王苗森，沈新隆

(臥龍電氣驅(qū)動集團股份有限公司，上虞 312300)

0 引 言

油煙與工業(yè)廢氣、汽車尾氣并稱為三大生活有害氣體。隨著中國大力推進美好生活建設，未來5年，預計將增加1.2億住宅單位，為吸油煙機市場迎來了廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的烹飪習慣，廚房油煙成為室內(nèi)最大的空氣污染源，廚房空氣質(zhì)量對居民健康的影響越來越受到重視。為了提高土地利用率，居民樓宇越建越高，但狹長的公共煙道由于管道本身靜壓高，普通性能吸油煙機在使用高峰期無法迅速暢排油煙，甚至出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，廚房空氣無法迅速保持潔凈，因此需要根據(jù)公共煙道不同時刻實際靜壓大小，自動動態(tài)調(diào)整吸油煙所需靜壓和風量的大吸力吸油煙機，迅速暢排油煙，提升廚房空氣質(zhì)量。另外，國家對節(jié)能、環(huán)保的要求越來越高，也使得超高效、大吸力吸油煙機必然成為今后的技術發(fā)展趨勢。

內(nèi)嵌式永磁同步電動機(以下簡稱IPMSM)因高轉(zhuǎn)矩密度、高可靠性、低噪聲、低振動等明顯的優(yōu)勢[1]，在油煙機行業(yè)的應用日趨廣泛。為了充分利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，提升其轉(zhuǎn)矩密度，對其控制策略也提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的風機控制模式一般采用恒轉(zhuǎn)速的方式進行調(diào)節(jié)，但在油煙機行業(yè)中，因有隨著管道阻力特性的變化而自適應調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的需求，故一般采用恒轉(zhuǎn)矩控制模式。

永磁同步電機通常采用的控制拓撲為磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。而本文用的控制拓撲為直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制(以下簡稱DTFC),其繼承了直接轉(zhuǎn)矩控制的快速轉(zhuǎn)矩響應能力，以及更低的參數(shù)敏感性，同時其利用SVPWM帶來更為光滑的電流和轉(zhuǎn)矩響應，從而解決了直接轉(zhuǎn)矩控制的高轉(zhuǎn)矩脈動和運行噪聲問題。文獻[2]對比了磁場定向控制和DTFC兩種控制拓撲，并進行了實驗論證。觀測器作為DTFC控制拓撲的核心，文獻[3]對比了目前主流的觀測器模型，并對比評估各種工況下的觀測器估算的永磁磁鏈和轉(zhuǎn)子角度的精確性。

本文選用了混合磁鏈觀測器對IPMSM的定子磁鏈進行觀測，并基于“有效磁通”的概念[4]，其有效磁通的位置等同于轉(zhuǎn)子位置，從而將具有凸極比的永磁同步電機(Lq>Ld)轉(zhuǎn)化為表貼式永磁同步電機(Lq=Ld)進行位置觀測。

因油煙機屬于風機類應用，其轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成平方倍增長，故油煙機電機常工作在弱磁轉(zhuǎn)速以下，故本文只分析DTFC拓撲下的最大轉(zhuǎn)矩電流比(以下簡稱MTPA)控制。

1 DTFC拓撲

本文使用的坐標系如圖1所示，其中d-q為轉(zhuǎn)子磁鏈坐標系，ds-qs為定子磁鏈坐標系，θ為轉(zhuǎn)子角度，δ為負載角，γ為電流超前角。

圖1 定義坐標系

在ds-qs坐標系下，永磁同步電機的數(shù)學模型如式(1)所示，從式(1)中可以發(fā)現(xiàn)，IPMSM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(永磁轉(zhuǎn)矩/磁阻轉(zhuǎn)矩)只和iqs有關。

(1)

式中：vds,vqs,ids,iqs為ds-qs坐標系下的電壓和電流；p為微分算子；Rs為電機相電阻，λest為擴展磁鏈；ω為電機運行角頻率，p為極對數(shù)。

在ds-qs坐標系下，DTFC的拓撲如圖2所示，其控制拓撲的控制量為轉(zhuǎn)矩及磁鏈，并用SVPWM調(diào)制代替直接轉(zhuǎn)矩控制中的bang-bang控制，從而保證DTFC在具有快速轉(zhuǎn)矩響應能力、強魯棒性的特性下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的平滑輸出，從而保證DTFC的低轉(zhuǎn)矩脈動和低運行噪聲。

圖2 DTFC拓撲框圖

新型控制拓樸對應的數(shù)學模型如下式：

(2)

式中：k(δ)與負載角相關，其表達式如式(3)所示；b(λ,δ)與擴展磁鏈及負載角相關，表達式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中：λm為永磁體磁鏈。

DTFC無傳感器控制中所使用的混合磁鏈觀測器的拓撲結(jié)構如圖3所示，式(5)為該拓撲所對應的傳遞函數(shù)表達式。

圖3 觀測器拓撲結(jié)構

(5)

