電動空調伺服系統設計與試驗方法

尹彥秋

摘 要：電動空調伺服系統，作為在新能源汽車所有輔助系統中關鍵子系統，其功耗是最大的，通過提高電動空調伺服系統的效能比，它可以進一步降低新能源汽車的能耗率，有助于改善新能源汽車的續航里程。 新能源電動空調伺服系統，具有傳統的內燃發動機驅動空調伺服系統所沒有的能效優勢。根據空調壓縮機的負載特性和節能要求，選用永磁同步電機（PMSM），通過采用無傳感器技術和滑模觀測器法來估算轉子位置，并結合鎖相環技術實現對動態響應要求更高的轉子速度值的估算，利用轉子位置預定位和 I- F啟動策略，使用 PDFF調節器，可以抑制速度波動，從而提高系統動態性能。

關鍵詞：電動空調;永磁同步電機;滑模觀測器;無傳感器控制;鎖相環

1 概述

近年來，隨著國家將新能源汽車上升至國家戰略，傳統汽車以及非傳統勢力紛紛進場，以謀求新一輪新能源汽車發展紅利。2019年3月國家四部委聯合印發《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，通知明確對新能源汽車能量消耗率提出了更高要求。電動空調系統， 作為新能源汽車的一個關鍵分子系統，同時也作為新能源汽車的能耗“大戶”，業已成為各主機廠在新一輪降能耗技術所革新的目標。通過提高電動空調伺服系統的效能比，其可以進一步降低新能源汽車的能耗率，有助于改善新能源汽車的續航里程。本文提到的電動空調伺服系統采用永磁同步電動機（PMSM）驅動的空調系統，其組成原理如圖1所示，由于其卓越的性能特性，如高控制精度，高扭矩密度和良好的扭矩穩定性， 在交流調速中獲得了廣泛的應用。永磁同步電機伺服系統，具有更高的性能位置和速度要求，當電機參數改變或電機負載轉矩及其轉動慣量發生變化時， 系統仍具有很強的抗擾度。 反過來，由于外部因素的變化，系統的相關特性也不會發生改變，但因其對高性能的控制要求，需要精確的轉子位置和速度信號，為了克服傳統機械位置傳感器的低可靠性和難以維護的問題，通過使用無速度傳感器矢量控制，可以直接避免機械傳感器的不利影響。永磁同步電動機主要控制方法如圖2所示。

2 系統電路工作特性

通過對比分析目前國內外對速傳感器控制技術的研究，可以知道其中的大部分方法都只適用于電機的中、高轉速，相關研究存在對電機動態參數敏感，抗擾性差且存在難以實施的問題。在進行伺服系統的設計過程中對需要進行全方位考慮，其要求伺服系統兼具快速響應、控制精確以及對參數變化和擾動具有自適應性等特性。抑制負載轉矩及慣量的變化對PMSM伺服系統所產生的不良影響的方法大致可分為兩類：（1）可通過更改PID控制器結構實現;（2）通過調整PID控制器參數實現。PID控制策略適用于高性能要求，難以完全滿足控制要求，并且通過將非線性控制鏈路成功引入控制系統，獲得了線性控制結構不具有的優點。 結果如圖3所示。

通過滑模觀測器，實現電機在高速下無傳感器矢量控制電機系統的轉速自檢測，該檢測方式不僅能夠適用于高速運行的伺服電機系統，并能夠使系統獲得更強的抗擾性和更好的動態響應特性。因此，構建了PMSM無傳感器矢量控制系統的硬件平臺。如圖4所示為伺服系統整體硬件電路圖。

本文采用無傳感器技術，采用滑模觀測器方法估算轉子位置，結合鎖相環技術，實現對轉子速度估值的響應。控制速率主要通過擴展狀態觀測器和非線性誤差反饋，并由位置環ADRC予以實現。 其結構圖如5。

根據ADRC的設計原理，通過結合永磁同步電機的位置和轉子速度之間的關系，并根據伺服系統控制結構，知曉位置環的輸出信號即為速度環控制信號的輸入，通過估計時變非線性干擾值，得出結論：

伺服系統的位置環ADRC包括跟蹤微分器（TD），擴展狀態觀察器（ESO）和非復合線性（CNF）狀態反饋控制速率。 如圖6所示為位置環ADRC結構：

其中，是伺服系統轉子的實際輸出轉速，則是對的狀態估值，和是實際轉速和實際轉速狀態估值二者之間的誤差，是實際轉速和實際轉速狀態估值兩者之間跟蹤速度因子，為伺服系統濾波因子，為伺服系統非復合線性狀態因子，是對伺服系統轉子位置的跟蹤，是對伺服系統位置環的狀態估值，是速度環給定的轉速值。

基于負載轉矩觀測器的轉動慣量辨識ADRC系統，通過與傳統的伺服系統的控制設計理論方法相結合，可以對未知擾動實現快速準確地辨識，通過ESO的精確補償，進一步提高了系統的檢測精度及動態響應速度，其結果如圖7所示。

3 系統控制策略與實現

近年來PMSM控制系統的控制策略發展不僅實現了轉子的高精度及動態響應速度，并且滿足伺服電機系統在高速環境下能夠正常運行的要求。本文系統的主要控制策略為：基于ADRC的抗擾動策略，通過分別在速度環和位置環上增加ADRC控制器，并在主策略中加入初始化的系統變量、初始化的引腳功能和初始化的外圍控制電路。 作為整個控制策略的核心部分的中斷程序，其包括： 定時器中斷和串行通信中斷。 模數轉換器（ A/ D）中斷在整個策略中享有最高優先級，其主要任務是注入脈沖寬度調制（ PWM）周期的 N個樣本的平均值。 串行通信中斷在整個策略中享有最低的優先級，其主要任務是滿足數字信號處理器（DSP）和上位機之間的通信。PMSM伺服系統初始化控制策略流程如圖8所示。

初始化的控制策略主要包括初始化系統變量和系統控制寄存器，初始化系統外部擴展接口、初始化中斷寄存器和事件管理器EVA、初始化模數轉換器（A/D）及初始化數模轉換器（D/A）。

在給定的定時器中斷策略中，基于滑膜觀測器法和旋轉高頻注入法獲得的兩種轉子位置與轉速值的檢測方法將分別被調用。如圖9所示為定時器中斷控制策略流程圖。

通過對伺服系統輸入一個轉速值，并讓系統維持在所輸入的恒定轉速下工作，通過實現負載的突然變化（加載），觀測伺服電機系統的動態響應時間，來確定負載的變化對電機轉速所產生波動的影響，進而判定策略是否具有有效性。如圖10所示，在電機給定轉速1500r/min負載由空載情況下突變負載時，波形從上到下依次為：（1）電機工作在穩態下;（2）負載突變時的實際轉速、估計轉速和轉速誤差的波形。從測試結果來看，盡管觀測到底力矩的波形雖有波動，但還是可以確保觀測值趨于準確值。

4 結語

本文分析了滑模變結構控制，并結合速度環和位置環ADRC控制器的控制策略，并且基于無速度傳感器矢量控制的基本原理，改進了傳統的控制方法。從總體硬件和策略設計兩個方面給出了基于PMSM伺服電機系統的無速度傳感器矢量控制系統的實現方法。 測試結果表明該控制系統是可以穩定可靠運行的。

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