压缩机用永磁同步电机无传感器全速度运行策略研究

邓建国　蔡亚辉　黄守道　李亚雄

湖南大学，长沙，410082



压缩机用永磁同步电机无传感器全速度运行策略研究

邓建国蔡亚辉黄守道李亚雄

湖南大学，长沙，410082

摘要：研究了一种适用于压缩机的永磁同步电机无传感器全速度范围运行工况的控制方案。该方案在电机启动及低速阶段采用I/F速度开环、电流闭环的控制策略，中高速阶段采用基于改进的模型参考自适应无传感器控制策略，并实现两者的无冲击切换。对该方案进行了仿真和实验分析验证，研究结果证明了该方案的有效性。

关键词：压缩机；永磁同步电机；模型参考自适应系统；无传感器控制

0引言

永磁同步电机(PMSM)由于具有体积小、效率高、结构简单等优越性能，在压缩机等工业领域得到了广泛应用[1]。工业上通常用机械式传感器测量转子位置来实现永磁电机高精度矢量控制，但使用传感器带来了电机成本、尺寸等问题，而且由于压缩机永磁电机的高温高压运行工况不适宜安装传感器，因此永磁电机驱动的压缩机多采用无传感器矢量控制方案[2]。目前绝大多数的永磁同步电机无传感器策略可分为依靠电机电磁关系和电机本体凸极结构效应来估测转子位置两类[3]。国内外学者在此基础上提出了多种策略，如第一类的滑模观测器法、反电势法、自适应观测器等[4-6]，第二类的高频注入法、电感间接检测估计法等算法[7-9]。但这两类方法均存在不足，目前还没有一种完善的无传感器控制算法能达到传统传感器测量水准，必须采取多种控制策略相结合的方法，才能使永磁同步电机控制系统获得较高的性能[10]。

模型参考自适应(MRAS)法是一种常用的无传感器控制方法,在电机中高速阶段具有较好的位置辨识精度,本文在此基础上研究了一种改进后的MRAS无传感器控制策略，用于永磁同步电机中高速段转子位置和速度的观测，同时在电机启动及低速阶段采用I/F流频比控制策略以及算法切换策略，该策略适用于压缩机用永磁同步电机全速度范围运行工况。

1基于改进MRAS控制策略

永磁同步电机在旋转坐标系下的定子磁链数学模型为

(1)

式中,ψd、ψq分别为定子d、q轴磁链;Rs、Ls分别为定子电阻、电感；Ud、Uq分别为定子d、q轴电压；ψf为永磁体磁链；ωr为转子角速度。

令

构造参数可调的估算磁链模型为

(2)

定义广义误差为

(3)

式(1)与式(2)相减得

e=Ae-J ω

(4)

取D=I,有v=De=Ie=e。其中,D为矩阵增益矢量;v为自适应矢量。

将v及ω代入积分不等式,得

(5)

(6)

其中,F1(v,t,τ)、F2(v,t)为比例积分形式的函数,将式(6)代入式(5)中可得

(7)

上式可拆分成：

(8)

(9)

则

对式(9)两边求导,得

(10)

(11)

为了避免采用纯积分得到实际的定子磁链导致的磁链计算不准确,本文采用由电流模型计算得到ψd和ψq：

(12)

式中,Ld、Lq分别为定子d、q轴电感;Id、Iq分别为d、q轴电流。

由于电机实际运行过程中,定子电阻会有一定的变化,从而引起磁链估测的偏差,本文提出一种反馈误差校正法来削弱或消除此偏差。即在比较参考模型与可调模型的磁链值后，得到一个误差值，经过低通滤波后再利用PI调节器进行误差校正，最后反馈进入可调模型。因此，整个反馈误差校正法框图如图1所示。

图1　反馈误差校正框图

图2　基于改进型MRAS的控制框图

2永磁同步电机启动与切换策略

永磁电机运行在中高速时,可采用MRAS无速度传感器控制,但在启动与低速阶段的转子位置估测不理想,需采用其他控制策略,并实现算法间的切换[11]。本文应用I/F流频比控制策略来进行永磁电机的启动，此策略优点在于启动电流可控，且具有较强的抗负载扰动能力，能够适应压缩机负载多变的特殊工况。采用I/F控制时,电机频率由斜坡指令给定，位置角通过其积分所得θ*=∫ω′dt。I/F控制框图见图3。

