浅谈变频空调压缩机驱动控制技术

摘 要：随着全球能源问题日益突出，如何完善变频空调驱动技术，提倡家电高效节能，逐步成为重要的发展方向。本文讨论变频空调压缩机驱动控制技术，包括驱动控制，无传感器的位置估算，低速下的转矩补偿。

关键词：变频空调；压缩机；驱动控制；位置估算；转矩补偿

0 前言

随着能源日益匮乏，节能减排成为主旋律。在大幅增长的居民家电耗能，空调用电占比急速攀升。迫于电力日益紧张，人们观念转变，传统定频空调逐渐被高效节能的变频空调取代。对变频空调室外机用永磁同步电机压缩机驱动控制技术逐步发展为主流。

1 变频空调系统构成和特点

1.1 构成

变频空调系统分3部分：遥控器、室内机、室外机。室内机负责接收遥控信号，检测室内温度，控制风机转速，并向室外机发送通讯指令。室外机负责检测室外环境、盘管温度，驱动压缩机，并调节室外风机工作方式、转速，根据制冷、制热、除霜、除湿等模式控制各类阀门（四通阀、电子膨胀阀）开启和关闭，以及进行各类电气上过流、过压保护，确保空调正常运行。

1.2 特点

相比传统空调，变频空调有3大特点。（1）启动后可快速达到设定温度。（2）温度控制平顺。（3）对电源电压干扰小。传统空调启动时电流为额定电流4-7倍，容易对电源电网造成干扰。变频空调一般以低频启动，再逐步提高运行频率，启动阶段电流较小，从而降低对电网的干扰。

2 压缩机驱动控制技术

2.1 驱动控制

变频空调压缩机主要为永磁同步电机，2种驱动控制技术较常见，即：直接转矩控制和矢量控制。

直接转矩控制（Direct Torque Contro，即DTC）是德国鲁尔大学M.DePenbrock教授和日本学者I.Takahashi在1985年提出[1]。澳大利亚的L ZHONG， M FRahman和胡育文教授提出基于永磁同步电机的直接转矩控制方案奠定了直接转矩控制应用于永磁同步电机的理论基础[2]。

直接转矩控制，以对定子磁链的估算作为磁场定向，最终实现对定子磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的优点表现在：除定子电阻外的其余电机参数在某些扰动作用下仍能保持基本不变的性能，通过加入磁链观测器对同步速度信息的估算较方便，更利于实现无速度传感器控制。直接转矩控制缺点在于逆变器开关频率不固定，转矩及电流波动较大，另外需要较高的采用频率实现数字化控制。

矢量控制（Field Oriented Control，即FOC）是Darmstader大学的Hasse博士1968年在一个学会论文杂志上首先提出。1971年德国西门子公司的F.Blaschke将理论进行了系统化，并发表专利，从而奠定了矢量控制的理论基础[3]。

在磁场定向坐标系下，电流矢量分解为励磁电流和转矩电流两个相互垂直的分量，两者分别用来产生磁通及转矩，经坐标变换后，通过正交或解耦操作可相应对磁场及转矩进行独立、连续控制。

在不同的应用场合，永磁同步电机矢量控制策略可分为3种形式：id=0控制、最大电磁转矩/电流比控制、弱磁控制。

在id=0控制中，直轴分量恒等于0。此时等效直轴绕组开路不起作用。如不考虑定子直轴分量，仅从交轴电压方程来看，永磁同步电机则可等效为一台直流电机。id=0的控制策略简单，但存在2个缺点：永磁同步电机本身气隙磁阻不均匀，忽略了磁阻转矩的作用，使得单位电流下电磁转矩不是最大；电机只能在额定转速以下工作。

最大电磁转矩/电流比控制策略（Maximum Torque per ，简称MTPA）也称单位电流电磁转矩最大控制策略。当定子电流一定时，使电机输出转矩最大或当输出转矩一定时，定子电流最小。对于Ld=Lq的隐极式永磁同步电机而言，MTPA与id=0控制策略完全一样。而对于Ld≠Lq的凸极同步电机来说，如果LdLq，直轴电枢电流分量大于0，电枢反应起助磁作用，这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以增强励磁磁场，提高电机功率因素来提高电流电磁转矩的。

