直流变频空调PMSM的宽频多策略控制技术

M ulti·-strategy W ide·-Frequency Control Technology ofDC Air Conditioner PM SM LIU Xue-peng ，HAO Xiao-hong ，ZHANG Dong-sheng(1.Department of Mechanical Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan 528404，China；2.School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 610054，China；3.School of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University.Xian 710049，China)Abstract：DC air conditioner compressor is a kind of PMSM，which runs in a wide range of frequency，from 30 Hz to 100 Hz.Operating frequency is extended to a low frequency of0 Hz and to a hi gh frequencyof 120 Hz.Under low frequency expansion，however，the vibration and the noise affect the PMSM runningin a low frequency.Thus.the torque control is proposed to function in 20-30 Hz.The initial phase angleis difcult to determine.The transition from torque control to field-weakening control lacks convergence。

Hence，the immune control is presented to control wide frequency.The experiments show a low vibration0f 55 dB and waveform of 72 Hz and 55 Hz。

Key words：multi-strategy wide-frequency control；torque control；initial phase angle；immune control永磁同步 电动机(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)。PMSM不需要励磁电流，在变频器供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都 比较高，而且体积较之同容量的异步电动机校采用矢量控制的 PMSM能够实现高精度、高动态性能、宽调速范围的速度和位置控制。PMSM已经广泛应用在工业的各个领域：数控机床，机器人 ，过程控制等。

使用永磁同步电机的直流变频空调 ，采用转子磁场定向的矢量控制，能随负荷变化而调节冷气输出，进行温度控制。

具有温度差精度高(0.5度)、频率范围广 (30-100 Hz)、节能效果明显(节能20% ～50%)的特点 。

直流变频空调的发展逐渐向宽频发展 ，既是提高节能的大势趋势，也是对技术的更高层次要求。变频空调的矢量控制需要对转子的定位高精度要求 ，这就对低频技术提出了挑战：低频下的反电动势混杂于噪音信号中，同时也对系统的振动带来不小的冲击。高频下通常采用弱磁技术提高运行频率，但是弱磁技术和功率控制频率结合点不是非常吻合。

针对初始相位切入点和高频控制转换切入点，提出了基因控收稿日期：2012-12-26基金项目：国家自然科学基金资助(51075321；61106107)。

作者简介：刘学鹏(1975-)，博士后，副教授，主要从事机电-体化研究。

98 四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.corn/制，采用多策略控制方案，最后实验进行了论证。

1 直流变频空调电机的数学模型 (RpLd)id-toLqiqg toL，fid(RpL口)igTP iqP (Ld-L口)idig各个参数的物理意义如下：i ，i 分别为 d轴和 q轴的定子电流； ， 分别为 d轴和q轴的端电压； 为磁通量；r分别为定子电阻；L ，L。分别为 d轴和 q轴的自感 ；p为微分因子；P 为电机极对数。

矢量控制原理图如图 1所示 ，采用双闭环控制 ，2相和 3(1) 相坐标变换，单电阻检测技术，同时结合位置预估技术，PI控制技术，实现变频控制 目的。

2 低频技术图 1 控制 结构 图变频空调电机频率向下拓展至 20 Hz，可以减少空调系统的开关机次数 ，避免对电网的冲击 ，降低空调电器的能耗。

伴随着频率的减低，系统出现不稳定情况，表现在振动和噪音偏大，特别是电源的初始相位切入角难控制。低频控制采用转矩补偿控制技术 ，图2是在转矩补偿技术作用下 3相电流波形图，具体参数为转矩常数为0.378，额定电流 12 A。K代表低频下转矩的权值，K为0代表转矩峰值最大，K为 1代表转矩峰值为最校横坐标为相位角，纵坐标为三相电流的有效值。从图 2中可以得出初始相位角的确定与负荷有-定的联系。

