黃 翰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，變頻空調(diào)壓縮機與風機廣泛使用永磁同步電機作為動力源。為了降低企業(yè)成本，使用小排量壓縮機，通過提高壓縮機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)更強的制冷制熱能力是較好的選擇。受限于直流母線電壓，永磁同步電機需要弱磁控制來提升轉(zhuǎn)速。因此，研究永磁同步電機弱磁控制方法，提升高速下動態(tài)性能與可靠性具有重要意義。

傳統(tǒng)的弱磁控制有兩個電流環(huán)，分別控制直軸電流和交軸電流。如何規(guī)劃給定電流的軌跡是雙環(huán)弱磁控制的關(guān)鍵。目前，雙環(huán)弱磁控制有公式計算法，查表法，梯度下降法，基于電壓外環(huán)的電流超前角控制等[1]。其中，基于電壓外環(huán)的電流超前角控制具有適應性好，實現(xiàn)簡單而被廣泛應用。

但是，基于雙環(huán)的弱磁控制并不能解決弱磁下交直軸電壓相互沖突的問題。單電流調(diào)節(jié)器通過控制直軸電流得到直軸電壓，交軸電壓直接給定或通過公式給定[2]。然而，現(xiàn)有文獻研究的單電流調(diào)節(jié)器交軸電流環(huán)在非弱磁區(qū)閉環(huán)，在弱磁區(qū)開環(huán)，需處理開閉環(huán)切換，實現(xiàn)較為復雜。本文提出一種對交軸電壓限幅的實現(xiàn)方法，所提方法交軸電流環(huán)在弱磁與非弱磁區(qū)域均保持閉環(huán)，在弱磁區(qū)受限幅而進入飽和，在非弱磁區(qū)，交軸電流環(huán)退出飽和。

1 傳統(tǒng)基于電流超前角的弱磁控制

基于電流超前角的弱磁控制如圖1所示。電流分配如式（1）所示。

圖1 基于電流超前角的弱磁方案

式中：

β-電流超前角；

Is-速度環(huán)輸出的給定電流；

IdRef-直軸電流環(huán)給定電流；

IqRef-交軸電流環(huán)給定電流。

在Is一定的情況下，超前角大小決定了交直軸電流的軌跡。超前角由電壓外環(huán)進行自動調(diào)節(jié)，從而具有較強的適應性。在電壓外環(huán)比較環(huán)節(jié)，若逆變器PWM信號能從0至100 %占空比輸出，中k的取值影響著電壓利用率與電流環(huán)是否進入過調(diào)制。當k<1，穩(wěn)態(tài)下，參考電壓矢量處于線性調(diào)制區(qū)，不會進入過調(diào)制，抗積分飽和不起作用，實際電流與給定電流沒有靜差。但動態(tài)下，電流環(huán)仍有可能進入過調(diào)制。當k>1時，穩(wěn)態(tài)下，參考電壓矢量處于過調(diào)制區(qū)，抗積分飽和起作用，實際電流與給定電流有靜差。若逆變器PWM信號不能全占空比輸出，如從（4～96）%輸出，則k的臨界值由1改為0.92。

文獻[3]對過調(diào)制進行了分析，將過調(diào)制分為過調(diào)制Ⅰ區(qū)和過調(diào)制Ⅱ區(qū)，在過調(diào)制Ⅰ區(qū)中，由于參考電壓矢量長度與實際電壓矢量長度相差不大，因此只修改參考電壓矢量的幅值，而不修改電壓矢量的相位。文獻[4]綜合分析了弱磁與過調(diào)制，結(jié)果表明過調(diào)制Ⅱ區(qū)雖然能提高輸出電壓基波幅值，卻對提高轉(zhuǎn)速沒有幫助。因此，本文提到的過調(diào)制只有過調(diào)制Ⅰ區(qū)。

現(xiàn)有的研究通常將弱磁區(qū)間分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，但對于壓縮機類負載，負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而增大，因此在壓縮機全速范圍內(nèi)只有恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，沒有恒功率區(qū)。壓縮機在轉(zhuǎn)速升高過程中，實際電流軌跡如圖2所示，交軸電流隨轉(zhuǎn)速升高而增加，因此不必按照交軸電流下降的軌跡。

圖2 電流軌跡圖

在弱磁區(qū)，兩個電流調(diào)節(jié)器的輸出，即直軸電壓Vd與交軸電壓Vq存在沖突。交直軸電壓合成矢量允許的長度最大為Vs_max，Vs_max典型值為，如圖3（a）所示，直軸電壓Vd與交軸電壓Vq合成矢量VsVs_max，在過調(diào)制環(huán)節(jié)，Vd與Vq均被等比例壓縮成Vd′與Vq′，如圖3（b）所示，不能實現(xiàn)Vd、Vq獨立壓縮，Vq的增加會影響Vd的幅值。在弱磁區(qū)，若不能保證直軸電壓有足夠的裕量克服擾動控制直軸電流，將會導致弱磁失控，在無位置傳感器系統(tǒng)中，由于位置估算依賴于直軸電壓方程，失控情況將更加明顯。因此，交直軸電壓沖突的直接原因在過調(diào)制，本質(zhì)原因在交直軸電壓合成矢量幅值受母線電壓限制不能超過Vs_max。

