基于無位置傳感器的永磁電動機在變頻空調中應用的研究進展

1、基于無位置傳感器的永磁電動機 在變頻空調中應用的研究進展 西安交通大學 宋 萍 沈傳文 包 濤 摘要 , 、 低速起動技術作 了詳盡的論述 ,磁電動機轉速控制的策略 。關鍵詞 變頻空調 起動技術Ap p li o n of s e ns orl e s s p e r m a n e nt m a g n e t m ot orst o v a ri a bl e 2fre q u e n c y a ir c o n diti o n e rsBy Song P ing , Shen Chuanwen , Bao T ao and Y u Bing fengAbst r a ct Prese

2、nts t he basic t heories of t he variable 2f requency air conditioners a nd p er ma ne nt magnet mot ors. Discusses t he se nsorless and t he low 2speed starting techniques in detail. According t o t he hardware st ructure a nd t he imple ment met hod , analyses t he p olicy of sp eed 2cont rol on t

3、 he per manent magnet mot or applied t o t he variable 2f requency air conditioner comp ressor.Keywor ds se nsorless , per mane nt magnet mot or , variable 2f reque ncy air conditioner , starting technique X i an Jiaotong University , X i an , China0 引言空調系統(tǒng)的制冷循環(huán)主要由壓縮機 、 冷凝器 、 節(jié)流機構和蒸發(fā)器來完成 , 壓縮機是空調器的核

4、心 部件 。 為了達到空間設定的溫度要求 , 適應空調系 統(tǒng)負荷的變化 , 必須保證其驅動裝置即電動機高效 穩(wěn)定的運行 。變頻空調器采用變頻壓縮機 , 這種變頻壓縮機 通過可變速電動機調節(jié)壓縮機制冷劑的流量 , 從而 使系統(tǒng)的制冷量隨時與房間負荷相匹配 , 提高房間 環(huán)境的舒適性并達到節(jié)能效果 ?，F(xiàn)在普遍采用的 是全封閉式壓縮機 , 即壓縮機與電機共同封裝在壓 縮機殼體內 。 永磁電動機是利用電子換向裝置代 替?zhèn)鹘y(tǒng)機械換向裝置的一種直流電動機 , 作為變頻 空調器壓縮機的驅動裝置 , 完全可以適應全封閉式 空調壓縮機內的高溫高壓環(huán)境 , 且不受電源頻率的 限制 , 工作轉速和壓縮機能力都有很大

5、的調節(jié)范 圍 , 使空調壓縮機具備良好的能量調節(jié)性能 。 永磁電動機主要由永磁同步電動機本體 、 位置 傳感器 、 逆變器組成 。 電路原理如圖 1所示 。 它在圖 1 永磁電動機電路原理圖轉子的磁極上安裝了永磁體 , 定子槽中纏繞電樞導 線 。 為保證電樞電流產生正確的電磁轉矩 , 通過開 關元件控制定子電樞電流的導通順序和導通時間 , 前提條件是保證轉子磁極在任何時刻都使處于其 下的電樞導體產生正確的電磁轉矩 。因此稀土永 磁電動機必須正確檢測轉子磁極的位置 , 以轉子磁 宋萍 , 女 ,1977年 6月生 , 在讀碩士研究生710049西安交通大學 1616信箱(029 82663937

6、 (0 2mail :spsp9999收稿日期 :20040106修回日期 :20041207極位置信號作為控制定子電樞繞組通電的依據(jù) 。 1 技術特點1. 1 無位置傳感器技術在永磁電動機調速系統(tǒng)中 , 為了獲得最大輸出 轉矩 , 要保持定子電流垂直于轉子磁極 , 這樣就需 要知道轉子的位置 。 在家用空調中 , 永磁電動機都 處于封閉的空調壓縮機中 , 壓縮機內的溫度超過 120 , 且充滿強腐蝕性高壓制冷劑 , 無法使用傳 感器來檢測轉子位置 , 因此采用無位置傳感器控制一個發(fā)展方向分為兩大類 :法 1。1. 1. 1 基于各種觀測器技術的位置識別方法 常用的觀

