基于無位置傳感器的永磁電動(dòng)機(jī)在變頻空調(diào)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

1、基于無位置傳感器的永磁電動(dòng)機(jī) 在變頻空調(diào)中應(yīng)用的研究進(jìn)展 西安交通大學(xué) 宋 萍 沈傳文 包 濤 摘要 , 、 低速起動(dòng)技術(shù)作 了詳盡的論述 ,磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的策略 。關(guān)鍵詞 變頻空調(diào) 起動(dòng)技術(shù)Ap p li o n of s e ns orl e s s p e r m a n e nt m a g n e t m ot orst o v a ri a bl e 2fre q u e n c y a ir c o n diti o n e rsBy Song P ing , Shen Chuanwen , Bao T ao and Y u Bing fengAbst r a ct Prese

2、nts t he basic t heories of t he variable 2f requency air conditioners a nd p er ma ne nt magnet mot ors. Discusses t he se nsorless and t he low 2speed starting techniques in detail. According t o t he hardware st ructure a nd t he imple ment met hod , analyses t he p olicy of sp eed 2cont rol on t

3、 he per manent magnet mot or applied t o t he variable 2f requency air conditioner comp ressor.Keywor ds se nsorless , per mane nt magnet mot or , variable 2f reque ncy air conditioner , starting technique X i an Jiaotong University , X i an , China0 引言空調(diào)系統(tǒng)的制冷循環(huán)主要由壓縮機(jī) 、 冷凝器 、 節(jié)流機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器來完成 , 壓縮機(jī)是空調(diào)器的核

4、心 部件 。 為了達(dá)到空間設(shè)定的溫度要求 , 適應(yīng)空調(diào)系 統(tǒng)負(fù)荷的變化 , 必須保證其驅(qū)動(dòng)裝置即電動(dòng)機(jī)高效 穩(wěn)定的運(yùn)行 。變頻空調(diào)器采用變頻壓縮機(jī) , 這種變頻壓縮機(jī) 通過可變速電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)制冷劑的流量 , 從而 使系統(tǒng)的制冷量隨時(shí)與房間負(fù)荷相匹配 , 提高房間 環(huán)境的舒適性并達(dá)到節(jié)能效果 ?，F(xiàn)在普遍采用的 是全封閉式壓縮機(jī) , 即壓縮機(jī)與電機(jī)共同封裝在壓 縮機(jī)殼體內(nèi) 。 永磁電動(dòng)機(jī)是利用電子換向裝置代 替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械換向裝置的一種直流電動(dòng)機(jī) , 作為變頻 空調(diào)器壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置 , 完全可以適應(yīng)全封閉式 空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)的高溫高壓環(huán)境 , 且不受電源頻率的 限制 , 工作轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)能力都有很大

5、的調(diào)節(jié)范 圍 , 使空調(diào)壓縮機(jī)具備良好的能量調(diào)節(jié)性能 。 永磁電動(dòng)機(jī)主要由永磁同步電動(dòng)機(jī)本體 、 位置 傳感器 、 逆變器組成 。 電路原理如圖 1所示 。 它在圖 1 永磁電動(dòng)機(jī)電路原理圖轉(zhuǎn)子的磁極上安裝了永磁體 , 定子槽中纏繞電樞導(dǎo) 線 。 為保證電樞電流產(chǎn)生正確的電磁轉(zhuǎn)矩 , 通過開 關(guān)元件控制定子電樞電流的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間 , 前提條件是保證轉(zhuǎn)子磁極在任何時(shí)刻都使處于其 下的電樞導(dǎo)體產(chǎn)生正確的電磁轉(zhuǎn)矩 。因此稀土永 磁電動(dòng)機(jī)必須正確檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置 , 以轉(zhuǎn)子磁 宋萍 , 女 ,1977年 6月生 , 在讀碩士研究生710049西安交通大學(xué) 1616信箱(029 82663937

