IPMSM直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制在吸油煙機(jī)上的應(yīng)用

王苗森，沈新隆

(臥龍電氣驅(qū)動(dòng)集團(tuán)股份有限公司，上虞 312300)

0 引 言

油煙與工業(yè)廢氣、汽車尾氣并稱為三大生活有害氣體。隨著中國(guó)大力推進(jìn)美好生活建設(shè)，未來(lái)5年，預(yù)計(jì)將增加1.2億住宅單位，為吸油煙機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)了廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的烹飪習(xí)慣，廚房油煙成為室內(nèi)最大的空氣污染源，廚房空氣質(zhì)量對(duì)居民健康的影響越來(lái)越受到重視。為了提高土地利用率，居民樓宇越建越高，但狹長(zhǎng)的公共煙道由于管道本身靜壓高，普通性能吸油煙機(jī)在使用高峰期無(wú)法迅速暢排油煙，甚至出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，廚房空氣無(wú)法迅速保持潔凈，因此需要根據(jù)公共煙道不同時(shí)刻實(shí)際靜壓大小，自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整吸油煙所需靜壓和風(fēng)量的大吸力吸油煙機(jī)，迅速暢排油煙，提升廚房空氣質(zhì)量。另外，國(guó)家對(duì)節(jié)能、環(huán)保的要求越來(lái)越高，也使得超高效、大吸力吸油煙機(jī)必然成為今后的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱IPMSM)因高轉(zhuǎn)矩密度、高可靠性、低噪聲、低振動(dòng)等明顯的優(yōu)勢(shì)[1]，在油煙機(jī)行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。為了充分利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，提升其轉(zhuǎn)矩密度，對(duì)其控制策略也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制模式一般采用恒轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在油煙機(jī)行業(yè)中，因有隨著管道阻力特性的變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的需求，故一般采用恒轉(zhuǎn)矩控制模式。

永磁同步電機(jī)通常采用的控制拓?fù)錇榇艌?chǎng)定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。而本文用的控制拓?fù)錇橹苯愚D(zhuǎn)矩磁鏈控制(以下簡(jiǎn)稱DTFC),其繼承了直接轉(zhuǎn)矩控制的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，以及更低的參數(shù)敏感性，同時(shí)其利用SVPWM帶來(lái)更為光滑的電流和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，從而解決了直接轉(zhuǎn)矩控制的高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和運(yùn)行噪聲問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]對(duì)比了磁場(chǎng)定向控制和DTFC兩種控制拓?fù)?，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。觀測(cè)器作為DTFC控制拓?fù)涞暮诵模墨I(xiàn)[3]對(duì)比了目前主流的觀測(cè)器模型，并對(duì)比評(píng)估各種工況下的觀測(cè)器估算的永磁磁鏈和轉(zhuǎn)子角度的精確性。

本文選用了混合磁鏈觀測(cè)器對(duì)IPMSM的定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，并基于“有效磁通”的概念[4]，其有效磁通的位置等同于轉(zhuǎn)子位置，從而將具有凸極比的永磁同步電機(jī)(Lq>Ld)轉(zhuǎn)化為表貼式永磁同步電機(jī)(Lq=Ld)進(jìn)行位置觀測(cè)。

因油煙機(jī)屬于風(fēng)機(jī)類應(yīng)用，其轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成平方倍增長(zhǎng)，故油煙機(jī)電機(jī)常工作在弱磁轉(zhuǎn)速以下，故本文只分析DTFC拓?fù)湎碌淖畲筠D(zhuǎn)矩電流比(以下簡(jiǎn)稱MTPA)控制。

1 DTFC拓?fù)?/h2>

本文使用的坐標(biāo)系如圖1所示，其中d-q為轉(zhuǎn)子磁鏈坐標(biāo)系，ds-qs為定子磁鏈坐標(biāo)系，θ為轉(zhuǎn)子角度，δ為負(fù)載角，γ為電流超前角。

圖1 定義坐標(biāo)系

在ds-qs坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示，從式(1)中可以發(fā)現(xiàn)，IPMSM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(永磁轉(zhuǎn)矩/磁阻轉(zhuǎn)矩)只和iqs有關(guān)。

(1)

式中：vds,vqs,ids,iqs為ds-qs坐標(biāo)系下的電壓和電流；p為微分算子；Rs為電機(jī)相電阻，λest為擴(kuò)展磁鏈；ω為電機(jī)運(yùn)行角頻率，p為極對(duì)數(shù)。

在ds-qs坐標(biāo)系下，DTFC的拓?fù)淙鐖D2所示，其控制拓?fù)涞目刂屏繛檗D(zhuǎn)矩及磁鏈，并用SVPWM調(diào)制代替直接轉(zhuǎn)矩控制中的bang-bang控制，從而保證DTFC在具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力、強(qiáng)魯棒性的特性下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的平滑輸出，從而保證DTFC的低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低運(yùn)行噪聲。

圖2 DTFC拓?fù)淇驁D

新型控制拓樸對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下式：

(2)

式中：k(δ)與負(fù)載角相關(guān)，其表達(dá)式如式(3)所示；b(λ,δ)與擴(kuò)展磁鏈及負(fù)載角相關(guān)，表達(dá)式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中：λm為永磁體磁鏈。

