IPMSM直接转矩磁链控制在吸油烟机上的应用

王苗森，沈新隆

(卧龙电气驱动集团股份有限公司，上虞 312300)

0 引 言

油烟与工业废气、汽车尾气并称为三大生活有害气体。随着中国大力推进美好生活建设，未来5年，预计将增加1.2亿住宅单位，为吸油烟机市场迎来了广阔的发展空间。传统的烹饪习惯，厨房油烟成为室内最大的空气污染源，厨房空气质量对居民健康的影响越来越受到重视。为了提高土地利用率，居民楼宇越建越高，但狭长的公共烟道由于管道本身静压高，普通性能吸油烟机在使用高峰期无法迅速畅排油烟，甚至出现倒灌现象，厨房空气无法迅速保持洁净，因此需要根据公共烟道不同时刻实际静压大小，自动动态调整吸油烟所需静压和风量的大吸力吸油烟机，迅速畅排油烟，提升厨房空气质量。另外，国家对节能、环保的要求越来越高，也使得超高效、大吸力吸油烟机必然成为今后的技术发展趋势。

内嵌式永磁同步电动机(以下简称IPMSM)因高转矩密度、高可靠性、低噪声、低振动等明显的优势[1]，在油烟机行业的应用日趋广泛。为了充分利用IPMSM的磁阻转矩，提升其转矩密度，对其控制策略也提出了更高的要求。

传统的风机控制模式一般采用恒转速的方式进行调节，但在油烟机行业中，因有随着管道阻力特性的变化而自适应调节转速的需求，故一般采用恒转矩控制模式。

永磁同步电机通常采用的控制拓扑为磁场定向控制和直接转矩控制。而本文用的控制拓扑为直接转矩磁链控制(以下简称DTFC),其继承了直接转矩控制的快速转矩响应能力，以及更低的参数敏感性，同时其利用SVPWM带来更为光滑的电流和转矩响应，从而解决了直接转矩控制的高转矩脉动和运行噪声问题。文献[2]对比了磁场定向控制和DTFC两种控制拓扑，并进行了实验论证。观测器作为DTFC控制拓扑的核心，文献[3]对比了目前主流的观测器模型，并对比评估各种工况下的观测器估算的永磁磁链和转子角度的精确性。

本文选用了混合磁链观测器对IPMSM的定子磁链进行观测，并基于“有效磁通”的概念[4]，其有效磁通的位置等同于转子位置，从而将具有凸极比的永磁同步电机(Lq>Ld)转化为表贴式永磁同步电机(Lq=Ld)进行位置观测。

因油烟机属于风机类应用，其转矩随转速成平方倍增长，故油烟机电机常工作在弱磁转速以下，故本文只分析DTFC拓扑下的最大转矩电流比(以下简称MTPA)控制。

1 DTFC拓扑

本文使用的坐标系如图1所示，其中d-q为转子磁链坐标系，ds-qs为定子磁链坐标系，θ为转子角度，δ为负载角，γ为电流超前角。

图1 定义坐标系

在ds-qs坐标系下，永磁同步电机的数学模型如式(1)所示，从式(1)中可以发现，IPMSM产生的转矩(永磁转矩/磁阻转矩)只和iqs有关。

(1)

式中：vds,vqs,ids,iqs为ds-qs坐标系下的电压和电流；p为微分算子；Rs为电机相电阻，λest为扩展磁链；ω为电机运行角频率，p为极对数。

在ds-qs坐标系下，DTFC的拓扑如图2所示，其控制拓扑的控制量为转矩及磁链，并用SVPWM调制代替直接转矩控制中的bang-bang控制，从而保证DTFC在具有快速转矩响应能力、强鲁棒性的特性下，实现转矩和磁链的平滑输出，从而保证DTFC的低转矩脉动和低运行噪声。

图2 DTFC拓扑框图

新型控制拓朴对应的数学模型如下式：

(2)

式中：k(δ)与负载角相关，其表达式如式(3)所示；b(λ,δ)与扩展磁链及负载角相关，表达式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中：λm为永磁体磁链。