6、 (0 2mail :spsp9999收稿日期 :20040106修回日期 :20041207極位置信號(hào)作為控制定子電樞繞組通電的依據(jù) 。 1 技術(shù)特點(diǎn)1. 1 無位置傳感器技術(shù)在永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 , 為了獲得最大輸出 轉(zhuǎn)矩 , 要保持定子電流垂直于轉(zhuǎn)子磁極 , 這樣就需 要知道轉(zhuǎn)子的位置 。 在家用空調(diào)中 , 永磁電動(dòng)機(jī)都 處于封閉的空調(diào)壓縮機(jī)中 , 壓縮機(jī)內(nèi)的溫度超過 120 , 且充滿強(qiáng)腐蝕性高壓制冷劑 , 無法使用傳 感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 , 因此采用無位置傳感器控制一個(gè)發(fā)展方向分為兩大類 :法 1。1. 1. 1 基于各種觀測(cè)器技術(shù)的位置識(shí)別方法 常用的觀

7、測(cè)器有全階狀態(tài)觀測(cè)器 、 自適應(yīng)觀測(cè) 器 、 變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器 、 卡爾曼濾波器等 。這種方法動(dòng) 態(tài)性能好 , 穩(wěn)定性高 , 參數(shù)魯棒性強(qiáng) ; 缺點(diǎn)是在低速 段調(diào)速效果不是很理想 , 而且算法復(fù)雜 , 計(jì)算量很 大 。 但近年來隨著微處理器的發(fā)展 , 各種高速數(shù)字 信號(hào)處理器相對(duì)相位又與轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差成正 比 , 因此通過使相位相差為零就可以使轉(zhuǎn)子位置估 計(jì)無誤差 。 為了使相位相差為零 , 引入了一種鎖相 環(huán) (PLL 技術(shù) 。 在鎖相環(huán)中 , 諧波反應(yīng)功率被轉(zhuǎn)換 為數(shù)字脈沖 , 這樣就可以去除 d 軸和 q 軸電感以及 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)的幅度信息而只保留相對(duì)相位信 息 。 因此 , 這種方法幾

8、乎不受任何電動(dòng)機(jī)參數(shù)和工 作環(huán)境的影響 , 具有很好的魯棒性 25。S. Bolognani 等人提出了擴(kuò)展卡爾曼濾波器 用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的無傳感器控制 5。他改進(jìn) 了傳統(tǒng)的試錯(cuò)法 , 代之以直接選擇協(xié)方差矩陣 。 主 要特征是將歸一化的受控系統(tǒng)模型和 E KF 算法結(jié) 合起來 , 這樣做的好處是得到了一個(gè)歸一化的協(xié)方 差矩陣 , 可以滿足大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制的要 求 , 避免了傳統(tǒng)試錯(cuò)法的缺點(diǎn) ?？柭鼮V波器應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)無傳感器調(diào)速系 統(tǒng) , 對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)在線最優(yōu)估 計(jì) , 在調(diào)速過程中利用電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)推算出實(shí)際 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角 , 不斷地修正估計(jì)出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角 。 對(duì)于

9、 具有隨機(jī)干擾的非線性系統(tǒng) , 卡爾曼濾波器是最優(yōu) 的遞推估計(jì)器 , 文獻(xiàn) 6以 2坐標(biāo)系下的定子電 流 i , i , 轉(zhuǎn)子角速度 和位置 作為狀態(tài)變量 , 建 立系統(tǒng)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程 , 這樣電流的導(dǎo)數(shù)與電流 、 電壓呈線性關(guān)系 。 它采用了特殊的算法 , 并將舍入 誤差和截?cái)嗾`差也計(jì)入到系統(tǒng)噪聲 , 該算法可用于 位置和速度的實(shí)時(shí)估計(jì) 。擴(kuò)展卡爾曼濾波器方法 一般計(jì)算量大 , 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感以及需要初始位置 信息 , 這些缺點(diǎn)阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用 。1. 1. 2方法, 也是傳感元件 , 電 、 。 這種技術(shù)的關(guān)鍵是如何根據(jù)測(cè)量得 到的電動(dòng)機(jī)電流 、 電壓信息估計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 、 轉(zhuǎn)子 位置

