變頻空調(diào)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)室外機(jī)雙永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器矢量控制和數(shù)字功率因數(shù)校正控制的要求，提出母線電壓、電機(jī)定子電流、功率因數(shù)校正電流的采樣策略和如何在單個(gè)MCU上實(shí)現(xiàn)控制的方法。針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的要求對(duì)MCU的PWM、ADC控制外設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，定制了一款采用通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU。
關(guān)鍵詞：數(shù)字功率因數(shù)校正；永磁同步電機(jī)；無(wú)速度傳感器；雙核MCU

引言
隨著《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施，對(duì)變頻空調(diào)整體性能的要求越來(lái)越高，低成本、低噪聲、高性能已成為變頻空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)。而作為變頻空調(diào)核心部件的壓縮機(jī)及其室外控制器是提升整機(jī)性能的關(guān)鍵。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，且采用正弦波控制方式可提高力矩輸出的穩(wěn)定性和降低噪聲，因此被廣泛應(yīng)用在壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)中。
傳統(tǒng)變頻空調(diào)的室外控制器由功率因數(shù)校正(PFC)、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等電路構(gòu)成。其中PFC驅(qū)動(dòng)采用模擬的專用控制芯片，壓縮機(jī)與系統(tǒng)控制采用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量控制及系統(tǒng)控制，而室外風(fēng)機(jī)采用有霍爾傳感器的驅(qū)動(dòng)芯片或者專門的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量控制。采用多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)室外機(jī)控制，增加了成本，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性。
本文根據(jù)變頻空調(diào)產(chǎn)品控制系統(tǒng)高性能和低成本的特點(diǎn)，針對(duì)PFC和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求優(yōu)化了室外機(jī)控制器的外設(shè)，定制了一款通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU，實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)的功率因數(shù)校正、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的無(wú)位置傳感器矢量控制、冷媒控制等功能，同時(shí)分析了PWM產(chǎn)生，電流、電壓等信號(hào)的采樣方法，提高了室外機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

1 變頻空調(diào)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
本文提出的應(yīng)用于變頻空調(diào)室外機(jī)控制系統(tǒng)主要由一個(gè)具有功率因數(shù)校正的整流器、兩個(gè)三相逆變器以及其他控制電路組成，整個(gè)系統(tǒng)由定制的雙核MCU進(jìn)行控制。其中兩個(gè)三相逆變器用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)及風(fēng)機(jī)永磁同步電機(jī)，一個(gè)功率因數(shù)校正電路用于實(shí)現(xiàn)母線電壓的主動(dòng)控制，其他控制電路用于控制冷媒、環(huán)境溫度和室內(nèi)機(jī)通信等。
1．1 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
在家用變頻空調(diào)中，壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)處于高溫、高壓、密封的環(huán)境中，必須采用無(wú)位置傳感器矢量控制。其位置和轉(zhuǎn)速估算算法主要是基于假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖1所示。

將假定坐標(biāo)系下的電機(jī)方程式與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程相減可得離散化的方程如下：

由于采樣周期較短，誤差被放大，還需要對(duì)估算轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波處理。