變頻空調風(fēng)機中永磁同步電機矢量控制方案

　　1．永磁同步電機

　　變頻空調以其節能、室內溫度更穩定、噪音低、舒適度更高的特點(diǎn)得到快速的發(fā)展，成為今后空調發(fā)展趨勢已成業(yè)界共識。

　　變頻空調一般是指空調壓縮機及其風(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，具有結構簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不能進(jìn)行無(wú)極調速和風(fēng)機效率比較低等缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高變頻空調性能，當前已有空調廠(chǎng)家開(kāi)始對空調風(fēng)機也進(jìn)行變頻控制，真正實(shí)現空調的全變頻控制。

　　永磁同步電機（PMSM），功率密度高體積小，結構簡(jiǎn)單，采用矢量控制（FOC），具有動(dòng)態(tài)響應快，效率高、噪音低及安全可靠的特點(diǎn)，很適合應用在空調風(fēng)機中，實(shí)現空調風(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)機中應用的方案。

　　2．系統結構

　　此變頻空調風(fēng)機方案采用意法半導體公司STM32（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）的電流檢測和無(wú)位置傳感器（Sensor-less）的速度位置檢測來(lái)實(shí)現。

　　系統結構如圖1所示，MCU選用STM32F103C6T6；功率模塊驅動(dòng)采用3片L6390D，每個(gè)L6390D都內置有運放、比較器及智能關(guān)斷保護電路，運放可以用來(lái)放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護電路可以用來(lái)實(shí)現電機過(guò)流保護；IGBT為6片STGDL6NC60D。

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

低成本高性能的永磁同步電機的矢量控制方案#e#

　　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(dòng)態(tài)響應快，穩速精度高，功率密度大，效率高，噪音低等特點(diǎn)，是一種高性能的電機控制系統。矢量控制運算需要獲取電機三相電流和準確的轉子位置信號，通常使用電流傳感器和位置速度傳感器，這增加了系統的成本。對風(fēng)機這類(lèi)負載，負載相對穩定、起動(dòng)力矩不大的應用，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的矢量控制方案，既有永磁同步電機的矢量控制的優(yōu)點(diǎn)，達到應用性能；同時(shí)又可達到低成本的目標。

　　MTPA（每安培電流最大轉矩）控制，針對內置式永磁同步電機，提高風(fēng)機系統效率。

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

　　3.1單電阻電流采樣

　　為了降低系統成本，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至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負母線(xiàn)的電流即可。

　　圖3是單電阻采樣的框圖，對于橋臂的每一個(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”表示導通。由于電流在一個(gè)PWM周期內幾乎不變，因此只需要在一個(gè)PWM周期內采樣兩次即可得到該時(shí)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(huì )遇到一些挑戰，空間矢量脈寬調制器（SVPWM）在空間矢量的扇區邊界和低調制區域的時(shí)候，會(huì )存在占空比兩長(cháng)一短和兩短一長(cháng)以及三個(gè)幾乎一樣長(cháng)的時(shí)刻。這樣的話(huà)，如果有效矢量持續的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì )出錯。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，而在低調制區域的時(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)行補償。

　　單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統的成本，還有就是它檢測三相電流時(shí)都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點(diǎn)也是明顯的，對于MCU來(lái)說(shuō)，算法復雜了其運算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長(cháng)一些；對于電流檢測而言，其波形失真比起三電阻方法來(lái)說(shuō)，要稍微大一些。其詳細的對比如表2所示。單電阻采樣的性能對于變頻空調的應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(chǎng)家都愿意選擇單電阻采樣的原因所在。

　　3.2無(wú)位置傳感器轉子位置和速度檢測

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