永磁同步電機矢量控制方案在變頻空調(diào)風(fēng)機中的運用_圖文

1、摘要：本文介紹永磁同步電機矢量控制原理和基于ST M32矢量控制在變頻空調(diào)永磁同步風(fēng)機中的應(yīng)用解決方案, 該方案采用單電阻電流采樣及無位置傳感器的速度檢測和轉(zhuǎn)子位置檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過加入噪音消除、電機缺相檢測、抗臺風(fēng)啟動及系統(tǒng)過流過壓保護等功能模塊使得本方案具有低風(fēng)機噪音、高系統(tǒng)效率、高可靠性和節(jié)能等特點。1引言變頻空調(diào)以其節(jié)能、室內(nèi)溫度更穩(wěn)定、噪音低、舒適度更高的特點得到快速的發(fā)展，成為今后空調(diào)發(fā)展趨勢已成業(yè)界共識。變頻空調(diào)一般是指空調(diào)壓縮機及其風(fēng)扇的變頻控制，多采用永磁同步電機矢量控制的方案。目前空調(diào)風(fēng)機大多還是采用單相交流電機的定頻風(fēng)機，這種單 相交流風(fēng)機接入單相交流電源就可工作，具有

2、結(jié)構(gòu)簡單、可靠的優(yōu)點，但是也有不能進行無極調(diào)速和風(fēng)機效率比較低等缺點。為了進一步提高變頻空調(diào)性能，當(dāng)前已 有空調(diào)廠家開始對空調(diào)風(fēng)機也進行變頻控制，真正實現(xiàn)空調(diào)的全變頻控制。永磁同步電機（PMSM ），功率密度高體積小，結(jié)構(gòu)簡單，采用矢量控制(FOC，具有動態(tài)響應(yīng)快，效率高、噪音低及安全可靠的特點，很適合應(yīng)用在空調(diào)風(fēng)機中，實現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機的變頻控制，下面介紹一種永磁同步電機矢量控制在變頻控制風(fēng)機中應(yīng)用的方案。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)此變頻空調(diào)風(fēng)機方案采用意法半導(dǎo)體公司ST M32(ARM :Cortex-M3 MCU 平臺，永磁同步電機（PMSM ）矢量控制(FOC方案使用單電阻(Single Shunt的電流檢

3、測和無位置傳感器（Sensor-less ）的速度位置檢測來實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MCU 選用ST M32F103C6T6；功率模塊驅(qū)動采用3片L6390D ，每個L6390D 都內(nèi)置有運放、比較器及智能關(guān)斷保護電路，運放可以用來放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護電路可以用來實現(xiàn)電機過流保護；IGBT 為6片STGDL6NC60D 。 L6390D 自帶的智能關(guān)斷功能可實現(xiàn)過電流保護電路（OCP ）, 加上過電壓（OVP ）和欠電壓(LVP等保護功能，使系統(tǒng)工作安全可靠。 圖1：變頻空調(diào)風(fēng)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3低成本高性能的永磁同步電機的矢量控制方案永磁同步電機的矢量控制，具有動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)速精度

4、高，功率密度大，效率高，噪音低等特點，是一種高性能的電機控制系統(tǒng)。矢量控制運算需要獲取電機三相電流和準確的轉(zhuǎn)子位置信號，通常使用電流傳感器和位置速度傳感器，這增加了系統(tǒng)的成本。對風(fēng)機這類負載，負載相對穩(wěn)定、起動力矩不大的應(yīng)用，采用廉價的單電阻電流采樣和無位置傳感器永磁同步電機的矢量控制方案，既有永磁同步電機的矢量控制的優(yōu)點，達到應(yīng)用性能；同時又可達到低成本的目標。MTPA （每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）控制，針對內(nèi)置式永磁同步電機，提高風(fēng)機系統(tǒng)效率。 采用單電阻電流采樣、無位置傳感器永磁同步電機的矢量控制如下圖2： 圖2 永磁同步電機矢量控制框圖3.1單電阻電流采樣為了降低系統(tǒng)成本，本方案采用了先進的

5、單電阻采樣技術(shù)。一般來講，矢量控制算法需要采集電機至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負母線的電流即可。 圖3 單電阻采樣框圖 表1 單電阻采樣狀態(tài)表圖3是單電阻采樣的框圖，對于橋臂的每一個開關(guān)狀態(tài)，其流過的電流狀態(tài)如表1所示。在表1中，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷，而“1”表示導(dǎo)通。由于電 流在一個PWM 周期內(nèi)幾乎不變，因此只需要在一個PWM 周期內(nèi)采樣兩次即可得到該時刻電機每一相電流的狀態(tài)，因為三相電流之和為零。單電阻采樣會遇到一些挑戰(zhàn)，空間矢量脈寬調(diào)制器（SVPWM ）在空間矢量的扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域的時候，會存在占空比兩長一短和兩短一長以及三 個幾乎一樣長的時刻。這樣的話，如果有效矢量持續(xù)的

6、時間少于電流采樣時間，則會出錯。本方案采取的辦法是在相鄰邊界的時候插入固定時間的有效矢量，而在低 調(diào)制區(qū)域的時候，采用的是輪流插入有效矢量的方法。插入有效矢量會給電流波形帶來失真，這種情況下需要通過軟件來進行補償。 單電阻采樣的優(yōu)點除了降低系統(tǒng)的成本，還有就是它檢測三相電流時都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點也是明顯的，對于MCU 來說，算法復(fù)雜 了其運算時間要增大，代碼比三電阻也要長一些；對于電流檢測而言，其波形失真比起三電阻方法來說，要稍微大一些。其詳細的對比如表2所示。單電阻采樣的性 能對于變頻空調(diào)的應(yīng)用是完全可以勝任的，而且成本低廉，這也就是為什么大部分家電廠家都愿意選擇單電阻采樣

