磁懸浮電機(jī)斷電重啟控制策略研究

郭偉林，陳棟建，張良浩

(1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070； 2.廣東省高速節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070)

0 引 言

采用磁懸浮電機(jī)的制冷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心制冷等不間斷運(yùn)行場合，在此方面的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斷電恢復(fù)快速重啟提出更高的要求。而磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常斷電，在電機(jī)未停轉(zhuǎn)狀態(tài)下需要電機(jī)能量回饋維持磁軸懸浮穩(wěn)定，避免磁軸掉落磨損。如何保證磁懸浮電機(jī)可靠性的同時實(shí)現(xiàn)快速重啟具有重要的研究應(yīng)用意義。

目前國內(nèi)外主要有兩類方法進(jìn)行斷電恢復(fù)快速重啟：一類是令電機(jī)制動零速重啟，該方式在電機(jī)高速惰轉(zhuǎn)情況下制動時間較長，無法滿足高速狀態(tài)下的電機(jī)快速重啟要求，適用于低速狀態(tài)下的快速重啟；另一類是觀測轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速信息實(shí)現(xiàn)帶速重啟。文獻(xiàn)[1-2]提出采用零電壓矢量注入法，該方法多次注入零電壓矢量，根據(jù)三相短路電流計算轉(zhuǎn)子角度及電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法位置觀測的精度受限于反動電動勢大小以及電流傳感器精度，因此無法滿足全速域的位置觀測。文獻(xiàn)[3-4]提出使用高頻方波注入法，該方法在電機(jī)端注入高頻振脈電壓，根據(jù)其響應(yīng)電流高頻分量獲取轉(zhuǎn)子位置信息，從而實(shí)現(xiàn)帶速重啟。但高頻注入法計算轉(zhuǎn)子角度的誤差受反電動勢影響，不適用于中高轉(zhuǎn)速下的帶速重啟。文獻(xiàn)[5]結(jié)合上述兩種方法，通過使用三相短路測試脈沖判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速狀態(tài)選擇高頻注入法或零電壓矢量注入法。兩者的結(jié)合能夠做到全速域位置觀測并完成帶速重啟，但三相短路測試脈沖易引起的電流難以控制，難以保證控制系統(tǒng)的可靠性。上述方法在斷電時間內(nèi)沒有進(jìn)行能量回饋控制，無法為磁懸浮軸承控制器持續(xù)供電，因此無法滿足大功率磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)的安全可靠性。

為確保電機(jī)控制系統(tǒng)的安全可靠性以及滿足快速重啟功能需求，本文提出在短時斷電場合中根據(jù)電機(jī)惰轉(zhuǎn)高低速狀態(tài)將電機(jī)制動零速重啟與帶速重啟結(jié)合使用的控制方式。電機(jī)控制系統(tǒng)在高速狀態(tài)斷電時進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)的SVPWM整流調(diào)控能量回饋，保證磁懸浮軸承控制能源供應(yīng)，同時從響應(yīng)的電機(jī)電流中獲取轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速信息，做到帶速重啟。電機(jī)控制系統(tǒng)在低速狀態(tài)斷電則進(jìn)行在逆變器中基于Boost等效電路下的升壓式能量回饋快速制動，即增大能量回饋母線電壓調(diào)制幅值，使電機(jī)快速制動然后零速重啟。本文策略始終以可控電壓能量回饋方式實(shí)現(xiàn)全速域下的斷電快速重啟，充分保證了磁懸浮軸承的能源供應(yīng)，避免磁懸浮軸承失電磨損。同時磁懸浮電機(jī)快速重啟的實(shí)現(xiàn)令制冷系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行應(yīng)用場合中能夠在短時斷電后快速恢復(fù)運(yùn)行，避免冷卻溫度因長時間停機(jī)出現(xiàn)大幅回升，降低了經(jīng)濟(jì)效益損失。

1 磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 磁懸浮永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁懸浮電機(jī)控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，通過AC-DC-AC變頻器對電機(jī)進(jìn)行速度控制。變頻器整流部分采用二極管不控整流；直流部分為儲能電容與制動電阻并聯(lián)構(gòu)成，并對磁懸浮軸承控制器供電；逆變部分為三相兩電平IGBT逆變結(jié)構(gòu)。