圖3 電壓矢量

在弱磁區(qū)，交直軸電壓合成矢量為定值，直軸電壓一旦確定，交軸電壓也隨之確定，因此，電壓調(diào)節(jié)自由度為1，不必存在兩個電流調(diào)節(jié)器。綜合以上分析，采用單電流調(diào)節(jié)弱磁控制更合適，其交軸電壓直接給定，避免了弱磁區(qū)交直軸電壓沖突，同時交直軸給定電流分別由交直軸速度環(huán)調(diào)節(jié)，電流軌跡更合理。

2 基于交軸電壓限幅的單電流調(diào)節(jié)弱磁控制

文獻[5]提出了一種變交軸電壓單電流調(diào)節(jié)弱磁控制，變交軸電壓能使母線電壓利用率最大化，提升了電機效率。但是，在弱磁區(qū)，交軸電流環(huán)開環(huán)，在非弱磁區(qū)，交軸電流閉環(huán)，不可避免要涉及環(huán)路的切換，電機在重負荷下切換會帶來可靠性問題，且實現(xiàn)復雜。因此，本文提出一種基于交軸電壓限幅的單電流調(diào)節(jié)弱磁控制，控制框圖如圖4所示。

圖4 基于交軸電壓限幅的單電流調(diào)節(jié)弱磁方案

提出的方案在弱磁與非弱磁區(qū)，交軸電流環(huán)均保持閉環(huán)。由于在交軸電流環(huán)加入了交軸電壓限幅環(huán)節(jié)，在弱磁區(qū)，交軸電流環(huán)會觸發(fā)限幅而進入飽和，在非弱磁區(qū)，交軸電流環(huán)退出飽和。在直軸電流環(huán)得出直軸電壓Vd后，交軸電壓限幅值為，若，參考電壓矢量在線性區(qū)，不進入過調(diào)制。在實際系統(tǒng)中需滿足，可令，適當進入過調(diào)制，提高母線電壓利用率。

轉(zhuǎn)速升高時，電壓橢圓向橢圓圓心（特征電流點）收縮，當直軸電流在電機特征電流右側(cè)時，直軸電流應向左移動；當直軸電流在電機特征電流左側(cè)時，直軸電流應向右移動。本方案所提的直軸速度環(huán)，當轉(zhuǎn)速升高時只會控制直軸電流向左移動，因此，直軸參考電流絕對值不得超過電機特征電流。

值得注意的是，直軸電壓絕對值不得超過Vs_max。當直軸電流還沒達到特征電流，而直軸電壓絕對值已達到Vs_max時，直軸電壓無法控制直軸電流繼續(xù)向左移動，電機轉(zhuǎn)速無法進一步升高，列出電機直軸電壓方程如式（2）所示：

式中：

Rs-電機定子電阻；

Id-直軸電流；

Ld-直軸電感；

w-電機電氣角頻率；

Lq-交軸電感；

Iq-交軸電流。

3 實驗結(jié)果

所提方案在單轉(zhuǎn)子壓縮機上進行了實驗驗證。在弱磁下，進行快速升降母線電壓，母線電壓從300 V快速下降至250 V，之后右從250 V快速上升至300 V，傳統(tǒng)基于超前角的弱磁方案轉(zhuǎn)速波動與相電流曲線如圖5（a）所示，本文提出的弱磁方案轉(zhuǎn)速波動與相電流曲線如圖5（b）所示，對比可知，本文所提方案轉(zhuǎn)速波動更小，恢復時間更短，動態(tài)性能更好。

圖5 轉(zhuǎn)速與相電流曲線

4 結(jié)論

本文得出結(jié)論如下：

1）傳統(tǒng)基于雙電流環(huán)的弱磁控制交直軸電壓沖突的直接原因在于過調(diào)制，本質(zhì)原因在于交直軸電壓合成矢量幅值受母線電壓限制不能超過Vs_max。

2）本文基于單電流調(diào)節(jié)器弱磁控制提出一種采用交軸電壓限幅的實現(xiàn)方法，具有實現(xiàn)簡單，過渡過程平滑的特點。

3）所提方法在單轉(zhuǎn)子壓縮機上進行了快速升降電壓實驗，結(jié)果表明，在弱磁區(qū)，所提方法較傳統(tǒng)方法有更好的動態(tài)性能。