基于脉振高频注入的永磁同步压缩机无位置传感器控制

2018-05-16GreeElectricAppliancesIncZhuhaiZhuhai519070

家电科技 2018年5期

Gree Electric Appliances Inc Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

永磁同步电动机（PMSM）具有功率密度高、运行效率高、无电刷等优点，广泛用于高性能伺服系统以及家用电器中[1]。目前，变频空调压缩机与风机广泛使用永磁同步电机。PMSM压缩机的电机与泵体密封在壳体内，电机工作温度能达到120℃，同时，内部充满冷媒和润滑油，难以安装机械式传感器，大部分PMSM压缩机都采用无位置传感器控制[2]。目前，适用于PMSM的无位置控制方法可以分为两类：（1）基于基波模型的位置检测方法，主要利用基波模型中的反电势进行速度和位置的检测，一般在中高速时采用；（2）基于谐波模型的位置检测方法，这类方法普遍利用转子的凸极性来实现位置检测，普遍用于电机的低速无位置控制[3]，脉振高频注入法就属于此类方法，其鲁棒性好，对电机参数不敏感。

本文针对现有技术方案中，在低速运行及启动过程采用开环的反电动势模型估算位置，对电机参数及硬件依赖较大、适应性差的不足，采用脉振高频注入法估算低速下的转速与位置。本文给出实现脉振高频注入法的关键步骤，并在单转子压缩机上进行了实验，结果验证了该控制方法具有较好的鲁棒性。

2 基于脉振高频注入的位置估算

脉振高频注入法首先向d轴注入一个高频余弦电压信号，采样q轴电流，经过带通滤波器（BPF），再与正弦调制信号相乘，经过低通滤波器（LPF），得到估算坐标系与实际坐标系的误差角，经PI锁相环得出估算速度，再对估算速度积分得到估算角度，信号处理过程如图1所示[3]。当转速高于450rpm时，再切换至基于电机反电势观测器加锁相环的位置估算，当转速低于400rpm时，切换至基于脉振高频注入的估算，在400rpm至450rpm维持原有的估算方法。

下面对脉振高频注入法实现过程中的关键技术展开描述：

（1）在注入高频信号前应给定一个d轴电流，使转子d轴定位至给定的角度。为了消除定位盲区，应进行二次定位，并根据“功角自平衡原理”，两次定位角度差为60°。

（2）注入信号频率与幅值选择依据：注入信号的频率应小于等于PWM载频的1/10，以保证注入余弦信号不失真，并且远大于采用高频注入法的运行频率，以利于滤波器的设计，本文使用的载频为5kHz，注入信号的频率为500Hz；注入信号的幅值过小，影响转速信号的提取精度，过大会带来过高的噪声，因此注入信号的幅值应根据不同阻抗的电机与实际系统选取。

（3）数字滤波器根据其脉冲响应分为有限长冲激响应（FIR）及无限长冲激响应（IIR），IIR滤波器用定点DSP实现存在滤波器有限字长和系数量化效应，其对系数量化非常敏感，直接影响到系统的稳定性，而FIR滤波器的脉冲传递函数只有零点，其总是稳定的[4]。由于本文中主控制器使用定点DSP，故滤波器使用FIR滤波器实现，借助MATLAB/FDATOOL工具，使用Hamming窗函数进行滤波器设计，对FDATOOL设计好后的滤波器应进行二次校验，看幅频特性是否满足要求，若不满足，应提高滤波器的阶数。文中的带通滤波器（BPF）使用30阶滤波器，低通滤波器使用16阶滤波器。500Hz带通滤波器幅值频率特性曲线如图2所示。

（4）Iq经BPF滤波器后为Iqh，会产生一定的相位滞后，为保证正弦调制信号与Iqh相位相同，应对正弦信号补偿一个初始相位，再与Iqh相乘。

（5）脉振高频注入法在提取转速信号的过程中使用了各类滤波器，与电机的速度环、电流环与锁相环构成了闭环控制，脉振高频注入法对控制器的参数比较敏感，整定控制器参数较为关键[5]，若控制参数选择不合适，会导致系统不能稳定运行，在工程应用中，常使用带宽来整定控制器参数，如速度环带宽、电流环带宽、锁相环带宽，其中电流环带宽尤为重要。电流环的带宽应小于带通滤波器的中心频率，在压缩机应用场合中，对动态性能要求不高，因此电流环带宽可适当选小。另外，由于Id与Iq包含高频注入分量，在进行电流闭环控制时，应使用低通滤波器（截止频率为100Hz）滤除dq轴电流采样信号中的高频分量，再与给定电流信号作差。

3 实验结果

采用上述脉振高频注入法，使用DSP+IPM硬件结构，在单转子内埋式永磁同步压缩机上进行试验，电机参数为：极对数为3，Ld=9.2mH，Lq=11.6mH，Rs=1.8Ω，图3所示为估算转速曲线与压缩机相电流曲线，压缩机稳定运行在3Hz，并且从图中可以看出，脉振高频注入法能较好反应单转子压缩机在旋转一周过程中由于吸排气负荷不平衡导致的转速波动，而使用线性观测器估算旋转坐标系下Ed、Eq，再使用锁相环解算出转速与位置的方法，在相同负荷下最低只能运行在6Hz。通过试验证明，本文采用的脉振高频注入法能在较低转速下估算出压缩机的转速与位置，使压缩机能稳定运行在低频，以实现节能以及提高空调舒适度的目的，并且，该方法对不同参数的电机有较好的适应性，可缩短新产品开发中调试参数的时间。