7、的原因所在。 表 2 三電阻與單電阻的對比3.2無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測只需獲取三相電流和母線電壓，通過算法計算出轉(zhuǎn)子位置和速度，不需要增加額外的器件和電路。無位置傳感器算法，包括反電動勢檢測(Luenberger Observer 和轉(zhuǎn)子位置/速度重構(gòu)（PLL: Phase Lock Loop ）兩部分，結(jié)構(gòu)如下圖4： 無位置傳感器位置/速度檢測結(jié)構(gòu)圖3.3 MTPA效率最優(yōu)控制MTPA （每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）控制，也就是系統(tǒng)效率最優(yōu)控制，下面等式為永磁同步電機的力矩方程，永磁同步電機力矩：包括同步力矩和磁阻力矩。 永磁同步電機從電機結(jié)構(gòu)上來分，可分為磁鋼表貼式和內(nèi)置式兩種。表貼式永磁

8、同步電機（SM-PMSM ），直軸電感等于交軸電感（Ld = Lq）；而內(nèi)置式永磁同步電機（I-PMSM ），直軸電感小于交軸電感（Ld < Lq）。 表貼式永磁同步電機，Ld 等于Lq ，只有同步力矩，控制ids 等于零時，系統(tǒng)效率最優(yōu)。 內(nèi)置式永磁同步電機，Ld 一般小于Lq ，存在同步力矩和磁阻力矩，當(dāng)ids 小于零時，可以利用磁阻力矩使系統(tǒng)效率最優(yōu)。內(nèi)置式永磁同步電機MTPA 功能示意如圖5。 圖5 MTPA功能示意圖4. 針對空調(diào)風(fēng)機應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計針對空調(diào)風(fēng)機應(yīng)用的特點，加入噪音消除、抗臺風(fēng)起動及電機缺相檢測等功能模塊。4.1噪音消除功能為提高空調(diào)舒適度，對空調(diào)系統(tǒng)的噪音指標有

9、嚴格的要求，也是評價一個空調(diào)質(zhì)量好壞的重要指標。對于功率不大且為主要噪音源之一的空調(diào)風(fēng)機，低噪音顯得尤為重要。具有正弦型反電動勢或氣隙磁場的永磁同步電機（正弦波永磁電機PMSM ），采用FOC 矢量控制，輸入正弦的定子相電壓和定子相電流可產(chǎn)生穩(wěn)定的 輸出力矩，具有低噪音的特點。但是，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，正弦波永磁電機反電動勢很少能難達到理想的正弦型，有的干脆就是一個反電動勢為梯形波的永磁同步電機 （方波永磁電機BLDC ）, 這種電機采用FOC 矢量控制，會使定子電流畸變而產(chǎn)生電機噪音。針對反電動勢波形介于 PMSM 和 BLDC 之間這類永磁電機采用矢量控制，專門加入噪 音消除功能模塊，通過加入

10、N 次諧波補償?shù)姆绞剑苟ㄗ与娏鞲咏?，從而達到消除或 降噪的目的。下面是定子相電流波形得到了很好的改善，噪音得以明顯的降低。 未加入噪音消除功能的電機相電流波形 加入噪音消除功能后的電機相電流波形 4.2 抗臺風(fēng)起動能力 對于空調(diào)室外風(fēng)機，由于風(fēng)機在室外，必須保證在各種自然條件的影響下能正常工作， 特別是強風(fēng)的影響下，風(fēng)機能夠正常起動、運行或報警。對于無位 置傳感的永磁同步電機矢 量控制，由于動態(tài)響應(yīng)快的特點，正常運行階段在強臺風(fēng)下也能夠正常工作。但是由于沒有 位置傳感，需要有一個開環(huán)起動過程，來建立起 轉(zhuǎn)子位置和速度信號，這個起動過程力矩是 比較小的，在強臺風(fēng)影響下，很難保證風(fēng)機能可靠

11、的起動。 為了抗臺風(fēng)，除了盡可能增大風(fēng)機起動力矩外，本方案還增加了抗臺風(fēng)起動功能模塊， 保證風(fēng)機能夠成功起動或給出強臺風(fēng)報警信號。風(fēng)機在停機時，強 風(fēng)吹動下風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和方 向跟風(fēng)力的大小及風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)機能否成功起動主要和起動前風(fēng)機的風(fēng)速相關(guān)。這樣，首先 需要通過程序檢測出風(fēng)機起動前的初始轉(zhuǎn)速和方 向， 然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行不同的起動過程 處理，可分為如下三種情況： 直接起動 當(dāng)風(fēng)機正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速大于一定值的情況下，直接進入運行模式。 強臺風(fēng)報警，停止正常起動 當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速太高，不能保證風(fēng)機正常起動時，發(fā)出強臺風(fēng)報警，風(fēng)機停止正常起動。 正常起動 除 1）和 2）的其他情況，風(fēng)機能夠確保起動成功，按正常的起動程序起動風(fēng)機。 經(jīng)過模擬強臺風(fēng)測試，系統(tǒng)能夠安全地起動和運行，同時在實際的室外環(huán)境測試中，在 強風(fēng)環(huán)境下起動、運行的性能也得到了驗證。 4.3 電機缺相檢測 為了保證風(fēng)機正常起動、運行，每次電機起動前都要進