DTFC無(wú)傳感器控制中所使用的混合磁鏈觀測(cè)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，式(5)為該拓?fù)渌鶎?duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式。

圖3 觀測(cè)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(5)

從其傳遞函數(shù)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在低速段時(shí)，該觀測(cè)器使用電流模型估算磁鏈；高速段時(shí)，觀測(cè)器使用反電動(dòng)勢(shì)信息進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)子估算。兩者之間的權(quán)重分配，只通過(guò)一個(gè)增益g進(jìn)行調(diào)節(jié)。

式(6)為有效磁通的概念，其完成定子磁鏈觀測(cè)器角度估算從定子磁鏈角度到轉(zhuǎn)子磁鏈角度的轉(zhuǎn)變。

(6)

電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子角度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信息，分別通過(guò)式(7)～式(9)獲得。

(7)

(8)

(9)

2 MTPA在線計(jì)算

IPMSM所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度,但傳統(tǒng)的id=0的控制策略無(wú)法充分發(fā)揮IPMSM的這一特性，故本文采用MTPA的控制策略。

傳統(tǒng)MTPA做法是離線建立id-iq表[5]，這種做法雖然能大幅降低CPU的計(jì)算壓力，但會(huì)浪費(fèi)CPU內(nèi)部存儲(chǔ)空間。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文的MTPA采用離線初始值建(T-λ)表，并結(jié)合牛頓切線法在線計(jì)算的方法，在不降低精度的前提下，可有效平衡CPU的存儲(chǔ)空間和計(jì)算壓力。

(9)

(10)

MTPA的計(jì)算，實(shí)際即求式(9)的解，而牛頓切線法是很好的求解工具，在選擇合適初值的前提下，其迭代次數(shù)可以大幅降低。

在實(shí)際過(guò)程中，觀測(cè)器可以獲得系統(tǒng)此時(shí)的轉(zhuǎn)矩值，利用該值，選擇合適的初值后，通過(guò)式(10)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到滿足式(9)的iqMTPA。同時(shí)將該值代入式(11)及式(12)中，從而獲得當(dāng)前的磁鏈幅值。

(11)

(12)

通過(guò)上述計(jì)算獲得的MTPA初始值表，如圖4所示。

圖4 MTPA初值表

3 仿真與建模

根據(jù)以上分析建立如圖5所示的DTFC拓?fù)浞抡婺Ｐ?，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如下：直、交軸電感Ld=82 mH，Lq=92 mH；定子電阻Rs=6.8 Ω；電機(jī)極對(duì)數(shù)p=5；永磁體磁鏈λm=0.154 Wb；觀測(cè)器增益G=50;仿真以半滿載起動(dòng)，在0.4 s時(shí)加至滿載。

圖5 Simulink仿真模型

仿真模型先以半滿載起動(dòng)，在0.4 s以階躍加至滿載，觀測(cè)器在此工況下，其輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示，其輸出值和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩值基本一致。

圖6 轉(zhuǎn)矩(觀測(cè)器)與實(shí)際轉(zhuǎn)矩

仿真得到的定子磁鏈及有效磁鏈如圖 7及圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，定子磁鏈在負(fù)載增大時(shí)，觀測(cè)器所反饋的磁鏈有明顯增大，但所得的有效磁鏈對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化不明顯。

觀測(cè)器通過(guò)有效磁鏈觀測(cè)的角度和電機(jī)實(shí)際角度的對(duì)比如圖9所示，觀測(cè)器得到的角度基本和電機(jī)實(shí)際角度相符。

圖9 角度(觀測(cè)器)與實(shí)際電機(jī)角度

4 實(shí)驗(yàn)及波形

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DTFC拓?fù)鋵?duì)油煙機(jī)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的有效性，本文搭建了控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在采用上述控制拓?fù)涞那疤嵯拢溆蜔煓C(jī)的空氣性能有了明顯的提升。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)與仿真一致。

圖10(a)為此框架下的起動(dòng)電流波形圖。起動(dòng)還采用傳統(tǒng)的“三段式”方法，但在強(qiáng)拖轉(zhuǎn)速1 Hz下，即可切入閉環(huán)，穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證本文所述自適應(yīng)觀測(cè)器的精確性。

圖10(b)為在不同參考轉(zhuǎn)矩下的整體電流波形圖。本控制拓?fù)渥阋灾С衷诓煌蜔煓C(jī)的空氣性能要求下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 電流波形

圖11為相同輸入功率下，采用磁場(chǎng)定向控制拓?fù)渑c采用DTFC拓?fù)涞耐挥蜔煓C(jī)的空氣性能對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，DTFC拓?fù)湎噍^磁場(chǎng)定向控制拓?fù)?，油煙機(jī)的最大風(fēng)量由20.578 m3/min提升至22.237 m3/min，最大靜壓由801.767 Pa提升至865.348 Pa，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率由29.439%提升至36.891%。實(shí)現(xiàn)了油煙機(jī)行業(yè)高靜壓、大風(fēng)量、超高能效的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種新型永磁同步電機(jī)控制拓?fù)洹狣TFC，通過(guò)仿真驗(yàn)證了DTFC的有效性，以及轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)的特性。同時(shí)，將恒轉(zhuǎn)矩控制模式應(yīng)用在油煙機(jī)風(fēng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了油煙機(jī)行業(yè)高靜壓、大風(fēng)量、超高能效的需求。