《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于矢量控制的變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案
摘要: 本文介紹的這種永磁同步電機(jī)的矢量控制方案,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,效率高、低成本、節(jié)能及噪音小,完全能夠滿足空調(diào)風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用要求。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  變頻空調(diào)在如今的空調(diào)行業(yè),發(fā)展勢頭迅猛,而在今后的發(fā)展趨勢,我們也可以預(yù)見它的前途,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)成為獨(dú)特的標(biāo)簽。

  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,一般情況下,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)簡單、可靠的優(yōu)點(diǎn),但是也有不能進(jìn)行無極調(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)廠家開始對空調(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。

  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,永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制(FOC)方案使用單電阻(Single Shunt)的電流檢測和無位置傳感器(Sensor-less)的速度位置檢測來實(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)放可以用來放大采樣電流,比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路可以用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)過流保護(hù);IGBT為6片STGDL6NC60D。

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

圖1 變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  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,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(jī)這類負(fù)載,負(fù)載相對穩(wěn)定、起動力矩不大的應(yīng)用,采用廉價(jià)的單電阻電流采樣和無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、無位置傳感器永磁同步電機(jī)的矢量控制如下圖2:

永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

圖2 永磁同步電機(jī)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(jìn)的單電阻采樣技術(shù)。一般來講,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。

單電阻采樣框圖

圖3 單電阻采樣框圖

表1 單電阻采樣狀態(tài)表

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(gè)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(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?/font>

  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(shí)候,會存在占空比兩長一短和兩短一長以及三個(gè)幾乎一樣長的時(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。插入有效矢量會給電流波形帶來失真,這種情況下需要通過軟件來進(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來說,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(xì)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的原因所在。

表2 三電阻與單電阻的對比

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(jì)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

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(jī)的力矩方程,永磁同步電機(jī)力矩:包括同步力矩和磁阻力矩。

  永磁同步電機(jī)從電機(jī)結(jié)構(gòu)上來分,可分為磁鋼表貼式和內(nèi)置式兩種。表貼式永磁同步電機(jī)(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(jī)(I-PMSM),直軸電感小于交軸電感(Ld < Lq)。

  ● 表貼式永磁同步電機(jī),Ld等于Lq,只有同步力矩,控制ids等于零時(shí),系統(tǒng)效率最優(yōu)。

  ● 內(nèi)置式永磁同步電機(jī),Ld一般小于Lq,存在同步力矩和磁阻力矩,當(dāng)ids小于零時(shí),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(jī)MTPA功能示意如圖5。

MTPA功能示意圖

圖5 MTPA功能示意圖

  4 針對空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  針對空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn),加入噪音消除、抗臺風(fēng)起動及電機(jī)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(biāo)有嚴(yán)格的要求,也是評價(jià)一個(gè)空調(diào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。對于功率不大且為主要噪音源之一的空調(diào)風(fēng)機(jī),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(jī)(正弦波永磁電機(jī)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(diǎn)。但是,在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),正弦波永磁電機(jī)反電動勢很少能難達(dá)到理想的正弦型,有的干脆就是一個(gè)反電動勢為梯形波的永磁同步電機(jī)(方波永磁電機(jī)BLDC),這種電機(jī)采用FOC矢量控制,會使定子電流畸變而產(chǎn)生電機(jī)噪音。

  針對反電動勢波形介于PMSM和BLDC之間這類永磁電機(jī)采用矢量控制,專門加入噪音消除功能模塊,通過加入N次諧波補(bǔ)償?shù)姆绞?,使定子電流更接近正弦,從而達(dá)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(jī)相電流波形

加入噪音消除功能后的電機(jī)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(jī),由于風(fēng)機(jī)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(qiáng)風(fēng)的影響下,風(fēng)機(jī)能夠正常起動、運(yùn)行或報(bào)警。對于無位置傳感的永磁同步電機(jī)矢量控制,由于動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn),正常運(yùn)行階段在強(qiáng)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(gè)開環(huán)起動過程,來建立起轉(zhuǎn)子位置和速度信號,這個(gè)起動過程力矩是比較小的,在強(qiáng)臺風(fēng)影響下,很難保證風(fēng)機(jī)能可靠的起動。

  為了抗臺風(fēng),除了盡可能增大風(fēng)機(jī)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(jī)能夠成功起動或給出強(qiáng)臺風(fēng)報(bào)警信號。風(fēng)機(jī)在停機(jī)時(shí),強(qiáng)風(fēng)吹動下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向跟風(fēng)力的大小及風(fēng)向有關(guān),風(fēng)機(jī)能否成功起動主要和起動前風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相關(guān)。這樣,首先需要通過程序檢測出風(fēng)機(jī)起動前的初始轉(zhuǎn)速和方向,然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不同的起動過程處理,可分為如下三種情況:

  a 直接起動

  當(dāng)風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速大于一定值的情況下,直接進(jìn)入運(yùn)行模式。

  b 強(qiáng)臺風(fēng)報(bào)警,停止正常起動

  當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高,不能保證風(fēng)機(jī)正常起動時(shí),發(fā)出強(qiáng)臺風(fēng)報(bào)警,風(fēng)機(jī)停止正常起動。

  c 正常起動

  除a和b的其他情況,風(fēng)機(jī)能夠確保起動成功,按正常的起動程序起動風(fēng)機(jī)。

  經(jīng)過模擬強(qiáng)臺風(fēng)測試,系統(tǒng)能夠安全地起動和運(yùn)行,同時(shí)在實(shí)際的室外環(huán)境測試中,在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下起動、運(yùn)行的性能也得到了驗(yàn)證。

  4.3 電機(jī)缺相檢測

  為了保證風(fēng)機(jī)正常起動、運(yùn)行,每次電機(jī)起動前都要進(jìn)行電機(jī)缺相檢測,通過相應(yīng)的功能函數(shù)檢測出風(fēng)機(jī)三相線是否連接正常和3相逆變橋是否完好,如果檢測到缺相,則停止風(fēng)機(jī)起動并報(bào)缺相警報(bào),確保風(fēng)機(jī)每次進(jìn)入起動程序后都能夠成功,同時(shí)使系統(tǒng)具有相應(yīng)的錯(cuò)誤診斷能力。

  5 結(jié)論

  本文介紹的這種永磁同步電機(jī)的矢量控制方案,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,效率高、低成本、節(jié)能及噪音小,完全能夠滿足空調(diào)風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用要求。

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