肖釗 宋萬(wàn)杰 任新杰

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528333

1 引言

矢量控制算法驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的基本算法原理[1]是通過(guò)無(wú)位置速度估算求出轉(zhuǎn)子位置與運(yùn)行速度，根據(jù)目標(biāo)速度與期望速度通過(guò)PI調(diào)節(jié)，得到期望的D、Q軸電流；采集壓縮機(jī)相電流，通過(guò)Clarke+Park變換得到反饋回來(lái)的D、Q軸電流，根據(jù)目標(biāo)D、Q軸電流與反饋回來(lái)的D、Q軸電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到D，Q軸電壓，最終輸出6路PWM信號(hào)，控制壓縮機(jī)[2]。

其中有兩路電流環(huán)PI結(jié)構(gòu)，常規(guī)的Idref(期望的D軸電流)設(shè)置為0，在進(jìn)入弱磁后，通過(guò)控制電壓矢量輸出，給定相應(yīng)的Idref，變相達(dá)到弱磁提速的目的。在如今電機(jī)設(shè)計(jì)反電動(dòng)式這么高的情況下，過(guò)深的弱磁必定會(huì)引起壓縮機(jī)效率的大大損失，而且弱磁后頻率運(yùn)行也不是很穩(wěn)定，壓縮機(jī)容易跳機(jī)。因此本文進(jìn)一步分析壓縮機(jī)在弱磁后不穩(wěn)定的情況，通過(guò)過(guò)調(diào)制達(dá)到極限后，再進(jìn)入弱磁，弱磁方法由傳統(tǒng)的控制電壓矢量輸出變成單PI方式，進(jìn)一步加強(qiáng)弱磁后的頻率穩(wěn)定性。

2 控制分析

2.1 矢量控制分析

永磁同步電機(jī)D、Q軸的方程為：

其中，Te為永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，φf(shuō)為永磁體磁鏈，Iq為Q軸電流，Id為D軸電流，Lq，Ld為D，Q軸電感。R為相電阻，p為微分算子，ω為電角速度，Ud和Uq分別為D軸電壓和Q軸電壓。

若考慮弱磁的影響，在傳統(tǒng)矢量控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)電壓矢量控制得到Idref給定D軸電流。達(dá)到期望的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，其控制公式為：

其中，Udc為母線(xiàn)電壓。VSmax為端子間電壓最大值，KH為弱磁系數(shù)（一般設(shè)置在0.92～0.95之間）， 為電壓誤差量，PI為PI控制環(huán)路增益。

實(shí)際使用中往往公式（4）改寫(xiě)成：

2.2 弱磁控制分析

在弱磁時(shí)直接從公式（1）分析，去除微分量?？梢缘玫剑?/p>

在恒功率區(qū)域，Uq被限制在VSmax*KH的附近。D、Q軸電流不能獨(dú)立通過(guò)電流環(huán)節(jié)求出，他們是互相耦合的。傳統(tǒng)的雙電流環(huán)方式畢竟會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

為此我們提出了D軸電流環(huán)PI控制解決D、Q軸互相耦合的問(wèn)題。

單D軸電流環(huán)PI控制框圖是由速度環(huán)PI直接決定了D軸電流的給定，Q軸電壓直接給成定值VFWC。

這樣的好處有：更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)；不用解耦和分析D、Q軸電流環(huán)節(jié)；D、Q軸電流環(huán)控制沒(méi)有相互競(jìng)爭(zhēng)。

但是從原來(lái)的雙電流環(huán)節(jié)切入現(xiàn)在的單D軸電流環(huán)，其需要解決的問(wèn)題有：何時(shí)從雙電流環(huán)切入換成單電流環(huán)，切入瞬間的平滑處理，VFWC的給定，何時(shí)切出從單電流環(huán)變化成雙電流環(huán)。

為此我們提出改進(jìn)型弱磁方法，在SVPWM中計(jì)算T1+T2時(shí)刻；

SVPWM中T1，T2的計(jì)算方法：

歸一化總體時(shí)時(shí)間為1（每載波周期所消化時(shí)間），這樣在不進(jìn)入過(guò)調(diào)制時(shí)，總有如下關(guān)系存在：

我們選取低通濾波后的值作為開(kāi)啟模式，這樣就解決了切換時(shí)刻的問(wèn)題；

公式（2）中，我們可以看出，在有恒定轉(zhuǎn)矩的情況下，傳統(tǒng)的單PI輸出的Iqref（Q軸電流參考）必須為正值，如果改成單D軸電流環(huán)，其輸出的Iqref（D軸電流參考）必須為負(fù)值。這樣正負(fù)切換，必然會(huì)帶來(lái)很大的速度環(huán)輸出超調(diào)。