图3　I/F控制策略框图

图4　dq与坐标矢量图

如图5所示,软件开关都从1的位置切换到2的位置，实现速度、电流的双闭环。由于在切换前,MRAS控制已能很好地观测电机转子位置,θL也可实时获得,在切换时采用坐标变换的方式将控制量换至dq坐标系下。整个切换过程只是对控制量进行了坐标变换，平稳性影响不大，速度、转矩无冲击。

图5　PMSM无传感器全速度运行策略控制框图

综上所述，压缩机用PMSM无传感器全速度运行策略控制框图如图5所示，其中ωdref为给定的电机转速，Uα、Uβ为变换至αβ坐标系下的电压，Udc为直流母线电压。

3仿真研究

本文用MATLAB仿真来验证所提出的控制策略。电机参数见表1。仿真采用离散系统，对真实数字控制的环境进行模拟。

表1　永磁同步电机的主要参数

(a)估测与实际的转子位置仿真波形

(b)估测误差仿真波形图6　转速600 r/min时采用MRAS估测的转子位置与角度误差

图7　采用MRAS的0.9Rs和Rs下磁链仿真波形

图8为永磁同步电机采用本文所述控制策略从启动至800 r/min时的转速及q轴电流仿真波形。低速时采用I/F速度开环、电流闭环启动，因为低速时压缩机峰值负载较轻，故在d*q*坐标系下,q轴电流取8 A。仿真所见,0.12 s时的转速已增至200 r/min左右，按照上述切换策略，切换至MRAS无传感器控制策略，此时q轴电流采用斜坡递减的方式减至2 A。当在0.1 s切换时，根据上文提及的转矩-功角自平衡原理，相位差角θL会随着电流的减小而相应减小，呈现一定规律,但是θL的减小过程是缓慢的，这一过程转子转速变化不大，切换结束后，转速平稳升至800 r/min。由图8可见,整个过程转速基本可以实现稳定平滑的控制。

(a)电机启动至800 r/min的转速波形

(b)q轴电流波形图8　本文所提控制策略转速与q轴电流仿真波形

4实验波形及分析

建立实验平台，对一台7.5 kW永磁同步电机进行了实验研究，来进一步验证本文所提控制策略的正确性。电机参数与表1一致，采用TM-F28335为控制核心,开关频率为5 kHz，以一台与永磁同步电机对转的三相异步电动机为可变负载，实验现场如图9所示。

图9　实验系统

图10为电机带半载、稳定运行在800 r/min时的估测转子位置。由图可见，基于改进的MRAS无传感器控制策略能够很好地检测出转子位置。图11为此时电机估计转速和实际转速的对比波形，根据图10和图11可以看出改进后的MRAS控制策略能够很好地辨识电机转速及转子位置，并具有良好的动态性能与跟踪精度。

图10　转速为800 r/min时估测的转子位置

图11　电机转速实验波形

图12a为电机采用I/F控制策略启动瞬间的三相电流波形。采用初始位置预定位法,连续施加两次相互垂直的定位电流,使转子预定位在特定位置。待转速上升至200 r/min，切换至基于MRAS的无传感器控制策略，电机额定负载时的电流波形如图12b所示，此时电流波形正弦性较好，且未出现失控现象。图12c为实验的转速波形，I/F带负载运行后，在200 r/min时进行切换，由图可见，切换时刻转速变化不大，整个过程转速较为平稳。实验结果验证了本文所采用的控制策略的可行性。

(a)电机启动瞬间电流波形

(b)切换时刻及MRAS控制电流波形

(c)转速波形图12　本文所提控制策略电流和转速实验波形

5结语

为了适应压缩机永磁同步电机无传感器全速度运行的工况要求，本文研究了一种启动及低速段采用I/F控制策略、中高速阶段采用改进MRAS策略的结合控制策略。采用的I/F策略与切换策略具有较强的抗负载扰动能力，能够适应压缩机启动过程中负载多变的工况；改进的MRAS控制算法，提出用反馈误差校正法来削弱定子电阻参数变化对磁链观测器的影响。仿真及实验结果均验证了所提控制算法的有效性。

参考文献:

[1]张细政,王耀南,袁小芳.永磁同步电机自适应模糊滑膜变结构控制[J].中国机械工程,2010,2(6):206-211.