從其傳遞函數(shù)及拓撲結(jié)構可以發(fā)現(xiàn)，在低速段時，該觀測器使用電流模型估算磁鏈；高速段時，觀測器使用反電動勢信息進行速度和轉(zhuǎn)子估算。兩者之間的權重分配，只通過一個增益g進行調(diào)節(jié)。

式(6)為有效磁通的概念，其完成定子磁鏈觀測器角度估算從定子磁鏈角度到轉(zhuǎn)子磁鏈角度的轉(zhuǎn)變。

(6)

電機的實時轉(zhuǎn)子角度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信息，分別通過式(7)～式(9)獲得。

(7)

(8)

(9)

2 MTPA在線計算

IPMSM所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機的轉(zhuǎn)矩密度,但傳統(tǒng)的id=0的控制策略無法充分發(fā)揮IPMSM的這一特性，故本文采用MTPA的控制策略。

傳統(tǒng)MTPA做法是離線建立id-iq表[5]，這種做法雖然能大幅降低CPU的計算壓力，但會浪費CPU內(nèi)部存儲空間。

針對上述現(xiàn)狀，本文的MTPA采用離線初始值建(T-λ)表，并結(jié)合牛頓切線法在線計算的方法，在不降低精度的前提下，可有效平衡CPU的存儲空間和計算壓力。

(9)

(10)

MTPA的計算，實際即求式(9)的解，而牛頓切線法是很好的求解工具，在選擇合適初值的前提下，其迭代次數(shù)可以大幅降低。

在實際過程中，觀測器可以獲得系統(tǒng)此時的轉(zhuǎn)矩值，利用該值，選擇合適的初值后，通過式(10)進行迭代計算，得到滿足式(9)的iqMTPA。同時將該值代入式(11)及式(12)中，從而獲得當前的磁鏈幅值。

(11)

(12)

通過上述計算獲得的MTPA初始值表，如圖4所示。

圖4 MTPA初值表

3 仿真與建模

根據(jù)以上分析建立如圖5所示的DTFC拓撲仿真模型，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行仿真實驗。仿真參數(shù)如下：直、交軸電感Ld=82 mH，Lq=92 mH；定子電阻Rs=6.8 Ω；電機極對數(shù)p=5；永磁體磁鏈λm=0.154 Wb；觀測器增益G=50;仿真以半滿載起動，在0.4 s時加至滿載。

圖5 Simulink仿真模型

仿真模型先以半滿載起動，在0.4 s以階躍加至滿載，觀測器在此工況下，其輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示，其輸出值和電機實際轉(zhuǎn)矩值基本一致。

圖6 轉(zhuǎn)矩(觀測器)與實際轉(zhuǎn)矩

仿真得到的定子磁鏈及有效磁鏈如圖 7及圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，定子磁鏈在負載增大時，觀測器所反饋的磁鏈有明顯增大，但所得的有效磁鏈對負載轉(zhuǎn)矩的變化不明顯。

觀測器通過有效磁鏈觀測的角度和電機實際角度的對比如圖9所示，觀測器得到的角度基本和電機實際角度相符。

圖9 角度(觀測器)與實際電機角度

4 實驗及波形

為了進一步驗證DTFC拓撲對油煙機風機應用的有效性，本文搭建了控制實驗平臺。在采用上述控制拓撲的前提下，其油煙機的空氣性能有了明顯的提升。實驗所用電機參數(shù)與仿真一致。

圖10(a)為此框架下的起動電流波形圖。起動還采用傳統(tǒng)的“三段式”方法，但在強拖轉(zhuǎn)速1 Hz下，即可切入閉環(huán)，穩(wěn)定運行，驗證本文所述自適應觀測器的精確性。

圖10(b)為在不同參考轉(zhuǎn)矩下的整體電流波形圖。本控制拓撲足以支持在不同油煙機的空氣性能要求下的穩(wěn)定運行。

圖10 電流波形

圖11為相同輸入功率下，采用磁場定向控制拓撲與采用DTFC拓撲的同一油煙機的空氣性能對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，DTFC拓撲相較磁場定向控制拓撲，油煙機的最大風量由20.578 m3/min提升至22.237 m3/min，最大靜壓由801.767 Pa提升至865.348 Pa，標準規(guī)定風量時的全壓效率由29.439%提升至36.891%。實現(xiàn)了油煙機行業(yè)高靜壓、大風量、超高能效的需求。

5 結(jié) 語

本文研究了一種新型永磁同步電機控制拓撲——DTFC，通過仿真驗證了DTFC的有效性，以及轉(zhuǎn)矩快速響應的特性。同時，將恒轉(zhuǎn)矩控制模式應用在油煙機風機控制，實現(xiàn)了油煙機行業(yè)高靜壓、大風量、超高能效的需求。