7、測器有全階狀態(tài)觀測器 、 自適應觀測 器 、 變結構觀測器 、 卡爾曼濾波器等 。這種方法動 態(tài)性能好 , 穩(wěn)定性高 , 參數(shù)魯棒性強 ; 缺點是在低速 段調速效果不是很理想 , 而且算法復雜 , 計算量很 大 。 但近年來隨著微處理器的發(fā)展 , 各種高速數(shù)字 信號處理器相對相位又與轉子位置估計誤差成正 比 , 因此通過使相位相差為零就可以使轉子位置估 計無誤差 。 為了使相位相差為零 , 引入了一種鎖相 環(huán) (PLL 技術 。 在鎖相環(huán)中 , 諧波反應功率被轉換 為數(shù)字脈沖 , 這樣就可以去除 d 軸和 q 軸電感以及 與轉子轉速有關的幅度信息而只保留相對相位信 息 。 因此 , 這種方法幾

8、乎不受任何電動機參數(shù)和工 作環(huán)境的影響 , 具有很好的魯棒性 25。S. Bolognani 等人提出了擴展卡爾曼濾波器 用于永磁同步電動機的無傳感器控制 5。他改進 了傳統(tǒng)的試錯法 , 代之以直接選擇協(xié)方差矩陣 。 主 要特征是將歸一化的受控系統(tǒng)模型和 E KF 算法結 合起來 , 這樣做的好處是得到了一個歸一化的協(xié)方 差矩陣 , 可以滿足大多數(shù)永磁同步電動機控制的要 求 , 避免了傳統(tǒng)試錯法的缺點 ?？柭鼮V波器應用于電動機無傳感器調速系 統(tǒng) , 對永磁電動機的轉角轉速進行實時在線最優(yōu)估 計 , 在調速過程中利用電動機的反電勢推算出實際 轉速與轉角 , 不斷地修正估計出轉速與轉角 。 對于

9、 具有隨機干擾的非線性系統(tǒng) , 卡爾曼濾波器是最優(yōu) 的遞推估計器 , 文獻 6以 2坐標系下的定子電 流 i , i , 轉子角速度 和位置 作為狀態(tài)變量 , 建 立系統(tǒng)的擴展狀態(tài)方程 , 這樣電流的導數(shù)與電流 、 電壓呈線性關系 。 它采用了特殊的算法 , 并將舍入 誤差和截斷誤差也計入到系統(tǒng)噪聲 , 該算法可用于 位置和速度的實時估計 。擴展卡爾曼濾波器方法 一般計算量大 , 對系統(tǒng)參數(shù)敏感以及需要初始位置 信息 , 這些缺點阻礙了它的實際應用 。1. 1. 2方法, 也是傳感元件 , 電 、 。 這種技術的關鍵是如何根據(jù)測量得 到的電動機電流 、 電壓信息估計電動機轉速 、 轉子 位置

10、。 這類方法可以通過計算同步電動機定子磁 鏈空間矢量來估計電動機轉子空間位置 , 也可以通 過計算同步電動機的隨轉子位置變化的相電感來 估計轉子位置 , 或者通過檢測電樞繞組反電勢過零 點的位置估計轉子位置 79。反電勢過零點檢測法是目前技術最成熟 , 實現(xiàn) 最簡單 , 應用最廣泛的轉子位置檢測方法 。 通常無 位置傳感器永磁電動機利用反電勢法來判斷轉子 位置 。 無位置傳感器永磁電動機中逆變器功率管 的切換是根據(jù)轉子位置的變化來確定的 。正確檢 測轉子的位置是永磁電動機能夠自同步運行 , 保證 高效率大功率地帶動空調器壓縮機正常運轉的前 提條件 。其原理為 :在永磁電動機穩(wěn)態(tài)運行時 , 忽

