（浙江科技学院 自动化与电气工程学院 杭州 310023）
摘要：基于反电势积分法实现无刷直流风机的无位置传感器矢量控制。用低通滤波器代替纯积分环节，以滤除纯积分环节带来的积分零漂，因此引入的幅值和相位误差，设计了分步补偿磁链观测器同时对幅值和相位补偿，实现电机转子位置和转速的准确观测。采用IF流频比控制实现电机低速下的自启动，同时可以实现电流可控。在状态切换时设计了电流调节器，保证从低速到中高速状态的顺利切换。最后通过实验对比表明上述控制方法可以使风机机稳定运行，鲁棒性较强。
关键词：无刷直流风机；磁链状态观测器；IF流频比控制；矢量控制
A Sensorless Control of Brushless DC Blower
WEI Xiaochao，KANG Min，WANG Zihui
（School of Automation and Electrical Engineering，Zhejiang University of Science and
Technology，Hangzhou 310023，Zhejiang，China）
Abstract: The sensorless vector control of brushless DC blower based on back-EMF integration was realized.A low-pass filter was used instead of a pure integrator,which can filter out the integral zero drift caused by the pure integrator.But the low-pass filter may take in the amplitude and phase errors,step compensation magnetic flux observer was designed which can compensate the amplitude and phase at the same time so as to realize accurate observation of rotor position and speed of the PMSM.In order to realize self-starting of the brushless DC blower at the low-speed IF control was used which can realize current control the same time.The current regulator was designed when state switch which can guarantee smooth switching from low speed to medium and high speed.The experimental results verify that the above control method can make blower work stably and the system had strong robustness.
Keywords: BLDC blower；Flux state observer；IF control；Vector control
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）也称无刷直流电机(Brushless DC，BLDC)，具有体积小、结构简单、功率密度高、工作效率高和动态响应速度快的优点，永磁同步电机驱动方式按照转子充磁方式的不同可分为：方波驱动和正弦波驱动，因其卓越的性能，在工业中如风机类工业等得到了广泛的应用。通过输入直流电能，驱动直流电动机旋转从而带动风机叶轮旋转的风机称直流风机。目前直流风机多采用无刷直流风机(brushless DC blower)，工业上的外转子风机转子在外，定子在内，这种转子包围定子旋转的反置式结构，便于叶轮通过压入或焊接等方式直接安装在转子外圆上，广泛应用于净化空调、压缩制冷、管道通风等领域。外转子无刷直流风机由于除去了换相用的电刷及导电环，简化了电机结构，降低了电机本体设计的成本和运行噪声，提高了风机的机械可靠性[1]。
在永磁电机运行过程中，需要用位置传感器获取转子位置信息，满足方波控制或者正弦波控制的角度需求，但是位置传感器的存在却成为电机本体的体积设计和成本控制的障碍，而且极有可能受环境、机械振动等因素的影响而损坏。为了降低成本，以及可在一些无法正常使用机械式位置传感器的特殊场合使电机平稳运行，永磁同步电机无位置传感器控制成为近年来电控领域的热点研究课题，各种控制策略和算法的理论研究被提出。文献[2]和文献[3]对方波驱动用无刷直流电机使用反电势过零法准确的估测出转子位置实现六步换相。文献[4]利用高频旋转电压注入对内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制进行了研究，提出一种高频电流信号提取方案，有效的估测出转子位置。文献[5]和文献[6]将自适应滑模观测器应用于转子位置估测当中，文献[5]通过对自适应切换函数、自适应低通滤波器、转子角度估算误差补偿改进了滑模观测器，准确地跟踪了转子位置。