變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)中永磁同步電機(jī)矢量控制方案

　　1．永磁同步電機(jī)

　　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(diǎn)得到快速的發(fā)展，成為今后空調(diào)發(fā)展趨勢(shì)已成業(yè)界共識(shí)。

　　變頻空調(diào)一般是指空調(diào)壓縮機(jī)及其風(fēng)扇的變頻控制，多采用永磁同步電機(jī)矢量控制的方案。目前空調(diào)風(fēng)機(jī)大多還是采用單相交流電機(jī)的定頻風(fēng)機(jī)，這種單相交流風(fēng)機(jī)接入單相交流電源就可工作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不能進(jìn)行無(wú)極調(diào)速和風(fēng)機(jī)效率比較低等缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高變頻空調(diào)性能，當(dāng)前已有空調(diào)廠家開(kāi)始對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)也進(jìn)行變頻控制，真正實(shí)現(xiàn)空調(diào)的全變頻控制。

　　永磁同步電機(jī)（PMSM），功率密度高體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用矢量控制（FOC），具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，效率高、噪音低及安全可靠的特點(diǎn)，很適合應(yīng)用在空調(diào)風(fēng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機(jī)的變頻控制，下面介紹一種永磁同步電機(jī)矢量控制在變頻控制風(fēng)機(jī)中應(yīng)用的方案。

　　2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　此變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)方案采用意法半導(dǎo)體公司STM32（ARM ：Cortex-M3） MCU 平臺(tái)，永磁同步電機(jī)（PMSM）矢量控制（FOC）方案使用單電阻（Single Shunt）的電流檢測(cè)和無(wú)位置傳感器（Sensor-less）的速度位置檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MCU選用STM32F103C6T6；功率模塊驅(qū)動(dòng)采用3片L6390D，每個(gè)L6390D都內(nèi)置有運(yùn)放、比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路，運(yùn)放可以用來(lái)放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)流保護(hù)；IGBT為6片STGDL6NC60D。

　　L6390D自帶的智能關(guān)斷功能可實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)電路（OCP），加上過(guò)電壓（OVP）和欠電壓（LVP）等保護(hù)功能，使系統(tǒng)工作安全可靠。

低成本高性能的永磁同步電機(jī)的矢量控制方案#e#

　　3. 低成本高性能的永磁同步電機(jī)的矢量控制方案

　　永磁同步電機(jī)的矢量控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)速精度高，功率密度大，效率高，噪音低等特點(diǎn)，是一種高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)。矢量控制運(yùn)算需要獲取電機(jī)三相電流和準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，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(duì)風(fēng)機(jī)這類(lèi)負(fù)載，負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定、起動(dòng)力矩不大的應(yīng)用，采用廉價(jià)的單電阻電流采樣和無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)的矢量控制方案，既有永磁同步電機(jī)的矢量控制的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到應(yīng)用性能；同時(shí)又可達(dá)到低成本的目標(biāo)。

　　MTPA（每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）控制，針對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率。

　　采用單電阻電流采樣、無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)的矢量控制如下圖2：

　　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(jìn)的單電阻采樣技術(shù)。一般來(lái)講，矢量控制算法需要采集電機(jī)至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負(fù)母線的電流即可。

　　圖3是單電阻采樣的框圖，對(duì)于橋臂的每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其流過(guò)的電流狀態(tài)如表1所示。在表1中，“0”表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，而“1”表示導(dǎo)通。由于電流在一個(gè)PWM周期內(nèi)幾乎不變，因此只需要在一個(gè)PWM周期內(nèi)采樣兩次即可得到該時(shí)刻電機(jī)每一相電流的狀態(tài)，因?yàn)槿嚯娏髦蜑榱恪?/p>

　　單電阻采樣會(huì)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(shí)候，會(huì)存在占空比兩長(zhǎng)一短和兩短一長(zhǎng)以及三個(gè)幾乎一樣長(zhǎng)的時(shí)刻。這樣的話，如果有效矢量持續(xù)的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì)出錯(cuò)。本方案采取的辦法是在相鄰邊界的時(shí)候插入固定時(shí)間的有效矢量，而在低調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，采用的是輪流插入有效矢量的方法。插入有效矢量會(huì)給電流波形帶來(lái)失真，這種情況下需要通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

　　單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統(tǒng)的成本，還有就是它檢測(cè)三相電流時(shí)都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點(diǎn)也是明顯的，對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，算法復(fù)雜了其運(yùn)算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長(zhǎng)一些；對(duì)于電流檢測(cè)而言，其波形失真比起三電阻方法來(lái)說(shuō)，要稍微大一些。其詳細(xì)的對(duì)比如表2所示。單電阻采樣的性能對(duì)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的原因所在。

　　3.2無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)

　　只需獲取三相電流和母線電壓，通過(guò)算法計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和速度，不需要增加額外的器件和電路。