11、略電樞反應的前提下 , 通過檢測未通電相反電動勢 的過零點來獲得轉子的位置信號 , 從而控制繞組電 流的切換 , 保持定子電流和反電勢在相位上的嚴格 同步 , 實現(xiàn)電動機的運轉 。 當某相繞組中的反電勢 過零時 , 轉子直軸與該相繞組軸線重合 。 所以說轉 子位置可以用定子繞組中的反電勢波形檢測出來 。 1. 2 起動技術三段式起動技術 :當永磁電動機在靜止和低速 時反電勢為零或很小 , 無法用來判斷轉子位置 , 因此 運用三段式起動技術進行永磁電動機起動。 反電勢 法需要特殊起動技術 , 通常按他控式同步電動機的 運行狀態(tài)從靜止開始加速 , 直至轉速足夠大 , 再切換 到永磁電動機運行方式

12、, 包括轉子定位、 加速和切換 三個階段。 這種起動技術的優(yōu)點是能解決電動機在 用反電勢檢測位置信號時低速起動的缺陷。硬件起動電路 :文獻 10提出了這種起動電 路 , 電路原理如圖 2所示 。電路通電后 , 電容兩端 圖 2 硬件起動電路的電壓 U c 加到壓控振蕩器的輸入端 , 通過分頻器電路上 , 控制繞組的導通 ,(脈寬調制 導通的脈沖寬度 。 U c 的上升 , 加到繞組 上的電壓與頻率逐漸上升 , 驅動電動機運行 。 這種 起動方式的缺點是加大了電動機的尺寸 , 電動機的 可靠性也有所降低 , 對于較多應用于微型電動機中 的無刷直流電動機是個不小的障礙 。升頻升壓同步起動方式 :采

13、用升頻升壓同步起 動方式 , 保證帶一定負載時可靠起動 , 對切換時間 沒有嚴格要求 , 當電動機轉速達到一定數(shù)值后 , 經 邏輯電路將電動機切換到無刷直流電動機運行狀 態(tài) 。 由數(shù)字信號處理器 DSP 產生 PWM 波形控制 逆變器 , 使逆變器的換向頻率逐漸增加 , 而且給無 刷直流電動機的定子電壓也逐步升高 。同時將 PWM 波形的參數(shù)送入比較器進行比較 , 當 PWM 的占空比達到一定數(shù)值 , 電動機轉速達到一定速度 以后 , 就可以獲得足夠大的反電動勢 1011。 定位起動 :即預先對 A 相繞組通直流電 , 使電 動機轉子定位于磁極中心線與 A 相繞組軸線重合 的位置 , 再對 B

14、 相繞組通電 , 轉子磁極中心線將從 A 相繞組軸線向 B 相繞組軸線位置轉動 , 在這個 過程中定子繞組中感應出電勢 , 選擇合適的切換時 機使電路轉換到電勢換相工作狀態(tài) , 即實現(xiàn)了電動 機的起動 11。 文獻 12采用了這種起動方法 。該 起動方式的缺點是對切換時間要求較嚴 , 一般適用 于電動機空載起動 。當電動機慣量不同或帶一定 負載起動時 , 切換時間需要調整 , 否則可能造成起 動失敗或電動機反轉現(xiàn)象 。無位置傳感器永磁電動機在低速時的起動是 轉速控制中的另一個關鍵問題 。迄今為止除了以 上起動方法外 , 仍有很多研究成果 。 文獻 1314 提出了電流注入法 , 即先給靜止的定

15、子繞組注入幅 值恒定的高頻正弦測試電流 , 測算出定子的電壓 。 由于電壓向量在空間上呈橢圓形分布 , 其短軸即為 實際轉子的位置 , 因此觀察電壓的幅值即可檢測出 轉子位置 , 這種方法適合于任何負載條件 。文獻 15提出了一種檢測無位置傳感器開關磁阻電動 , 能夠實現(xiàn)轉 。文獻 16提出 , 但對于 , 適用于固定負載的 17提出了固定換向頻率 , 邊加大作為 功率器件的觸發(fā)信號的 PWM 信號的占空比 , 邊用 反電勢檢測位置信號的方法 。該方法具有很好的 抗干擾性 , 在輕負載條件下取得了良好的效果 。 2 空調器壓縮機中永磁電動機的轉速控制現(xiàn)代家用空調系統(tǒng)由三部分組成 :遙控器 、