10、。 這類方法可以通過計(jì)算同步電動(dòng)機(jī)定子磁 鏈空間矢量來估計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子空間位置 , 也可以通 過計(jì)算同步電動(dòng)機(jī)的隨轉(zhuǎn)子位置變化的相電感來 估計(jì)轉(zhuǎn)子位置 , 或者通過檢測(cè)電樞繞組反電勢(shì)過零 點(diǎn)的位置估計(jì)轉(zhuǎn)子位置 79。反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法是目前技術(shù)最成熟 , 實(shí)現(xiàn) 最簡單 , 應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法 。 通常無 位置傳感器永磁電動(dòng)機(jī)利用反電勢(shì)法來判斷轉(zhuǎn)子 位置 。 無位置傳感器永磁電動(dòng)機(jī)中逆變器功率管 的切換是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化來確定的 。正確檢 測(cè)轉(zhuǎn)子的位置是永磁電動(dòng)機(jī)能夠自同步運(yùn)行 , 保證 高效率大功率地帶動(dòng)空調(diào)器壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前 提條件 。其原理為 :在永磁電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) , 忽

11、略電樞反應(yīng)的前提下 , 通過檢測(cè)未通電相反電動(dòng)勢(shì) 的過零點(diǎn)來獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào) , 從而控制繞組電 流的切換 , 保持定子電流和反電勢(shì)在相位上的嚴(yán)格 同步 , 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 。 當(dāng)某相繞組中的反電勢(shì) 過零時(shí) , 轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合 。 所以說轉(zhuǎn) 子位置可以用定子繞組中的反電勢(shì)波形檢測(cè)出來 。 1. 2 起動(dòng)技術(shù)三段式起動(dòng)技術(shù) :當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)在靜止和低速 時(shí)反電勢(shì)為零或很小 , 無法用來判斷轉(zhuǎn)子位置 , 因此 運(yùn)用三段式起動(dòng)技術(shù)進(jìn)行永磁電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。 反電勢(shì) 法需要特殊起動(dòng)技術(shù) , 通常按他控式同步電動(dòng)機(jī)的 運(yùn)行狀態(tài)從靜止開始加速 , 直至轉(zhuǎn)速足夠大 , 再切換 到永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式

12、, 包括轉(zhuǎn)子定位、 加速和切換 三個(gè)階段。 這種起動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能解決電動(dòng)機(jī)在 用反電勢(shì)檢測(cè)位置信號(hào)時(shí)低速起動(dòng)的缺陷。硬件起動(dòng)電路 :文獻(xiàn) 10提出了這種起動(dòng)電 路 , 電路原理如圖 2所示 。電路通電后 , 電容兩端 圖 2 硬件起動(dòng)電路的電壓 U c 加到壓控振蕩器的輸入端 , 通過分頻器電路上 , 控制繞組的導(dǎo)通 ,(脈寬調(diào)制 導(dǎo)通的脈沖寬度 。 U c 的上升 , 加到繞組 上的電壓與頻率逐漸上升 , 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 。 這種 起動(dòng)方式的缺點(diǎn)是加大了電動(dòng)機(jī)的尺寸 , 電動(dòng)機(jī)的 可靠性也有所降低 , 對(duì)于較多應(yīng)用于微型電動(dòng)機(jī)中 的無刷直流電動(dòng)機(jī)是個(gè)不小的障礙 。升頻升壓同步起動(dòng)方式 :采

