高速燃料电池空压机无位置传感器控制

王心坚，黄道锦，马瑞盛，王颖飞

(同济大学 汽车学院， 上海 201804)

0 引 言

燃料电池空压机为燃料电池阴极反应提供高压空气，其性能好坏直接影响燃料电池系统性能[1]，它需满足体积小、无油、高转速以及良好的动态响应等特点。本文针对一款高速离心式燃料电池空压机进行控制算法设计，该空压机是一款两对极的表贴式永磁同步电机，额定转速为50 000 r/min。电机两端安装泵头，实现对空气两次加压，但也正因为其结构特点，空压机难以留出足够空间安装位置传感器，需使用无位置传感器控制进行调速。

无位置传感器控制经过许多学者的研究已经发展出许多成熟的控制方案，在低速工况有V/F起动、I/F起动、高频注入法等，在中高速工况有自适应观测器法、龙伯格观测器法、滑模观测器法等[2]。本文针对燃料电池空压机特点，选择I/F起动结合滑模观测器法实现转速控制。针对电机转速响应，传统的PI调节器难以同时满足快速性以及小超调的需求，许多先进控制算法如自抗扰控制[3-4]、鲁棒控制[5]、模糊PI控制[6]等被提出。经实验，燃料电池空压机在同一背压阀开度下转速和需求交轴电流具有一一对应的关系，本文将利用这一特点，在PI调节器基础上设计前馈补偿环节，从而实现空压机的快速调速。

1 无位置传感器控制算法原理

燃料电池空压机允许低速小幅度抖动，因此本文选用I/F起动方式实现其快速启动。中高速工况中为了实现高速鲁棒性，采用改进型滑模观测器法进行位置转速估计。

1.1 基于滑模观测器的位置估计算法

该高速空压机为两对极的表贴式永磁同步电机，其电流方程在α，β坐标系中可表达如下：

(1)

(2)

式中：ωe为电角速度；ψf为永磁磁链；θe为转子位置电角度，扩展反电动势中包含了转子位置信息。

使用传统滑模观测器，选取电流观测误差为滑模面，得出电流误差方程：

(3)

式中：k为增益系数，当k>max{|Eα|,|Eβ|}时，可以使误差收敛，即可以利用电流误差表征扩展反电动势。传统滑模观测器框图如图1所示。

图1 传统滑模观测器估计框架图

为削弱滑模观测器抖振问题，本文通过增加边界层，选用饱和函数sat(x)函数代替sgn(x)，如图2所示。

图2 sgn函数与sat函数

扩展反电动势信号中包含了控制产生的高频信号，需经过低通滤波处理，滤波器表示形式：

(4)

式中：ωc为截止频率。低通滤波器会带来一定的相位滞后，因此需要在计算角度后增加补偿，补偿量：

(5)

综上，本文使用的滑模观测器转速位置估计方法框图如图3所示。

图3 本文滑模观测器估计框架图

1.2 I/F起动

当电机运行在零速和低速时，其反电动势信噪比低，难以提取，需要研究额外的起动策略。传统的恒压频比(V/F)起动方法原理简单，但由于电流不可控，容易出现过电流。本文选择速度开环、电流闭环的I/F起动方法。

I/F起动方法利用斜坡函数使得给定转速增速，在此阶段控制系统给定恒定q轴电流，从而产生足够大的电磁转矩。电机加速到给定值后，进入切换模块，转为滑模观测器闭环控制。整体控制框图如图4所示。

图4 空压机控制框架图

2 空压机转速调节

2.1 速度环控制

传统的电机速度环控制对电机实际速度反馈值和转速需求值进行比较，得出的误差值通过PI调节器进行控制，输出所需的电机电流信号，如图5所示。

图5 电机控制转速环

根据电机转矩方程，可得出速度环的控制框图如图6所示。

图6 电机控制转速环框图

图6中，将电流环和转速检测环节等价为一阶惯性环节，kc,τc,kn,τn分别为其增益及时间常数；转矩系数kT=1.5pψf;TL为负载转矩；J为转动惯量；kp和τ为PI调节器的比例系数及积分时间常数。

将电流环和转速检测环节合并为延时环节，时间常数为td，假设负载转矩为0，系统传递函数：

(6)

式中：

(7)

(8)

当kip较小时，系统闭环传递函数可以写成标准的二阶系统，此时同电流环公式，可得：

(9)

式中：ξ为二阶系统中的阻尼系数，决定了系统动态响应特征。ξ较小时，系统响应较快，但超调量大；ξ较大时，系统响应减慢，但可以减小超调量。

2.2 前馈补偿环节

PI调节器无法同时满足快速响应和小超调，为解决这一问题，本文提出一种前馈补偿的方法，利用空压机转速及交轴电流的对应关系，根据转速需求值以及背压阀开度值进行查表，获取需求电流值，对PI调节器进行前馈电流补偿，如图7所示。

图7 前馈补偿系统框图

空压机两端安装叶片泵，在同一背压阀开度下，转速越高，其负载转矩越大，电流环中所需的交轴电流越大，存在着一一对应的关系。同一背压阀开度下，通过实验记录不同稳态转速所需的交轴电流，如图8所示。

图8 空压机转速与交轴电流对应关系

因此，可以通过查表的方式，绘制不同需求转速下对应的需求电流表，进行前馈补偿，实现转速的快速响应，同时适当减小PI调节器系数，减小超调量。

3 实 验

燃料电池空压机控制系统采用电机控制器快速原型，该快速原型基于CAN总线的Bootloader实现在线刷写程序，可以将Simulink中的控制程序利用代码生成的方式，形成可运行程序。设计控制程序整体Simulink模型如图9所示。

图9 空压机控制Simulink模型图

设计的控制模型主要包括三个模块，模型中间为电流环调节模块，调用周期为50 μs，负责读取相电流信息，通过矢量控制、位置估计、SVPWM最终输出占空比信号。外面两个模块负责CAN信号的收发和速度环的调控，调用周期为0.01 s，负责接收上位机指令，发出需求交轴电流指令给电流环，并且返回电机信息给上位机。

I/F起动环节设置较大的电流需求值以及较缓的斜坡函数，可以保证起动成功性。

实验中设置交轴起动电流为30 A，斜坡函数加速度为1 500 (r·min-1)/s，目标转速为3 000 r/min，起动电流波形如图10所示。

图10 I/F开环加速电流波形

使用滑模观测器进行转速位置估计，实现转速50 000 r/min稳定运行，其电流波形如图11所示。

图11 50 000 r/min运行电流波形

针对转速响应，本文首先进行需求转速和需求电流的标定，制作表格。比较使用前馈补偿环节和单纯使用PI调节器，对于转速阶跃的响应，其响应如图12所示。

图12 前馈补偿与单纯PI控制对比

通过比较发现，前馈补偿的方法可以实现更快的转速响应。

4 结 语

本文针对一款高速燃料电池空压机设计无位置传感器控制方法，利用I/F起动结合改进型滑模观测器，实现其快速起动以及高速稳定运行。在转速响应方面，利用空压机转速转矩对应关系，设计查表前馈补偿的方法， 实现了优于传统PI控制器的转速调节响应。