無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制在空調(diào)風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用研究

楊 輝

(四川野馬汽車股份有限公司，成都 610100)

0 引 言

在經(jīng)典的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置往往通過旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器或磁編碼器獲得。使用物理傳感器，致使控制系統(tǒng)成本上升，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并使得物理設(shè)備的尺寸無法進(jìn)一步縮小，物理傳感器在一些行業(yè)是無法應(yīng)用的。因此，無傳感器控制技術(shù)已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

基于成本和可靠性的限制，家電行業(yè)大多采用無位置傳感器控制技術(shù)。傳統(tǒng)的空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)控制采用的是無傳感器矢量控制技術(shù)，由于位置估計(jì)算法依賴于電機(jī)參數(shù)，而電機(jī)參數(shù)又會(huì)隨工況發(fā)生變化，所以位置估計(jì)精度是很難保證的。直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種有別于矢量控制的控制策略，具有對電機(jī)參數(shù)依賴性小、控制簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快和動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，顯然，空調(diào)風(fēng)機(jī)的控制更適合采用直接轉(zhuǎn)矩控制。另外，傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)起動(dòng)過程包括定位、開環(huán)和閉環(huán)三個(gè)部分，耗時(shí)較長；而直接轉(zhuǎn)矩控制無需定位，縮短了起動(dòng)時(shí)間，更能滿足用戶對舒適性的需求。因此，無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方法更適用于空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)的控制。

以往關(guān)于無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制的研究多集中在仿真與實(shí)驗(yàn)階段，對工程應(yīng)用而言都存在著一定的缺陷。例如，文獻(xiàn)[1]采用了坐標(biāo)變換，這就失去了直接轉(zhuǎn)矩控制不需解耦的優(yōu)勢；文獻(xiàn)[2]采用的方法對電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)、外部干擾、測量噪聲和過程噪聲都具有較強(qiáng)的魯棒性，但是涉及到復(fù)雜的矩陣計(jì)算，且矩陣中含有角度參數(shù)，很難滿足工程實(shí)時(shí)性要求；文獻(xiàn)[3]采用了基于瞬時(shí)功角檢測的速度估計(jì)方案和滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，取得了良好的控制效果，但對硬件要求太高，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。在多數(shù)工程應(yīng)用中，特別是家電行業(yè)，出于成本的壓力，芯片的資源往往是極其有限的，許多復(fù)雜的算法通常是無法應(yīng)用的。針對上述不足，本文給出了一種易于工程實(shí)現(xiàn)的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方法。

1 基本原理

1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)的基本原理[4]是，在轉(zhuǎn)子磁鏈不變的條件下，維持定子磁鏈幅值為一定值，通過控制定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩角，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩追隨給定轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

反電動(dòng)勢積分方程：

(1)

式中:uα，uβ為α，β軸輸入電壓；Iα，Iβ為α，β軸測量電流；R為電機(jī)相電阻；ψα，ψβ為α，β軸定子磁鏈。

定子磁鏈幅值方程：

(2)

定子磁鏈相位角方程：

(3)

轉(zhuǎn)矩觀測器方程：

Test=1.5p(ψαIβ-ψβIα)

(4)

式中：p表示極對數(shù)。

DTC應(yīng)用滯環(huán)比較器控制轉(zhuǎn)矩誤差，在一個(gè)控制周期內(nèi)，只有8個(gè)基本的空間矢量可選，因此矢量切換是步進(jìn)式的，這造成了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)。文獻(xiàn)[5]給出了一種應(yīng)用矢量控制代替開關(guān)表的控制方法。

由文獻(xiàn)[5]可得到下面的公式：

(5)

(6)

式中：T為采樣時(shí)間;uα，uβ為α，β軸電壓。角位置可由該電壓求?。?/p>

(7)

1.2 改進(jìn)型積分器

DTC中定子磁鏈計(jì)算一般采用式(1)的反電動(dòng)勢積分算法，該方法的純積分器存在積分初值問題，即直流分量導(dǎo)致的積分累積飽和問題。因此，Jun Hu等[6]提出了三種改進(jìn)型積分器，這三種改進(jìn)型積分器有效提升了定子磁鏈觀測的精度，也延續(xù)了積分器的簡單結(jié)構(gòu)。下面我們給出第三種改進(jìn)型積分器，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型積分器