13、用升頻升壓同步起 動(dòng)方式 , 保證帶一定負(fù)載時(shí)可靠起動(dòng) , 對(duì)切換時(shí)間 沒有嚴(yán)格要求 , 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后 , 經(jīng) 邏輯電路將電動(dòng)機(jī)切換到無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀 態(tài) 。 由數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 產(chǎn)生 PWM 波形控制 逆變器 , 使逆變器的換向頻率逐漸增加 , 而且給無 刷直流電動(dòng)機(jī)的定子電壓也逐步升高 。同時(shí)將 PWM 波形的參數(shù)送入比較器進(jìn)行比較 , 當(dāng) PWM 的占空比達(dá)到一定數(shù)值 , 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度 以后 , 就可以獲得足夠大的反電動(dòng)勢(shì) 1011。 定位起動(dòng) :即預(yù)先對(duì) A 相繞組通直流電 , 使電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子定位于磁極中心線與 A 相繞組軸線重合 的位置 , 再對(duì) B

14、 相繞組通電 , 轉(zhuǎn)子磁極中心線將從 A 相繞組軸線向 B 相繞組軸線位置轉(zhuǎn)動(dòng) , 在這個(gè) 過程中定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì) , 選擇合適的切換時(shí) 機(jī)使電路轉(zhuǎn)換到電勢(shì)換相工作狀態(tài) , 即實(shí)現(xiàn)了電動(dòng) 機(jī)的起動(dòng) 11。 文獻(xiàn) 12采用了這種起動(dòng)方法 。該 起動(dòng)方式的缺點(diǎn)是對(duì)切換時(shí)間要求較嚴(yán) , 一般適用 于電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng) 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)慣量不同或帶一定 負(fù)載起動(dòng)時(shí) , 切換時(shí)間需要調(diào)整 , 否則可能造成起 動(dòng)失敗或電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象 。無位置傳感器永磁電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的起動(dòng)是 轉(zhuǎn)速控制中的另一個(gè)關(guān)鍵問題 。迄今為止除了以 上起動(dòng)方法外 , 仍有很多研究成果 。 文獻(xiàn) 1314 提出了電流注入法 , 即先給靜止的定

15、子繞組注入幅 值恒定的高頻正弦測(cè)試電流 , 測(cè)算出定子的電壓 。 由于電壓向量在空間上呈橢圓形分布 , 其短軸即為 實(shí)際轉(zhuǎn)子的位置 , 因此觀察電壓的幅值即可檢測(cè)出 轉(zhuǎn)子位置 , 這種方法適合于任何負(fù)載條件 。文獻(xiàn) 15提出了一種檢測(cè)無位置傳感器開關(guān)磁阻電動(dòng) , 能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn) 。文獻(xiàn) 16提出 , 但對(duì)于 , 適用于固定負(fù)載的 17提出了固定換向頻率 , 邊加大作為 功率器件的觸發(fā)信號(hào)的 PWM 信號(hào)的占空比 , 邊用 反電勢(shì)檢測(cè)位置信號(hào)的方法 。該方法具有很好的 抗干擾性 , 在輕負(fù)載條件下取得了良好的效果 。 2 空調(diào)器壓縮機(jī)中永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制現(xiàn)代家用空調(diào)系統(tǒng)由三部分組成 :遙控器 、

16、室 內(nèi)機(jī) 、 室外機(jī) , 是一個(gè)多 CPU 結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng) 。 室外機(jī)是完成對(duì)壓縮機(jī)變速控制的關(guān)鍵部分 。空 調(diào)器是個(gè)多輸入多輸出參數(shù)的控制系統(tǒng) , 空調(diào)器的 控制器也可作為永磁電動(dòng)機(jī)的控制器核心 , 既實(shí)現(xiàn) 了電動(dòng)機(jī)控制器與空調(diào)器控制器的機(jī)電一體化 , 又 提高了單片機(jī)資源利用效率 。圖 3是以室內(nèi)機(jī) CPU 控制 、 室外機(jī) CPU 控制為核心 , 永磁電動(dòng)機(jī) 為主體的變頻空調(diào)的永磁電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 。圖 3 變頻空調(diào)的永磁電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖2. 1 主電路主電路即功率電路是典型的 PWM 變頻器 , 由 整流電路和逆變器兩部分組成 。直流電源經(jīng)過單 相全橋整流后 , 通過濾波電路形