圖1 磁懸浮電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2 FOC磁場定向控制

本文磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)采用勵磁電流idref=0的無位置傳感器磁場定向矢量控制，該控制算法通過坐標(biāo)變換對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸電流解耦調(diào)控?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包含了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)將參考轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速作PI計算獲得轉(zhuǎn)矩電流參考值iqref。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)將轉(zhuǎn)矩電流參考值與電機(jī)三相電流反饋值作PI運(yùn)算獲得當(dāng)前勵磁控制量ud和轉(zhuǎn)矩控制量uq。兩個控制量進(jìn)行Park逆變換后進(jìn)行SVPWM計算獲得控制三相逆變器的振幅脈沖，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)速度控制。

圖2 FOC矢量控制結(jié)構(gòu)圖

2 斷電恢復(fù)快速重啟策略

2.1 高速惰轉(zhuǎn)帶速重啟

實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶速重啟需要具備的條件是獲得當(dāng)前狀態(tài)下轉(zhuǎn)子精確的位置與轉(zhuǎn)速信息。本文提出在電機(jī)高速狀態(tài)斷電后進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)SVPWM整流調(diào)控電機(jī)惰轉(zhuǎn)反電動勢能量回饋母線電容，同時從電機(jī)響應(yīng)電流中獲取轉(zhuǎn)子信息。其中轉(zhuǎn)子信息的獲取采用滑模觀測法，該法是基于觀測電流與實(shí)際電流之間的誤差來設(shè)計滑模觀測器，并由電流的誤差來重構(gòu)電機(jī)的反電動勢、估算轉(zhuǎn)子位置與速度。其中反電動勢能量回饋調(diào)控的本質(zhì)是為電壓型三相AC/DC整流過程。逆變器回饋反電動勢能量的等效三相整流電路如圖3所示，圖3中Ea～c為三相反電動勢，La～b為三相電感，Ra～c為三相等效電阻，V1～V6位IGBT功率器件，D1～D6為續(xù)流二極管，udc為母線電壓，R為制動電阻。

圖3 三相整流等效電路

定義開關(guān)函數(shù)：

(1)

式中：k分別代表a,b,c各相。

通過圖3三相整流等效電路，可以列出三相回路的電壓方程：

(2)

式中：ia，ib，ic分別為三相電流；uaN，ubN，ucN分別為a～c點(diǎn)與N點(diǎn)間電壓；uNO為N點(diǎn)與O點(diǎn)間電壓。

在圖3的三相回路中，當(dāng)Sk=1，即上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷時，ukN=udc；當(dāng)Sk=0時，即上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通時，ukN=0，因此可得：

ukN=Skudc

(3)

將式(3)代入三相電壓方程式(2)中可得：

(4)

在電機(jī)三相星型連接回路中有：

(5)

式(5)代入式(4)后三式相加可得：

(6)

式(6)代入式(4)可得：

(7)

由基爾霍夫電流定律獲得圖3中節(jié)點(diǎn)M的電流方程：

(8)

根據(jù)功率器件IGBT導(dǎo)通狀態(tài)，例如當(dāng)Sa=1，Sb=0，Sc=0時，i=ia，可得：

i=Saia+Sbib+Scic

(9)

將式(9)代入式(8)可得：

(10)

由以上電壓電流方程可知，通過控制逆變器的三相邏輯開關(guān)，可以調(diào)控三相響應(yīng)電流，進(jìn)而調(diào)控電機(jī)能量回饋到母線電容的電壓幅值。

在FOC磁場定向矢量控制中采用dq軸解耦控制，為了降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，三相整流能量回饋控制也沿用dq軸解耦控制。因此將三相整流電壓方程變換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得：

(11)

三相整流電流方程變換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得：

(12)

由同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓電流方程設(shè)計電壓電流雙閉環(huán)的整流控制策略，如圖4所示。以母線電壓調(diào)節(jié)作為外環(huán)，以電機(jī)三相電流調(diào)節(jié)作為內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)控回饋電壓幅值。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)整流控制框圖