為此我們需要對(duì)速度環(huán)做出改良：

傳統(tǒng)的速度環(huán)：

改良后的速度環(huán)：

同時(shí)將積分增益重置為0；

在速度環(huán)調(diào)整的同時(shí)，電流環(huán)也要調(diào)整，

限制Ud的輸出，使Ud的輸出波動(dòng)在可控范圍內(nèi)，并且限制PI環(huán)的輸入；這樣切入瞬間就會(huì)平滑，無(wú)重大頻率抖動(dòng)。

在降速時(shí)，弱磁程度會(huì)降低，甚至?xí)](méi)有弱磁，這時(shí)需要退出單PI電流環(huán)，變成雙PI電流環(huán)。我們只需要判斷速度環(huán)輸出的Iqref是否大于0，基本上可以判定是否退出單PI電流環(huán)，同時(shí)切換瞬間參考切入瞬間的解決方法即可。

2.3 過(guò)調(diào)制控制分析與實(shí)現(xiàn)

過(guò)調(diào)制其實(shí)最基本的目的是提高母線(xiàn)電壓利用率，提高三相輸出最大電壓基波[3]，基波的提高意味著Vsmax*KH的提高，根據(jù)公式（6）可以看出Ud，Uq允許輸出更高。就可以在不弱磁的情況下，大大提高運(yùn)行頻率。我們?cè)谑褂眠^(guò)程中，KH的調(diào)整就是我們過(guò)調(diào)制的控制目的。

圖1 仿真SVPWM輸出的歸一化調(diào)制比

圖2 仿真過(guò)調(diào)制端子間電壓

圖3 仿真Ud、Uq過(guò)調(diào)制單PI波形

圖4 仿真相電流波形，速度波形，與轉(zhuǎn)矩波形

傳統(tǒng)的矢量控制算法步驟必須在電流采樣成功后才執(zhí)行無(wú)位置運(yùn)算，由于大多數(shù)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)是單電阻采樣，在過(guò)調(diào)制時(shí)刻有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流采樣的失敗，按照傳統(tǒng)的做法，電流采樣不成功則無(wú)位置運(yùn)算，這樣在過(guò)調(diào)制瞬間會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)找不到位置而運(yùn)行不穩(wěn)定甚至失步，所以需要改進(jìn)算法運(yùn)行結(jié)構(gòu)：

若將電流采樣、Park+Clarke變換與無(wú)位置運(yùn)算并行，無(wú)論電流采樣成不成功，都不會(huì)影響磁鏈的估算或者其他無(wú)位置估算算法的執(zhí)行。這樣確保在過(guò)調(diào)制階段的位置準(zhǔn)確性，就可以執(zhí)行過(guò)調(diào)制算法。

2.4 過(guò)調(diào)制與單電流環(huán)PI的結(jié)合

雖然過(guò)調(diào)制可以提高母線(xiàn)電壓利用率，推后弱磁頻率，但是我們壓縮機(jī)的頻率要求至少達(dá)到120Hz以上，只靠過(guò)調(diào)制提高運(yùn)行頻率是往往不夠的，我們還是需要弱磁提速。但是弱磁是以犧牲電機(jī)效率為前提的，過(guò)調(diào)制并沒(méi)有犧牲電機(jī)效率，所以我們的控制策略為：在過(guò)調(diào)制到達(dá)極限時(shí)才進(jìn)入單PI弱磁。盡量用到過(guò)調(diào)制再用單PI弱磁。

3 仿真計(jì)算

我們使用MATLAB/SIMULINK作為仿真軟件進(jìn)行仿真運(yùn)算。

如圖1所示是從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)，然后到過(guò)調(diào)制時(shí)的整體占空比圖形展示，中間經(jīng)歷了單PI電流環(huán)與過(guò)調(diào)制的切換。

如圖2所示是壓縮機(jī)端子間電壓波形，可以看到這時(shí)的電壓波形中間已經(jīng)沒(méi)有載波，電壓基波提高較大。

如圖3所示是壓縮機(jī)Ud和Uq的電壓波形，在進(jìn)入單PI時(shí)Uq電壓被鎖定，Ud隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化而變化。

如圖4所示是單PI環(huán)切入瞬間的電流波動(dòng)與過(guò)調(diào)制情況，可以看出在切入過(guò)調(diào)制后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變大了一些，但是還是在可控范圍內(nèi)。壓縮機(jī)相電流并沒(méi)有提升很大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳壓縮機(jī)矢量控制算法分析，提出了新的過(guò)調(diào)制單PI弱磁算法，推導(dǎo)了壓縮機(jī)在弱磁時(shí)雙電流環(huán)PI的不穩(wěn)定性的問(wèn)題。在使用單D軸電流環(huán)PI后解決。同時(shí)結(jié)合過(guò)調(diào)制，提高了電壓利用率，減小了壓縮機(jī)運(yùn)行相電流，提高了壓縮機(jī)的高頻能效。從原理到仿真再到實(shí)際試驗(yàn)都驗(yàn)證了算法的可行性和有效性，在壓縮機(jī)高頻弱磁驅(qū)動(dòng)算法中有良好的應(yīng)用價(jià)值。