弱磁控制常应用于内置式永磁同步电机控制。对转子而言，定子电枢磁场一方面削弱电机的励磁磁场，一方面其空间转速需相对电枢绕组不断加快。电压达到极限时，为确保电机高速运行，需通过减小气隙磁通得以实现。

2.2 位置估算

永磁同步电机变频压缩机中，为了获得最大输出转矩，定子电流与转子磁极需保持垂直，故必须精确获取转子位置。在变频空调压缩机中，永磁电机处于封闭的环境中，温度超过120℃，且压缩机内部充满强腐蚀性高压制冷剂，无法直接利用传感器检测转子的位置，故通常采用无位置传感器的位置估算。

常见的位置估算包括：基于磁链与反电动势、基于状态观测器（典型有卡尔曼滤波观测器、扩展卡尔曼滤波观测器、龙伯格观测器、滑模观测器）、高频信号注入、锁相环等方式。

扩展卡尔曼滤波法采取最优估计原理中最小均方差来估算系统状态变量。该算法有较好的实时性、动态性能和抗干扰能力，适合在很宽的速度范围工作。不足之处需要用到较多的误差统计参数，达到消除随机的系统和测量噪声的目的。对这些参数的分析和确定非常困难。

滑模观测器根据α-β坐标系下电压方程建立观测器，并将滑模变结构技术应用在观测器的控制回路中，使系统抗负载及参数变化的鲁棒性得到提升。在滑模观测器中定义电流误差为滑模切换面，通过不同控制结构间的高频切换，产生滑动模态，使系统状态轨迹最终收敛到切换面上的稳定点。该算法简单易实现且鲁棒性高，但由于滑模变结构具有不连续的bang-pang控制特性，使得系统会产生高频“抖振”现象，实际时需要进行必要的抑制。

高频信号注入法是一种基于凸极追踪的转子位置自检测方法，其基本原理为在电机定子绕组上注入特定的高频电压（电流）信号，之后检测定子绕组中包含位置信息的电流（电压）信号，通过适当方法进行提取。该算法要求电机具有一定凸极性，且需要持续高频激励，从而实现在电机全速度范围内进行转子位置检测。该算法缺点是无法在隐极式永磁同步电机中应用。

2.3 转矩补偿

变频空调压缩机有3种类型结构，即单转子、双转子和涡旋式。受成本影响，压缩机通常选择单转子结构。在低频运行时，由于转子的不平衡性，容易导致连接压缩机盘管产生大幅度振动，该周期性的低频振动会在室外整机管路和系统间产生共振，不但会形成噪声，严重时还会造成管路断裂。

采用矢量控制方法，速度环较慢，转速PI调节形成的参考转矩电流给定不能及时跟随负载的波动变化。故需要在压缩机启动后稳定于预设转速下，在没有加入转矩补偿时，先计算出负载力矩与转速波动的相对偏移相位角度。在参考转矩电流上叠加一个与当前压缩机转速周期相同的转矩补偿分量，该分量决定了转矩补偿量的大小。不同的转速下，转矩补偿分量幅值大小是不同的，可以根据参考转矩电流大小按照一定比例选择转矩补偿分量幅值，具体比例系数是按照压缩机在运行过程中实际振动效果通过实验获得的。

3 总结

随着家用空调能效等级新国标《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》出台及实施，国内越来越多的空调器生产厂家将重点转移至变频空调。近年来，微电子技术、模糊控制技术、神经网络技术和电力电子技术迅猛进步，未来变频空调产品及压缩机驱动技术一定会朝着高度集成化、智能化和模块化方向发展。

参考文献：

[1]张剑，温旭辉，刘钧.一种基于DSP的PMSM转子位置及转速估计新方法[J].中国电机工程学报，2006，26（12）：144-148.

[2]G H Chen and K J Tseng， Design of a Permanent Magnet Direct-drive Wheel Motor Drive for Electric Vehichle[J] ， IEEE ESC’96， 23-37 June 1996， Baveno， Ttaly， pp1993-1939.