O 80 7( -.、 ≤ -。 ～><- ～≥- ：～ - 0 l1 . ：：- - - 、 ～ .～ - -- ， ～.. . .- ～ ～ - ；-- - 二 兰专曼0 1 5 30 45 60 75 90相位 角图2 不同相位角不同转矩 负荷下的电流波形3 高频技术变频空调电机工作频率如果超过-定值，永磁体提供磁通量无法满足要求 ，此时需要采用弱磁技术拓宽工作频率，确定最大转矩技术和弱磁技术的衔接-般采用临界频率值。

图3中，电压限制曲线随频率的变换而逐渐减小，电流限制曲线是-个以原点为中心的圆。最大转矩 电流曲线是低频下的约束条件。电流限制曲线和电压限制曲线是高频下的约束条件，在高低频转换过程中，约束调节如图会逐渐过渡 ，因此过渡阶段的不稳定也将导致系统振动和不稳定。

精 矩/吧 流 曲 线 1日- - /- 、 电流限制·由≮ - 、. 、 -·，t限制曲线” D I、、. ，，、 ～ - -- - . ， ，， 图 3 控制轨迹4 基因控制方法线无论低频还是高频主要是对电流的控制，下面将主要对电流算法进行讨论首先确定免疫算法的编码字符集 J：设基因系统有 Ⅳ个抗体，每个抗体有 m个基因(图4)。根据信息熵原理 ，第 个信息熵定义如下 ：P 是 个基因 i字符的概率。

4Ej(n)∑ log( 1) (2)l1 tJ变异采用平均信息熵得到：E( )： 二 (3)m 抗体与抗原的关系视为亲和力」原抗体结合强，则抗体亲刘学鹏，等：直流变频空调 PMSM的宽频多策略控制技术和力强」体亲和力强则表明抗体关系密切」体浓度代表在整个抗体族群中同类抗体的比例。在基因反应过程中，高浓度抗体、低亲和力抗原免疫将会被抑制，相反，低浓度抗体 、高亲和力免疫会促进提高」体 i和抗体 之间的亲和力定义如下：1(A ) 玄 (4)第 i个抗体的浓度：C ∑(1sgn((A6) - )×1)/2n(5)- 般取常数 0为 0.8-1之问」体 i和抗原之间的亲和力：1(A )f (6)t 是抗原和抗体 i匹配系数。

在本文基因算法中，目标函数定义：Fun Ki 。 e其中：e 为电流超调量；t 为调整时间；e 为误差平方；K ，， 为加权系数。

具体算法如图5所示 ，实现步骤如下：1)抗原识别 ，目标函数和限制约束作为抗原。

2)初始抗体。初始记忆细胞来 自-般工程调节，整合初始簇群 ，产生抗体，抗体的数量为 /1，。

3)亲和力根据式(4)、式(6)，可以计算抗原和抗体的亲和力。

4)更新记忆细胞。有高抗原亲和力的抗体加入到记忆细胞。由于记忆细胞容量有限，新的抗体将取代旧的抗体，这样族群中将只剩下高亲和力的抗体。

5)抗体的促进和抑制」体的浓度由式(5)得到。选择抗体的标准由抗体亲和力和浓度因子组成：S 0 (A ) /(∑(A ) )(1-a)eq (7)参数 。从0～1变化。这样高亲和力抗体得到促进，高浓度抗体得到抑制。上面方程保障的抗体种群的多样性。

6)变异和交叉。对抗体种群经过交叉和变异操作得到新种群。

抗体 1抗体f抗体n1 2 J m图4 抗体数据库结构5 实验和结论实验采用 1.5 Hp的空调系统 ，PMSM 电机参数：转矩常数为 0.378，额定电流 12 A，额定转矩为TR：4，536 Nm。J：惯性0.000 959 kg·m ，测得电机最恶劣噪音性能如图6。在72 Hz和53 Hz的波形图如图7和图8。图中测的为电子频率，实际机械频率为-半值。从上面的图形可以看出，系统的噪音在55 dB以下，电流波形较平滑。

图5 算法流程3l 5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k//Hz图6 振动 图-聊 I、J 唧V图 7 72 Hz波形 图：： - 。

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