17、成電壓值恒定的直 流電壓源 。 逆變器采用等寬度脈寬調(diào)制 , 實(shí)現(xiàn)永磁 電動(dòng)機(jī)的合理換向和電壓調(diào)整 , 進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 速度調(diào)節(jié) 。 通過逆變器出來的端電壓信號(hào)既包含 反電勢(shì)信號(hào)又有斬波信號(hào) , 并不是完全的梯形波 , 總有些毛刺和諧波干擾 。其中反電勢(shì)信號(hào)的波形直接決定轉(zhuǎn)子位置信號(hào) , 而斬波信號(hào)則嚴(yán)重干擾反 電勢(shì)波形 , 致使電壓過零點(diǎn)不明確 , 無法檢測(cè)到電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置 , 因此必須將頻率不同的端電壓信 號(hào)輸入低通濾波器進(jìn)行低通濾波 , 實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償 。 這樣就得到了三相反電勢(shì)信號(hào)即轉(zhuǎn)子位置信號(hào) 。 2. 2 控制電路控制電路由室內(nèi)機(jī) 、 室外機(jī) 、 隔離驅(qū)動(dòng)電路組 成 。 與 C

18、PU 相連的各種控制既是變頻空調(diào)要求 完成的 , 同時(shí)又是永磁電動(dòng)機(jī)所要求的各種功能 。 室外機(jī)的工作是 :控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速 ;轉(zhuǎn)速 ; 以速度和室外換熱器溫度為依據(jù) ,劑流量 ;控制或限速控制 。 :轉(zhuǎn)速 ; 。 室外機(jī)通過隔離驅(qū)動(dòng)電路為逆變器的功率開 關(guān)管提供電動(dòng)機(jī)選通信號(hào) , 對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)行運(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī) 控制 。 根據(jù)空調(diào)器設(shè)定的頻率要求和室外機(jī)接收 到的位置檢測(cè)信號(hào) ,CPU 進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè) , 根據(jù) 參數(shù)變化情況確定整機(jī)工作狀態(tài) , 產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM 控制信號(hào) , 對(duì)逆變器模塊中的功率管進(jìn)行有 序的切換 , 對(duì)壓縮機(jī)的永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變速控制和 電子膨脹閥的控制 , 使空調(diào)器壓縮機(jī)能夠平穩(wěn)

19、運(yùn) 轉(zhuǎn) 。 當(dāng)空調(diào)器工作在制冷 、 制熱 、 除霜 、 除濕等狀態(tài) 時(shí) , 負(fù)載差異大 , 工作電流波動(dòng)大 , 故需過流檢測(cè)電 路對(duì)工作電流加以限制 , 以防止壓縮機(jī)過載運(yùn)行 。 3 結(jié)論永磁電動(dòng)機(jī)用反電勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)是迄 今為止最普遍最常用的一種無位置檢測(cè)技術(shù) , 但它 在低速或者零起動(dòng)的條件下卻無法完成這種檢測(cè)。 因此三段式起動(dòng)技術(shù)能夠很好地使永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速逐漸增大 , 使轉(zhuǎn)子信號(hào)的檢測(cè)工作順利完成。 同 時(shí)在低速或零起動(dòng)狀態(tài)下也可應(yīng)用卡爾曼濾波器進(jìn) 行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) , 它具有很廣泛的應(yīng)用性。參考文獻(xiàn)1 文永明 , 沈傳文 , 蘇彥民 . 基于無位置傳感器的永磁電 機(jī)控制技術(shù)綜述

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