基于状态观测器的永磁同步电机逆风启动及运行设计

贺小林 方许丹 刘志辉

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前在空调领域中，无位置传感器的直流风机的逆风启动在业界一直是个难题，而变频空调广泛服务于工业领域、商用场所、普通家庭等场所。当环境中风力较大时，关机状态室外机的风机会随着风高速旋转，当用户需要开机运行时，如果风机转速较高，就会导致风机启动失败，甚至导致误报故障，严重影响用户使用。本文提出了一种基于状态观测器辨识风机逆风状态、逆风转速估算、逆风制动和启动的方案，有效解决了风机逆风状态下启动失败的问题。

1 逆风启动及运行技术原理

本文提出的基于状态观测器的永磁同步电机的逆风启动及运行技术，主要包括风机逆风状态辨识、逆风转速估算及逆风制动和启动等技术，具体方案如下：

1.1 逆风状态辨识技术

永磁同步电机的定子部分由三相绕组构成，当外部风力自动旋转时，在三相绕组中产生反电动势，若有电流回路时，则三相绕组中会产生相互电角度相差120°的正弦波的相电流，且满足基尔霍夫电流定律，可得公式（1）：

其中iu、iv、iw代表电机定子三相绕组的U、V、W相电流值。

根据Clark变换法则，可将三相绕组相电流值等幅值变换为正交两相静止坐标系下和两相电流值来表示，如公式（2）：

其中iα、iβ代表和两相电流值。

将公式（1）代入公式（2），进一步简化公式（2），可得公式（3）：

由公式（3）可知，只需检测出电机的U、V相电流，即计算出两相坐标系下α和β两相电流值。

由两相静止坐标系下的α和β两相电流值，可计算出电机定子绕组电流峰值，即公式（4）：

其中Is为电机定子绕组相电流峰值。

因此可根据风机功率预设逆风状态辨识的电流阈值，若值大于预设电流阈值，则风机处于逆风运行状态，否则处于静止状态。

1.2 逆风转速估算技术

在无位置传感器的变频控制中，永磁同步电机转速是基于状态观测器进行估算，其中状态观测器是以三相绕组的相电流值为输入量，因此通过PWM1-6控制IPM的开关管有序导通和关断实现采样相电流值：iu、iv、iw，确保状态观测器正常工作。

如图1所示，相电流：iu、iv、iw，经过Clark和Park变换法则，等效变换为dq旋转坐标系下的iq、id，通过给定iq*和id*值时，由PI控制器输出uq和ud，经Park逆变换和SVPWM调制后，PWM1-6输出信号控制IPM的开关管有序导通和关断，采样三相绕组的相电流，实现基于状态观测器估算逆风转速

在变频FOC控制算法中，iq*控制电磁转矩，控制转子磁通，为使给定iq*和id*值对电机的逆风转速干扰降至最小，给定iq*和id*值为0，这样既可对电机的当前状态影响降至最小，也可使状态观测器正常运行，获取电机的转速和位置，为电机的逆风制动奠定基础。

1.3 逆风制动及启动技术

在电机处于逆风状态时，经逆风转速估算处理后，当估算转速为正向转速值时，由于估算转速和位置已知，电机可直接进入正向启动；当估算转速为逆向转速值时，将电机的定子绕组中的U相和V相进行换相控制，由于估算转速和位置已知，电机可直接进入闭环逆风制动。

1）闭环逆风制动

图1 逆风转速估算系统图

图2 逆风制动系统图

如图2所示，在闭环逆风制动时，状态观测器、速度PI控制器及电流PI控制器正常工作，当电机的逆向转速较高时，通过在速度PI控制器中给定较低目标转速ω*，可使逆向转速降至给定目标转速；当电机的逆向转速很低时，通过在速算PI控制器中给定较高目标转速ω*，可使逆向转速升至给定目标转速，之后在速度PI控制器中给定较低目标转速ω*，可使逆向转速降至给定目标转速；由于闭环逆风制动过程中，状态观测器、速度PI控制器及电流PI控制器均正常工作，系统中控制量均已知，当电机在给定较低目标转速稳定运行时，控制电磁转矩的iq*值已满足克服逆风所产生的负载转矩，为开环逆风制动可靠运行奠定基础。

2）开环逆风制动和正向启动

如图3所示，在开环逆风制动过程中，仅电流PI控制器正常工作，其中控制电磁转矩的i*值q已在闭环逆风制动过程中确定，位置 值按给定目标转速ω*乘以Ts进行变化，即可在电机的定子三相绕组中生成幅值恒定、按ω*转速旋转的电磁转矩，当目标转速ω*降为0值时，电机静止，之后再将电机的定子绕组U相和V相进行换相控制，当给定目标转速ω*从0增大，电机开环正向启动。

2 软件设计

在逆风启动及运行技术原理的基础上，结合硬件原理及永磁同步电机工作原理设计基于状态观测器的永磁同步电机的逆风启动及运行技术软件控制算法，如图4所示。

3 实验分析

在实验室中，搭建变频空调机组的逆风启动测试平台，通过调节实验室工况，可使室外风机在不同的逆风转速和转向下自动旋转；在空调机组的终端设备下发开机指令后，使用示波器等设备，测试室外风机逆风启动的相电流波形。

基于在永磁同步电机的逆风高转速和逆向旋转的实验工况下，验证本设计方案可靠性最具代表性，设计了永磁同步电机运行于逆向旋转且转速为1 000 r/min的实验工况，测试其逆风启动，使用示波器测试相电流波形，如图5所示。

图3 逆风制动系统图

图4 逆风启动及与运行流程图

从图5可观察到，机组在外界风场的作用下高速逆风反转，当收到开机指令时，控制算法检测到机组逆风反转并进入逆风转速估算流程，估算反转的具体速度，为下一阶段的刹车过程做准备。从图中可以观察到在逆风状态辨识过程中，相电流的幅值是逐步增大，由此可判断逆风辨识过程是稳定可靠；在逆风转速估算过程中，相电流的幅值是趋近于零，由此可判断逆风转速估算过程是在未影响永磁同步电机逆风状态情况下进行逆风转速估算的，表明其估算转速切合永磁同步电机实际逆风转速，符合设计目标；在逆风闭环制动过程中，相电流的幅值逐渐增大，由此可判断逆风闭环制动至较低目标转速的过程是稳定和可靠；在逆风开环制动过程中，电流幅值是根据逆风闭环制动至较低目标转速时所确定的，因此该电流值可满足克服外风力所产生的负载转矩，电流频率是按降频速率降至零，由此判断在逆风闭环和开环制动过程中，风机控制平稳且可靠，符合设计预期；在正向开环启动过程中，电流幅值与开环制动的幅值一致，电流频率按升频速率增长至开环启动目标转速，可确保开环启动的可靠性。整个控制过程经历了逆风状态辨识、逆风转速估算、逆风闭环制动、逆风开环制动和正向开环启动等五个过程，实现了空调机组外风机从高速逆风反转到平稳降速并停止，然后正向启动的最终设计目标，且整个过程平稳且可靠，极大地提高了机组抗风能力和逆风启动可靠性。

图5 室外风机逆风启动测试相电流波形

4 结论

本文提出了结合变频风机逆风运行特性，基于状态观测器辨识逆风转速、转向及位置等状态信息，从而可靠的进行逆风制动及正向启动，在无需增加变频空调机组成本情况下，大幅降低了室外风机启动失败可能性，提高了机组的抗风能力，同时提升了用户体验。