文献[7]应用扩展卡尔曼滤波法对永磁同步电机直接转矩控制系统进行精确的参数估计。文献[8]和文献[9]提出了一种转子自启动方法，用IF控制实现低速下电机的加速，实现相电流的稳定。文献[10]设计了一种状态切换方法，实现反电势积分下低速到中高速的稳定切换。文献[11]在磁链零漂的补偿上做了改进，实现转子位置的精确估计。在永磁同步电机的无位置传感器工业应用中，反电势积分法仍是主流。然而反电势法在可中高速可以正常使用，但是在转速大概为额定转速的5%以下时，由于速度过低，无法获取足够大的反电势电压，此时磁链观测器等状态观测器所观测到的数据与真实值有很大的偏差，容易造成启动过程中转子失步或锁死。所以，为解决反电势低速下不能正常实施的情况，采用一种基于反电势积分法的低速下电流闭环，速度开环，中高速双闭环的控制策略。
1 基于反电势积分法的风机无位置控制策略
1.1 反电势积分转子位置估测算法
在矢量控制中，d轴通常为转子的径向轴，正方向与转子磁链 方向相同，如若知道转子磁链的信息，就能够准确地确定d轴位置。PMSM设计过程中，按照转子充磁方式一般把转子磁链设计成正弦形，因此，相平面上转子磁链的轨迹是以原点为圆心的圆，在 坐标系中可以表示为：
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图1 分步补偿磁链观测器框图
Fig.1 Step-by-step Compensation Flux Observer Diagram
1.2启动阶段的IF控制策略
在低速启动阶段，由于无法获取足够大的反电势电压，所以无法使用反电势积分来估测转子位置和转速[14]。为了解决反电势法在低速段不能正常实施的问题，本文采用电流闭环，转速开环的IF控制策略。
IF控制的基本思路是给定定子绕组电流幅值和转子电角度，给定的电流作为电流闭环的给定值，给定转子电角度假设为转子位置角，控制器的电流内环根据电流给定值和转子电角度对电机的定子绕组电流矢量进行控制。IF控制的转子位置角为给定电角度，并非真正的转子位置角，两个角之间存在一定的相位差。转子实际电角度构造为实际转子同步坐标系，给定电角度构造为虚拟同步坐标系。
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图11 角度估测值与相电流值 图12 全控制过程速度波形
Fig.11 Estimate Angle and Phase Current Fig.12 Speed of Full Control Process
为了验证系统可以在不同的负载要求下稳定运行，实验对风机运行在800r/min时三种不同的负载条件作了对比：（1）轻负载，将出口风完全遮挡；（2）中负载，出风口斜45°立于试验台面；（3）全负载，出风口完全朝向空气。实验过程中先将风机置于中度负载条件下，待稳定后，放置挡板置风机于轻度负载条件下，稳定后恢复到中度负载条件下。如图13所示，相电流值先减小，后不变，再增大，且风机速度经闭环后在不同的条件下很快趋于给定值800r/min，如图14、15所示。
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图13 中-轻-中负载角度观测与相电流值 图14 中度负载 图15 轻度负载
Fig.13 Estimate Angle and Phase Current of Fig.14 Mid Load Fig.15 Light Load
Mid-Light-Mid Load
风机恢复到中度负载条件下后，待稳定运行，之后将出风口整个朝向空气，稳定运行后恢复到中度负载条件下。如图16所示，相电流值先增大，后不变，再减小，且风机速度在中-重负载条件下速度很快趋于给定值800r/min，如图17、18所示。经过不同负载条件验证，整个风机系统稳定性良好，鲁棒性较强，控制性能良好，可以满足不同负载下的需求。
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图16 中-重-中负载角度观测与相电流值 图17 中度负载 图18 重度负载
Fig.13 Estimate Angle and Phase Current of Fig.14 Mid Load Fig.15 Heavy Load
Mid-Heavy-Mid Load
3 结论
本文主要研究了无刷直流风机无位置传感器驱动控制策略，实验表明：IF控制下实现风机平滑启动，实现电流可控；设计的低通滤波器补偿环节可以很好的估测转子位置和转速，在高速状态下能够稳定运行。
对比不同负载条件下风机的运行情况，系统响应和稳定性良好。
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通信作者：康敏（1980— ），男，浙江杭州人，副教授，博士，主要从事电气传动控制研究。E-mail:kkkmin@yeah.net。
论文作者:魏晓超,康敏,王子辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：转子论文; 永磁论文; 风机论文; 电势论文; 位置论文; 负载论文; 观测器论文; 《电力设备》2018年第21期论文;