高速压缩机弱磁控制技术研究

黄 翰

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，变频空调压缩机与风机广泛使用永磁同步电机作为动力源。为了降低企业成本，使用小排量压缩机，通过提高压缩机转速来实现更强的制冷制热能力是较好的选择。受限于直流母线电压，永磁同步电机需要弱磁控制来提升转速。因此，研究永磁同步电机弱磁控制方法，提升高速下动态性能与可靠性具有重要意义。

传统的弱磁控制有两个电流环，分别控制直轴电流和交轴电流。如何规划给定电流的轨迹是双环弱磁控制的关键。目前，双环弱磁控制有公式计算法，查表法，梯度下降法，基于电压外环的电流超前角控制等[1]。其中，基于电压外环的电流超前角控制具有适应性好，实现简单而被广泛应用。

但是，基于双环的弱磁控制并不能解决弱磁下交直轴电压相互冲突的问题。单电流调节器通过控制直轴电流得到直轴电压，交轴电压直接给定或通过公式给定[2]。然而，现有文献研究的单电流调节器交轴电流环在非弱磁区闭环，在弱磁区开环，需处理开闭环切换，实现较为复杂。本文提出一种对交轴电压限幅的实现方法，所提方法交轴电流环在弱磁与非弱磁区域均保持闭环，在弱磁区受限幅而进入饱和，在非弱磁区，交轴电流环退出饱和。

1 传统基于电流超前角的弱磁控制

基于电流超前角的弱磁控制如图1所示。电流分配如式（1）所示。

图1 基于电流超前角的弱磁方案

式中：

β-电流超前角；

Is-速度环输出的给定电流；

IdRef-直轴电流环给定电流；

IqRef-交轴电流环给定电流。

在Is一定的情况下，超前角大小决定了交直轴电流的轨迹。超前角由电压外环进行自动调节，从而具有较强的适应性。在电压外环比较环节，若逆变器PWM信号能从0至100 %占空比输出，中k的取值影响着电压利用率与电流环是否进入过调制。当k<1，稳态下，参考电压矢量处于线性调制区，不会进入过调制，抗积分饱和不起作用，实际电流与给定电流没有静差。但动态下，电流环仍有可能进入过调制。当k>1时，稳态下，参考电压矢量处于过调制区，抗积分饱和起作用，实际电流与给定电流有静差。若逆变器PWM信号不能全占空比输出，如从（4～96）%输出，则k的临界值由1改为0.92。

文献[3]对过调制进行了分析，将过调制分为过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区，在过调制Ⅰ区中，由于参考电压矢量长度与实际电压矢量长度相差不大，因此只修改参考电压矢量的幅值，而不修改电压矢量的相位。文献[4]综合分析了弱磁与过调制，结果表明过调制Ⅱ区虽然能提高输出电压基波幅值，却对提高转速没有帮助。因此，本文提到的过调制只有过调制Ⅰ区。

现有的研究通常将弱磁区间分为恒转矩区和恒功率区，但对于压缩机类负载，负载转矩随转速升高而增大，因此在压缩机全速范围内只有恒转矩区，没有恒功率区。压缩机在转速升高过程中，实际电流轨迹如图2所示，交轴电流随转速升高而增加，因此不必按照交轴电流下降的轨迹。

图2 电流轨迹图

在弱磁区，两个电流调节器的输出，即直轴电压Vd与交轴电压Vq存在冲突。交直轴电压合成矢量允许的长度最大为Vs_max，Vs_max典型值为，如图3（a）所示，直轴电压Vd与交轴电压Vq合成矢量VsVs_max，在过调制环节，Vd与Vq均被等比例压缩成Vd′与Vq′，如图3（b）所示，不能实现Vd、Vq独立压缩，Vq的增加会影响Vd的幅值。在弱磁区，若不能保证直轴电压有足够的裕量克服扰动控制直轴电流，将会导致弱磁失控，在无位置传感器系统中，由于位置估算依赖于直轴电压方程，失控情况将更加明显。因此，交直轴电压冲突的直接原因在过调制，本质原因在交直轴电压合成矢量幅值受母线电压限制不能超过Vs_max。

图3 电压矢量

在弱磁区，交直轴电压合成矢量为定值，直轴电压一旦确定，交轴电压也随之确定，因此，电压调节自由度为1，不必存在两个电流调节器。综合以上分析，采用单电流调节弱磁控制更合适，其交轴电压直接给定，避免了弱磁区交直轴电压冲突，同时交直轴给定电流分别由交直轴速度环调节，电流轨迹更合理。

2 基于交轴电压限幅的单电流调节弱磁控制

文献[5]提出了一种变交轴电压单电流调节弱磁控制，变交轴电压能使母线电压利用率最大化，提升了电机效率。但是，在弱磁区，交轴电流环开环，在非弱磁区，交轴电流闭环，不可避免要涉及环路的切换，电机在重负荷下切换会带来可靠性问题，且实现复杂。因此，本文提出一种基于交轴电压限幅的单电流调节弱磁控制，控制框图如图4所示。

图4 基于交轴电压限幅的单电流调节弱磁方案

提出的方案在弱磁与非弱磁区，交轴电流环均保持闭环。由于在交轴电流环加入了交轴电压限幅环节，在弱磁区，交轴电流环会触发限幅而进入饱和，在非弱磁区，交轴电流环退出饱和。在直轴电流环得出直轴电压Vd后，交轴电压限幅值为，若，参考电压矢量在线性区，不进入过调制。在实际系统中需满足，可令，适当进入过调制，提高母线电压利用率。

转速升高时，电压椭圆向椭圆圆心（特征电流点）收缩，当直轴电流在电机特征电流右侧时，直轴电流应向左移动；当直轴电流在电机特征电流左侧时，直轴电流应向右移动。本方案所提的直轴速度环，当转速升高时只会控制直轴电流向左移动，因此，直轴参考电流绝对值不得超过电机特征电流。

值得注意的是，直轴电压绝对值不得超过Vs_max。当直轴电流还没达到特征电流，而直轴电压绝对值已达到Vs_max时，直轴电压无法控制直轴电流继续向左移动，电机转速无法进一步升高，列出电机直轴电压方程如式（2）所示：

式中：

Rs-电机定子电阻；

Id-直轴电流；

Ld-直轴电感；

w-电机电气角频率；

Lq-交轴电感；

Iq-交轴电流。

3 实验结果

所提方案在单转子压缩机上进行了实验验证。在弱磁下，进行快速升降母线电压，母线电压从300 V快速下降至250 V，之后右从250 V快速上升至300 V，传统基于超前角的弱磁方案转速波动与相电流曲线如图5（a）所示，本文提出的弱磁方案转速波动与相电流曲线如图5（b）所示，对比可知，本文所提方案转速波动更小，恢复时间更短，动态性能更好。

图5 转速与相电流曲线

4 结论

本文得出结论如下：

1）传统基于双电流环的弱磁控制交直轴电压冲突的直接原因在于过调制，本质原因在于交直轴电压合成矢量幅值受母线电压限制不能超过Vs_max。

2）本文基于单电流调节器弱磁控制提出一种采用交轴电压限幅的实现方法，具有实现简单，过渡过程平滑的特点。

3）所提方法在单转子压缩机上进行了快速升降电压实验，结果表明，在弱磁区，所提方法较传统方法有更好的动态性能。