圖1中，C/P為直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，P/C是極坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)中飽和限幅器對磁鏈幅值進(jìn)行限制，而對ψs相位沒有影響。通過直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系之間兩次變換使得磁鏈相位不變，即磁鏈補(bǔ)償信號相位等于磁鏈?zhǔn)噶喀譻相位。

ψs和γ可根據(jù)式(2)、式(3)求取，ψ′s由下式求?。?/p>

(8)

ψ′α，ψ′β根據(jù)下式求?。?/p>

(9)

在工程應(yīng)用中，正余弦的求取是相對耗時(shí)的，可以轉(zhuǎn)換成下式求?。?/p>

(10)

2 工程應(yīng)用中應(yīng)該考慮的問題

在無傳感器DTC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角最終都是通過測量電流和給定電壓估算的，而在低速和設(shè)備剛剛起動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)量是不穩(wěn)定的。因此，對于無傳感器控制方式而言，在設(shè)備低速或者起動(dòng)階段實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)是十分困難的，一般都采取先開環(huán)后閉環(huán)的控制方式。如前所述，在家電行業(yè)基于成本壓力，使用較高級的硬件平臺可能性較小，為了滿足實(shí)時(shí)性要求，控制算法應(yīng)盡量簡化。另外，為了保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，需要對切換過程做適當(dāng)?shù)钠交幚?，并對輸出電壓做恰?dāng)?shù)南拗啤ｔ敯粜允橇硪粋€(gè)重要的工程指標(biāo)，當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備起動(dòng)或運(yùn)行失敗的外部擾動(dòng)消失時(shí)，設(shè)備應(yīng)該能夠立即自行恢復(fù)。

2.1 開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制采用給定恒定負(fù)載角增量δ的控制方式，為了使設(shè)備開環(huán)起動(dòng)可靠，將式(6)簡化如下：

(11)

這樣就能保證uα，uβ的正交特性，確保開環(huán)起動(dòng)的穩(wěn)定性。

角度按恒定速度給定，見下式：

γn=γn-1+ωrefT

(12)

式中:γn，γn-1分別為n和n-1時(shí)刻的定子磁鏈角；ωref為給定的恒定速度；T為采樣時(shí)間。應(yīng)該注意，在起動(dòng)時(shí)，給定速度需要從0逐漸增加到ωref，否則容易導(dǎo)致起動(dòng)失敗。

當(dāng)由開環(huán)控制切換到閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)該保證負(fù)載角增量δ和α，β軸輸出電壓的平滑過渡，否則容易導(dǎo)致切換失敗。負(fù)載角增量δ可采用簡單的線性過渡，α，β軸輸出電壓的平滑過渡見下式：

u′α(n)=uα(n)u′s(n)/us(n)

u′β(n)=uβ(n)u′s(n)/us(n)

式中:uα(n)，uβ(n)為n時(shí)刻α，β軸計(jì)算的輸出電壓；uα(n-1)，uβ(n-1)為n-1時(shí)刻的α，β軸計(jì)算的輸出電壓；us(n)為n時(shí)刻的計(jì)算電壓的合成電壓；u′s(n)為n時(shí)刻實(shí)際輸出電壓的合成電壓；u′α(n)，u′β(n)為n時(shí)刻實(shí)際的輸出電壓；σ為合成電壓增量門限。經(jīng)過上述處理，即使α，β軸計(jì)算的輸出電壓有較大變化，實(shí)際的α，β軸輸出電壓變化也是平滑的。

2.2 鎖相環(huán)

在工程應(yīng)用中，通常采取速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

圖2中，ASR為速度調(diào)節(jié)器，PI為轉(zhuǎn)矩環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。

觀測速度需要利用鎖相環(huán)求取，簡單的角度微分求取速度會(huì)含有大量微分噪聲，不能直接應(yīng)用于工程中。鎖相環(huán)框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)

需要注意的是，盡管鎖相環(huán)求取的速度在質(zhì)量上遠(yuǎn)好于直接微分求取的速度，但仍需增加低通濾波環(huán)節(jié)后才能使用，否則容易導(dǎo)致速度閉環(huán)失敗。

