賀小林 方許丹 劉志輝

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前在空調領域中，無位置傳感器的直流風機的逆風啟動在業(yè)界一直是個難題，而變頻空調廣泛服務于工業(yè)領域、商用場所、普通家庭等場所。當環(huán)境中風力較大時，關機狀態(tài)室外機的風機會隨著風高速旋轉，當用戶需要開機運行時，如果風機轉速較高，就會導致風機啟動失敗，甚至導致誤報故障，嚴重影響用戶使用。本文提出了一種基于狀態(tài)觀測器辨識風機逆風狀態(tài)、逆風轉速估算、逆風制動和啟動的方案，有效解決了風機逆風狀態(tài)下啟動失敗的問題。

1 逆風啟動及運行技術原理

本文提出的基于狀態(tài)觀測器的永磁同步電機的逆風啟動及運行技術，主要包括風機逆風狀態(tài)辨識、逆風轉速估算及逆風制動和啟動等技術，具體方案如下：

1.1 逆風狀態(tài)辨識技術

永磁同步電機的定子部分由三相繞組構成，當外部風力自動旋轉時，在三相繞組中產生反電動勢，若有電流回路時，則三相繞組中會產生相互電角度相差120°的正弦波的相電流，且滿足基爾霍夫電流定律，可得公式（1）：

其中iu、iv、iw代表電機定子三相繞組的U、V、W相電流值。

根據(jù)Clark變換法則，可將三相繞組相電流值等幅值變換為正交兩相靜止坐標系下和兩相電流值來表示，如公式（2）：

其中iα、iβ代表和兩相電流值。

將公式（1）代入公式（2），進一步簡化公式（2），可得公式（3）：

由公式（3）可知，只需檢測出電機的U、V相電流，即計算出兩相坐標系下α和β兩相電流值。

由兩相靜止坐標系下的α和β兩相電流值，可計算出電機定子繞組電流峰值，即公式（4）：

其中Is為電機定子繞組相電流峰值。

因此可根據(jù)風機功率預設逆風狀態(tài)辨識的電流閾值，若值大于預設電流閾值，則風機處于逆風運行狀態(tài)，否則處于靜止狀態(tài)。

1.2 逆風轉速估算技術

在無位置傳感器的變頻控制中，永磁同步電機轉速是基于狀態(tài)觀測器進行估算，其中狀態(tài)觀測器是以三相繞組的相電流值為輸入量，因此通過PWM1-6控制IPM的開關管有序導通和關斷實現(xiàn)采樣相電流值：iu、iv、iw，確保狀態(tài)觀測器正常工作。

如圖1所示，相電流：iu、iv、iw，經過Clark和Park變換法則，等效變換為dq旋轉坐標系下的iq、id，通過給定iq*和id*值時，由PI控制器輸出uq和ud，經Park逆變換和SVPWM調制后，PWM1-6輸出信號控制IPM的開關管有序導通和關斷，采樣三相繞組的相電流，實現(xiàn)基于狀態(tài)觀測器估算逆風轉速

在變頻FOC控制算法中，iq*控制電磁轉矩，控制轉子磁通，為使給定iq*和id*值對電機的逆風轉速干擾降至最小，給定iq*和id*值為0，這樣既可對電機的當前狀態(tài)影響降至最小，也可使狀態(tài)觀測器正常運行，獲取電機的轉速和位置，為電機的逆風制動奠定基礎。

1.3 逆風制動及啟動技術

在電機處于逆風狀態(tài)時，經逆風轉速估算處理后，當估算轉速為正向轉速值時，由于估算轉速和位置已知，電機可直接進入正向啟動；當估算轉速為逆向轉速值時，將電機的定子繞組中的U相和V相進行換相控制，由于估算轉速和位置已知，電機可直接進入閉環(huán)逆風制動。

1）閉環(huán)逆風制動

圖1 逆風轉速估算系統(tǒng)圖

圖2 逆風制動系統(tǒng)圖

如圖2所示，在閉環(huán)逆風制動時，狀態(tài)觀測器、速度PI控制器及電流PI控制器正常工作，當電機的逆向轉速較高時，通過在速度PI控制器中給定較低目標轉速ω*，可使逆向轉速降至給定目標轉速；當電機的逆向轉速很低時，通過在速算PI控制器中給定較高目標轉速ω*，可使逆向轉速升至給定目標轉速，之后在速度PI控制器中給定較低目標轉速ω*，可使逆向轉速降至給定目標轉速；由于閉環(huán)逆風制動過程中，狀態(tài)觀測器、速度PI控制器及電流PI控制器均正常工作，系統(tǒng)中控制量均已知，當電機在給定較低目標轉速穩(wěn)定運行時，控制電磁轉矩的iq*值已滿足克服逆風所產生的負載轉矩，為開環(huán)逆風制動可靠運行奠定基礎。