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，令控制矢量V的q軸分量完全重合反電動勢電壓矢量以及令d軸分量為0，合成控制矢量如圖5所示。

圖5 合成矢量

由圖5可以看出控制矢量V追蹤反電動勢電壓矢量E直至完全重合，此時的控制矢量V與反電動勢合成矢量E同相位同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，三相響應(yīng)電流中則包含了轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速信息。由此觀測三相電流可獲取轉(zhuǎn)子的位置以及轉(zhuǎn)速，從而具備了電機(jī)帶速重啟條件，當(dāng)斷電恢復(fù)后切換回轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制時即可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)電機(jī)重啟。

2.2 低速惰轉(zhuǎn)制動重啟

低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)子信息觀測相對模糊，不利于帶速重啟，所以電機(jī)處于低速惰轉(zhuǎn)狀態(tài)則進(jìn)行電壓單閉環(huán)調(diào)控的能量回饋，通過抬升電壓調(diào)制幅值實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速制動效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)零速重啟。該方法中的能量回饋實(shí)質(zhì)為在逆變器構(gòu)成的Boost等效電路中采用下橋臂調(diào)控方式進(jìn)行回饋。

如圖6所示，電路中電機(jī)電感以及功率開關(guān)V4、V5、V6構(gòu)成升壓Boost電路。當(dāng)V4、V5、V6導(dǎo)通時，電機(jī)內(nèi)部繞組電感電阻形成回路，繞組線圈不斷切割磁場產(chǎn)生反電動勢在電感L中蓄能；當(dāng)V4、V5、V6關(guān)斷，U相反電動勢電壓大于母線電壓時，反電動勢給母線電容充電。

圖6 Boost等效電路

該能量回饋控制策略如圖7所示，采用電壓環(huán)單閉環(huán)PI調(diào)控方式。母線電壓參考值與反饋值作差PI計算獲得調(diào)控量，該調(diào)控量經(jīng)過數(shù)學(xué)計算后與三角載波比較后獲得開關(guān)脈沖PWM。該P(yáng)WM同時作用于逆變器下橋臂，實(shí)現(xiàn)AC/DC整流能量回饋。該法無需依賴電機(jī)轉(zhuǎn)子位置來選擇控制開關(guān)管，電機(jī)處于低速狀態(tài)時也可以高效可靠地實(shí)現(xiàn)升壓式的能量回饋。該過程中加大母線電壓調(diào)控幅值則加大了制動電阻的損耗功率，加快了電機(jī)惰轉(zhuǎn)反電動勢能量的損耗；同時電機(jī)繞組電感儲能的提升，起到電機(jī)快速制動效果，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動零速重啟。

圖7 Boost電路整流能量回饋調(diào)控框圖

2.3 斷電恢復(fù)快速重啟控制流程

磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)斷電快速重啟控制流程框圖如圖8所示。電機(jī)運(yùn)行頻率高于50 Hz狀態(tài)下斷電，變頻器進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)SVPWM整流能量回饋，在調(diào)控過程中通過觀測電流獲得轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速信息，在變頻器完成重新上電后切回轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)帶速重啟。電機(jī)運(yùn)行頻率小于50 Hz狀態(tài)下斷電則進(jìn)行升壓式能量回饋快速制動，實(shí)現(xiàn)零速重啟。

圖8 斷電恢復(fù)電機(jī)快速重啟控制流程框圖

3 Simulink仿真與電機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 帶速重啟Simulink仿真

3.1.1 仿真搭建

根據(jù)基于電壓電流雙閉環(huán)SVPWM整流能量回饋調(diào)控的帶速重啟策略，在Simulink中搭建仿真模型，如圖9所示。該仿真在電機(jī)SVPWM控制模塊的基礎(chǔ)上添加轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)與電壓電流雙閉環(huán)間相互切換，以此仿真實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶速重啟功能。

