(huán)ADRC包括跟蹤微分器（TD），擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀察器（ESO）和非復(fù)合線性（CNF）狀態(tài)反饋控制速率。 如圖6所示為位置環(huán)ADRC結(jié)構(gòu)：

其中，是伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，則是對(duì)的狀態(tài)估值，和是實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速狀態(tài)估值二者之間的誤差，是實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速狀態(tài)估值兩者之間跟蹤速度因子，為伺服系統(tǒng)濾波因子，為伺服系統(tǒng)非復(fù)合線性狀態(tài)因子，是對(duì)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置的跟蹤，是對(duì)伺服系統(tǒng)位置環(huán)的狀態(tài)估值，是速度環(huán)給定的轉(zhuǎn)速值。

基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)ADRC系統(tǒng)，通過與傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)理論方法相結(jié)合，可以對(duì)未知擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地辨識(shí)，通過ESO的精確補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，其結(jié)果如圖7所示。

3 系統(tǒng)控制策略與實(shí)現(xiàn)

近年來PMSM控制系統(tǒng)的控制策略發(fā)展不僅實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的高精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且滿足伺服電機(jī)系統(tǒng)在高速環(huán)境下能夠正常運(yùn)行的要求。本文系統(tǒng)的主要控制策略為：基于ADRC的抗擾動(dòng)策略，通過分別在速度環(huán)和位置環(huán)上增加ADRC控制器，并在主策略中加入初始化的系統(tǒng)變量、初始化的引腳功能和初始化的外圍控制電路。 作為整個(gè)控制策略的核心部分的中斷程序，其包括： 定時(shí)器中斷和串行通信中斷。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/ D）中斷在整個(gè)策略中享有最高優(yōu)先級(jí)，其主要任務(wù)是注入脈沖寬度調(diào)制（ PWM）周期的 N個(gè)樣本的平均值。 串行通信中斷在整個(gè)策略中享有最低的優(yōu)先級(jí)，其主要任務(wù)是滿足數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和上位機(jī)之間的通信。PMSM伺服系統(tǒng)初始化控制策略流程如圖8所示。

初始化的控制策略主要包括初始化系統(tǒng)變量和系統(tǒng)控制寄存器，初始化系統(tǒng)外部擴(kuò)展接口、初始化中斷寄存器和事件管理器EVA、初始化模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）及初始化數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）。

在給定的定時(shí)器中斷策略中，基于滑膜觀測(cè)器法和旋轉(zhuǎn)高頻注入法獲得的兩種轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速值的檢測(cè)方法將分別被調(diào)用。如圖9所示為定時(shí)器中斷控制策略流程圖。

通過對(duì)伺服系統(tǒng)輸入一個(gè)轉(zhuǎn)速值，并讓系統(tǒng)維持在所輸入的恒定轉(zhuǎn)速下工作，通過實(shí)現(xiàn)負(fù)載的突然變化（加載），觀測(cè)伺服電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，來確定負(fù)載的變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生波動(dòng)的影響，進(jìn)而判定策略是否具有有效性。如圖10所示，在電機(jī)給定轉(zhuǎn)速1500r/min負(fù)載由空載情況下突變負(fù)載時(shí)，波形從上到下依次為：（1）電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)下;（2）負(fù)載突變時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、估計(jì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速誤差的波形。從測(cè)試結(jié)果來看，盡管觀測(cè)到底力矩的波形雖有波動(dòng)，但還是可以確保觀測(cè)值趨于準(zhǔn)確值。

4 結(jié)語

本文分析了滑模變結(jié)構(gòu)控制，并結(jié)合速度環(huán)和位置環(huán)ADRC控制器的控制策略，并且基于無速度傳感器矢量控制的基本原理，改進(jìn)了傳統(tǒng)的控制方法。從總體硬件和策略設(shè)計(jì)兩個(gè)方面給出了基于PMSM伺服電機(jī)系統(tǒng)的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。 測(cè)試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)是可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行的。

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