變頻空調(diào)風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(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)風機大多還是采用單相交流電機的定頻風機，這種單相交流風機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，但是也有不能進行無極調(diào)速和風機效率比較低等缺點。為了進一步提高變頻空調(diào)性能，當前已有空調(diào)廠家開始對空調(diào)風機也進行變頻控制，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)風機中，實現(xiàn)空調(diào)風機的變頻控制，下面介紹一種永磁同步電機矢量控制在變頻控制風機中應(yīng)用的方案。

　　2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　此變頻空調(diào)風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STM32F103C6T6；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。

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，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：

　　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的原因所在。

　　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。