圖9 帶速重啟仿真模型

3.1.2 仿真結(jié)果

在該仿真中電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行在高頻率狀態(tài)，在7 s時刻斷電，同時控制系統(tǒng)由速度電流雙閉環(huán)控制切換至電壓電流雙閉環(huán)整流能量回饋控制。仿真結(jié)果如圖10所示，斷電后能量回饋令母線電壓維持在460 V，此時電機(jī)電流穩(wěn)定可控。該仿真在8 s時刻電源恢復(fù)，電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的轉(zhuǎn)子角度與位置平穩(wěn)切回轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，做到了斷電恢復(fù)后0.56 s內(nèi)完成帶速重啟，且啟動電流平穩(wěn)可控。

圖10 仿真結(jié)果波形

3.2 斷電快速重啟電機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.2.1 電機(jī)正常停機(jī)惰轉(zhuǎn)時間測試

電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行高速狀態(tài)下斷電恢復(fù)，電機(jī)以額定電壓能量回饋控制進(jìn)入正常惰轉(zhuǎn)狀態(tài)。測量電機(jī)反電動勢波形如圖11所示，由該波形可知電機(jī)正常惰轉(zhuǎn)時間約為83 s。

圖11 電機(jī)惰轉(zhuǎn)反電動勢波形

3.2.2 高速惰轉(zhuǎn)帶速重啟實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行436 Hz狀態(tài)下斷電恢復(fù)，同時進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)整流能量回饋控制，觀測電流獲取轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速信息，實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。該過程中，在斷電后母線電壓能夠穩(wěn)定維持在460 V，磁懸浮軸承控制能源供應(yīng)正常；電源恢復(fù)后1.55 s時間內(nèi)完成了電機(jī)帶速重啟，電機(jī)速度得到了平穩(wěn)控制，且電機(jī)電流控制在安全范圍內(nèi)，滿足了控制系統(tǒng)的安全可靠性以及斷電快速重啟需求。

圖12 帶速重啟波形

3.2.3 低速惰轉(zhuǎn)制動零速重啟實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)在電機(jī)低速斷電狀態(tài)下進(jìn)行能量回饋升壓式控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動后零速重啟，實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。實(shí)驗(yàn)在斷電后母線回饋電壓從額定的460 V抬升到670 V，電機(jī)快速制動效果十分顯著。在斷電恢復(fù)后19 s內(nèi)完成了電機(jī)制動，實(shí)現(xiàn)了零速重啟；同時母線電壓460 V提升至670 V能夠兼容維持磁懸浮軸承控制器供電。

圖13 快速制動零速重啟波形

4 結(jié) 語

本文在磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用在短時斷電場合中，提出一種新型的斷電恢復(fù)快速重啟策略。該策略在電機(jī)高速狀態(tài)斷電后進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)的SVPWM整流調(diào)控電機(jī)能量回饋，通過觀測電流獲取轉(zhuǎn)子信息進(jìn)行帶速重啟；在電機(jī)低速狀態(tài)斷電后進(jìn)行升壓式能量回饋制動電機(jī)零速重啟。仿真與實(shí)驗(yàn)證明本文策略在斷電快速重啟中的安全性與高效性。相對于零矢量注入法的三相短接響應(yīng)電流的不可控性，該策略的帶速重啟的電機(jī)電流始終處于電流環(huán)閉環(huán)調(diào)控之中。低速下采用的升壓快速制動零速重啟，取代在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置信息模糊不清的狀態(tài)下帶速重啟，降低電機(jī)重啟失敗率。

本文策略實(shí)現(xiàn)了電機(jī)惰轉(zhuǎn)能量回饋控制，維持了磁懸浮軸承控制器持續(xù)供電，保證了控制系統(tǒng)的安全可靠性。相對于電機(jī)正常惰轉(zhuǎn)至停轉(zhuǎn)的零速重啟常規(guī)方法，本文策略實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)中高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下2.35 s內(nèi)完成斷電恢復(fù)帶速重啟；在電機(jī)低速狀態(tài)下斷電恢復(fù)零速重啟時間從83 s縮短至19 s。磁懸浮電機(jī)控制系統(tǒng)斷電重啟時間得到了極大的縮短，滿足了不間斷運(yùn)行場合對快速重啟功能需求。