2.3 魯棒性

魯棒性是工程化應(yīng)用的另一個(gè)主要考核指標(biāo)。在設(shè)備起動(dòng)或運(yùn)行過程中，可能突遇擾動(dòng)導(dǎo)致起動(dòng)或運(yùn)行失敗，當(dāng)外部擾動(dòng)消失時(shí)，設(shè)備應(yīng)該能夠快速自行恢復(fù)。本文采用開閉環(huán)可逆切換的方式來提高系統(tǒng)魯棒性。具體過程描述如下：

當(dāng)設(shè)備在起動(dòng)或運(yùn)行過程中，如遇到外部干擾導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備將保持在開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)定子磁鏈。干擾一旦消失，定子磁鏈就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子開環(huán)旋轉(zhuǎn)，直至進(jìn)入閉環(huán)正常運(yùn)行。

顯然，外部干擾加入與消失的判斷準(zhǔn)則是系統(tǒng)開閉環(huán)可逆切換控制的關(guān)鍵。下面給出具體的判斷準(zhǔn)則：

開環(huán)運(yùn)行時(shí)，若ω(n)>ε1且ω(n)-ω(n-1)<ε2,t>τ1，則進(jìn)入閉環(huán)；閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，若ω(n)<ε1或ω(n)-ω(n-1)>ε2，t>τ2，則進(jìn)入開環(huán)。

上述描述中，ω(n)，ω(n-1)為n和n-1時(shí)刻的估算速度；ε1為速度判斷門限；ε2為速度變化率判斷門限；t為連續(xù)滿足速度和速度變化率判斷條件的時(shí)間間隔；τ1，τ2為時(shí)間間隔的門限，一般τ2<τ1。

3 實(shí) 驗(yàn)

下面將無傳感器DTC方法應(yīng)用于某型號空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)上，并與原無傳感器矢量控制方案進(jìn)行比較。設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為300 r/min。

應(yīng)用PT710霍爾電流鉗獲取U相相電流，應(yīng)用橫河示波器DLM2054記錄數(shù)據(jù)，設(shè)置每秒記錄數(shù)據(jù)1 250個(gè)，并設(shè)置通道濾波帶寬為8 kHz。圖4～圖7的波形均為U相相電流波形，圖中橫坐標(biāo)為記錄點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)單位為mV，且每1 mV對應(yīng)0.1 A電流。

圖4 傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)起動(dòng)方式

3.1 起動(dòng)過程的比較

對比圖4和圖5，不難看出，起動(dòng)時(shí)間由原來的7 s縮短為2 s，這使得用戶可以更快地感受到空調(diào)的送風(fēng)，從而提升產(chǎn)品的舒適度。圖5中，由于采用恒負(fù)載角增量δ控制，根據(jù)式(5)和式(11)，α，β軸電壓uα，uβ幅值為常量，因此隨著轉(zhuǎn)速即反電動(dòng)勢的增加，相電流會(huì)隨之減小。

圖5 DTC的起動(dòng)方式

3.2 運(yùn)行過程突遇堵轉(zhuǎn)的比較

對比圖6和圖7可見，傳統(tǒng)的控制方式，在突遇堵轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)立即停機(jī)，然后二次起動(dòng)；而本文給出的控制方法，在突遇堵轉(zhuǎn)時(shí)仍然以開環(huán)運(yùn)行，一旦堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩消失，會(huì)立即加速至閉環(huán)，大大提升了設(shè)備的抗擾能力。

圖6 傳統(tǒng)控制方式遇到突加堵轉(zhuǎn)的響應(yīng)

圖7 DTC遇到突加堵轉(zhuǎn)的響應(yīng)

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)無傳感器DTC相比，本文的方案算法更為簡單，并且為了確保工程化應(yīng)用的可靠性，給出了開閉環(huán)切換的過渡方法。

為了滿足工程化抗擾性要求，本文提出了開閉環(huán)可逆切換的控制方法。

與傳統(tǒng)的空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)控制方案進(jìn)行了對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法加快了設(shè)備的起動(dòng)速度，且有更優(yōu)越的魯棒性。