16、室 內機 、 室外機 , 是一個多 CPU 結構的控制系統(tǒng) 。 室外機是完成對壓縮機變速控制的關鍵部分 ?？?調器是個多輸入多輸出參數(shù)的控制系統(tǒng) , 空調器的 控制器也可作為永磁電動機的控制器核心 , 既實現(xiàn) 了電動機控制器與空調器控制器的機電一體化 , 又 提高了單片機資源利用效率 。圖 3是以室內機 CPU 控制 、 室外機 CPU 控制為核心 , 永磁電動機 為主體的變頻空調的永磁電動機控制系統(tǒng)原理圖 。圖 3 變頻空調的永磁電動機控制系統(tǒng)電路圖2. 1 主電路主電路即功率電路是典型的 PWM 變頻器 , 由 整流電路和逆變器兩部分組成 。直流電源經過單 相全橋整流后 , 通過濾波電路形

17、成電壓值恒定的直 流電壓源 。 逆變器采用等寬度脈寬調制 , 實現(xiàn)永磁 電動機的合理換向和電壓調整 , 進而對電動機進行 速度調節(jié) 。 通過逆變器出來的端電壓信號既包含 反電勢信號又有斬波信號 , 并不是完全的梯形波 , 總有些毛刺和諧波干擾 。其中反電勢信號的波形直接決定轉子位置信號 , 而斬波信號則嚴重干擾反 電勢波形 , 致使電壓過零點不明確 , 無法檢測到電 動機轉子的位置 , 因此必須將頻率不同的端電壓信 號輸入低通濾波器進行低通濾波 , 實現(xiàn)相位補償 。 這樣就得到了三相反電勢信號即轉子位置信號 。 2. 2 控制電路控制電路由室內機 、 室外機 、 隔離驅動電路組 成 。 與 C

18、PU 相連的各種控制既是變頻空調要求 完成的 , 同時又是永磁電動機所要求的各種功能 。 室外機的工作是 :控制壓縮機轉速 ;轉速 ; 以速度和室外換熱器溫度為依據(jù) ,劑流量 ;控制或限速控制 。 :轉速 ; 。 室外機通過隔離驅動電路為逆變器的功率開 關管提供電動機選通信號 , 對電動機實行運轉停機 控制 。 根據(jù)空調器設定的頻率要求和室外機接收 到的位置檢測信號 ,CPU 進行性能參數(shù)檢測 , 根據(jù) 參數(shù)變化情況確定整機工作狀態(tài) , 產生相應的 PWM 控制信號 , 對逆變器模塊中的功率管進行有 序的切換 , 對壓縮機的永磁電動機進行變速控制和 電子膨脹閥的控制 , 使空調器壓縮機能夠平穩(wěn)

19、運 轉 。 當空調器工作在制冷 、 制熱 、 除霜 、 除濕等狀態(tài) 時 , 負載差異大 , 工作電流波動大 , 故需過流檢測電 路對工作電流加以限制 , 以防止壓縮機過載運行 。 3 結論永磁電動機用反電勢檢測轉子的位置信號是迄 今為止最普遍最常用的一種無位置檢測技術 , 但它 在低速或者零起動的條件下卻無法完成這種檢測。 因此三段式起動技術能夠很好地使永磁電動機的轉 速逐漸增大 , 使轉子信號的檢測工作順利完成。 同 時在低速或零起動狀態(tài)下也可應用卡爾曼濾波器進 行轉子位置檢測 , 它具有很廣泛的應用性。參考文獻1 文永明 , 沈傳文 , 蘇彥民 . 基于無位置傳感器的永磁電 機控制技術綜述

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