Zhang Xizheng,Wang Yaonan,Yuan Xiaofang.Adaptive Fuzzy Sliding-mode Control for PMSM[J].China Mechanical Engineering,2010,2(6):206-211.

[2]Ching T W.An Investigation on Electrical Perfor-mance of Variable-frequency Drives for Air-conditioning Applications[C]//Proc. EPEC. Vancouver,BC,2008:1-7.

[3]许波,朱熀秋,姬伟.无轴承永磁同步电机转子速度自检测复合方法研究[J].中国机械工程,2013,14(17):1927-1932.

Xu Bo,Zhu Huangqiu,Ji Wei.Compound Method of Rotor Speed Self-sensing for a Bearingless PMSM[J].China Mechanical Engineering,2013,14(17):1927-1932.

[4]Kim S,Sul S K.Sensorless Control of AC Motor—Where Are We Now[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS).Beijing,2011:1-6.

[5]黄雷,赵光宙,贺益康.PMSM自适应滑膜观测器无传感器控制[J].浙江大学学报(工学版)，2007,41(7)：1107-1110.

Huang lei, Zhao Guangzhou, He Yikang. Adaptive Sliding Mode Observer for Speed-sensorless Control of PMSM[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2007,41(7): 1107-1110.

[6]王庆龙,张兴,张崇巍.基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识[J]. 中国电机工程学报，2008, 28(9):71-75.

Wang Qinglong Zhang Xing, Zhang Chongwei. Variable-structure MRAS Speed Identification for PMSM[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(9):71-75.

[7]Shun T, Kazuya Y, Kazuaki Y.Noise Reduction Method by Injected Frequency Control for Position Sensorless Ccontrol of PMSM[C]//The 2014 International Power Electronics Conference.Hiroshima, 2014:2465-2469.

[8]Repecho V, Biel D .Sliding Mode abc Current Control for PMSM Drives with an Enhanced High Frequency Injection Algorithm for Sensorless Operation.IEEE Transactions on Industry Applications,2014,10(9):908-913.

[9]Bianchi N,Bolognani S.Sensorless-oriented Design of PM Motors[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(4):1249-1257.

[10]Wang Gaolin,Yang Rongfeng,Xu Dianguo.DSP-based Control of Sensorless IPMSM Drives for Wide-speed-range Operation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(2):720-727.

[11]黄守道，高剑，肖磊,等. 压缩机用内置式永磁同步电机无位置传感器控制[J].电机技术学报，2013, 28(5):182-187.

Huang Shoudao,Gao Jian,Xiao Lei,et al.Sensorless Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with Compressor Load[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(5):182-187.

[12]王子辉.永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2012.

(编辑王旻玥)

Study on Sensorless Control Strategy of PMSM for Compressor at Full Speed Range

Deng JianguoCai Yahui Huang ShoudaoLi Yaxiong

Hunan University,Changsha,410082

Abstract:A method applyed for compressor with PMSM sensorless and full speed range operation conditions was presented. An I/F control strategy with speed open-loop and current closed-loop was used at start-up and low speed stage of the motor.Sensorless control strategy which was based on an improved model reference adaptive system was used at middle or high-speed stages,and realized no impact switch of two control strategies. The analysis results of simulations and experiments prove the validity of this method.

Key words:compressor;permanent magnet synchronous motor(PMSM);model reference adaptive system;sensorless control

作者简介：邓建国，男，1956年生。湖南大学电气与信息工程学院教授、博士。研究方向为电机电器与电机传动。发表论文10余篇。蔡亚辉(通信作者),男,1990年生。湖南大学电气与信息工程学院硕士研究生。黄守道，男，1962年生。湖南大学电气与信息工程学院教授、博士研究生导师。李亚雄,男,1989年生。湖南大学电气与信息工程学院硕士研究生。

中图分类号：TM341

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.011

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(200805321038)

收稿日期：2015-05-18