DTFC无传感器控制中所使用的混合磁链观测器的拓扑结构如图3所示，式(5)为该拓扑所对应的传递函数表达式。

图3 观测器拓扑结构

(5)

从其传递函数及拓扑结构可以发现，在低速段时，该观测器使用电流模型估算磁链；高速段时，观测器使用反电动势信息进行速度和转子估算。两者之间的权重分配，只通过一个增益g进行调节。

式(6)为有效磁通的概念，其完成定子磁链观测器角度估算从定子磁链角度到转子磁链角度的转变。

(6)

电机的实时转子角度、转矩、转速信息，分别通过式(7)～式(9)获得。

(7)

(8)

(9)

2 MTPA在线计算

IPMSM所产生的磁阻转矩有利于提高电机的转矩密度,但传统的id=0的控制策略无法充分发挥IPMSM的这一特性，故本文采用MTPA的控制策略。

传统MTPA做法是离线建立id-iq表[5]，这种做法虽然能大幅降低CPU的计算压力，但会浪费CPU内部存储空间。

针对上述现状，本文的MTPA采用离线初始值建(T-λ)表，并结合牛顿切线法在线计算的方法，在不降低精度的前提下，可有效平衡CPU的存储空间和计算压力。

(9)

(10)

MTPA的计算，实际即求式(9)的解，而牛顿切线法是很好的求解工具，在选择合适初值的前提下，其迭代次数可以大幅降低。

在实际过程中，观测器可以获得系统此时的转矩值，利用该值，选择合适的初值后，通过式(10)进行迭代计算，得到满足式(9)的iqMTPA。同时将该值代入式(11)及式(12)中，从而获得当前的磁链幅值。

(11)

(12)

通过上述计算获得的MTPA初始值表，如图4所示。

图4 MTPA初值表

3 仿真与建模

根据以上分析建立如图5所示的DTFC拓扑仿真模型，并在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验。仿真参数如下：直、交轴电感Ld=82 mH，Lq=92 mH；定子电阻Rs=6.8 Ω；电机极对数p=5；永磁体磁链λm=0.154 Wb；观测器增益G=50;仿真以半满载起动，在0.4 s时加至满载。

图5 Simulink仿真模型

仿真模型先以半满载起动，在0.4 s以阶跃加至满载，观测器在此工况下，其输出转矩如图6所示，其输出值和电机实际转矩值基本一致。

图6 转矩(观测器)与实际转矩

仿真得到的定子磁链及有效磁链如图 7及图8所示。可以发现，定子磁链在负载增大时，观测器所反馈的磁链有明显增大，但所得的有效磁链对负载转矩的变化不明显。

观测器通过有效磁链观测的角度和电机实际角度的对比如图9所示，观测器得到的角度基本和电机实际角度相符。

图9 角度(观测器)与实际电机角度

4 实验及波形

为了进一步验证DTFC拓扑对油烟机风机应用的有效性，本文搭建了控制实验平台。在采用上述控制拓扑的前提下，其油烟机的空气性能有了明显的提升。实验所用电机参数与仿真一致。

图10(a)为此框架下的起动电流波形图。起动还采用传统的“三段式”方法，但在强拖转速1 Hz下，即可切入闭环，稳定运行，验证本文所述自适应观测器的精确性。

图10(b)为在不同参考转矩下的整体电流波形图。本控制拓扑足以支持在不同油烟机的空气性能要求下的稳定运行。

图10 电流波形

图11为相同输入功率下，采用磁场定向控制拓扑与采用DTFC拓扑的同一油烟机的空气性能对比。可以发现，DTFC拓扑相较磁场定向控制拓扑，油烟机的最大风量由20.578 m3/min提升至22.237 m3/min，最大静压由801.767 Pa提升至865.348 Pa，标准规定风量时的全压效率由29.439%提升至36.891%。实现了油烟机行业高静压、大风量、超高能效的需求。

5 结 语

本文研究了一种新型永磁同步电机控制拓扑——DTFC，通过仿真验证了DTFC的有效性，以及转矩快速响应的特性。同时，将恒转矩控制模式应用在油烟机风机控制，实现了油烟机行业高静压、大风量、超高能效的需求。