2）開環(huán)逆風制動和正向啟動

如圖3所示，在開環(huán)逆風制動過程中，僅電流PI控制器正常工作，其中控制電磁轉矩的i*值q已在閉環(huán)逆風制動過程中確定，位置 值按給定目標轉速ω*乘以Ts進行變化，即可在電機的定子三相繞組中生成幅值恒定、按ω*轉速旋轉的電磁轉矩，當目標轉速ω*降為0值時，電機靜止，之后再將電機的定子繞組U相和V相進行換相控制，當給定目標轉速ω*從0增大，電機開環(huán)正向啟動。

2 軟件設計

在逆風啟動及運行技術原理的基礎上，結合硬件原理及永磁同步電機工作原理設計基于狀態(tài)觀測器的永磁同步電機的逆風啟動及運行技術軟件控制算法，如圖4所示。

3 實驗分析

在實驗室中，搭建變頻空調機組的逆風啟動測試平臺，通過調節(jié)實驗室工況，可使室外風機在不同的逆風轉速和轉向下自動旋轉；在空調機組的終端設備下發(fā)開機指令后，使用示波器等設備，測試室外風機逆風啟動的相電流波形。

基于在永磁同步電機的逆風高轉速和逆向旋轉的實驗工況下，驗證本設計方案可靠性最具代表性，設計了永磁同步電機運行于逆向旋轉且轉速為1 000 r/min的實驗工況，測試其逆風啟動，使用示波器測試相電流波形，如圖5所示。

圖3 逆風制動系統(tǒng)圖

圖4 逆風啟動及與運行流程圖

從圖5可觀察到，機組在外界風場的作用下高速逆風反轉，當收到開機指令時，控制算法檢測到機組逆風反轉并進入逆風轉速估算流程，估算反轉的具體速度，為下一階段的剎車過程做準備。從圖中可以觀察到在逆風狀態(tài)辨識過程中，相電流的幅值是逐步增大，由此可判斷逆風辨識過程是穩(wěn)定可靠；在逆風轉速估算過程中，相電流的幅值是趨近于零，由此可判斷逆風轉速估算過程是在未影響永磁同步電機逆風狀態(tài)情況下進行逆風轉速估算的，表明其估算轉速切合永磁同步電機實際逆風轉速，符合設計目標；在逆風閉環(huán)制動過程中，相電流的幅值逐漸增大，由此可判斷逆風閉環(huán)制動至較低目標轉速的過程是穩(wěn)定和可靠；在逆風開環(huán)制動過程中，電流幅值是根據(jù)逆風閉環(huán)制動至較低目標轉速時所確定的，因此該電流值可滿足克服外風力所產生的負載轉矩，電流頻率是按降頻速率降至零，由此判斷在逆風閉環(huán)和開環(huán)制動過程中，風機控制平穩(wěn)且可靠，符合設計預期；在正向開環(huán)啟動過程中，電流幅值與開環(huán)制動的幅值一致，電流頻率按升頻速率增長至開環(huán)啟動目標轉速，可確保開環(huán)啟動的可靠性。整個控制過程經歷了逆風狀態(tài)辨識、逆風轉速估算、逆風閉環(huán)制動、逆風開環(huán)制動和正向開環(huán)啟動等五個過程，實現(xiàn)了空調機組外風機從高速逆風反轉到平穩(wěn)降速并停止，然后正向啟動的最終設計目標，且整個過程平穩(wěn)且可靠，極大地提高了機組抗風能力和逆風啟動可靠性。

圖5 室外風機逆風啟動測試相電流波形

4 結論

本文提出了結合變頻風機逆風運行特性，基于狀態(tài)觀測器辨識逆風轉速、轉向及位置等狀態(tài)信息，從而可靠的進行逆風制動及正向啟動，在無需增加變頻空調機組成本情況下，大幅降低了室外風機啟動失敗可能性，提高了機組的抗風能力，同時提升了用戶體驗。