意法半導(dǎo)體公司永磁同步電機(jī)矢量控制方案在變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

1、    意法半導(dǎo)體公司永磁同步電機(jī)矢量控制方案在變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用        時(shí)間:2011年04月12日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        永磁同步電機(jī)（PMSM），功率密度高體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用矢量控制（FOC），具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，效率

2、高、噪音低及安全可靠的特點(diǎn)，很適合應(yīng)用在空調(diào)風(fēng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機(jī)的變頻控制，下面介紹一種永磁同步電機(jī)矢量控制在變頻控制風(fēng)機(jī)中應(yīng)用的方案。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)體的STM32 MCU平臺(tái)，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(cè)和無(wú)位置傳感器的速度位置檢測(cè)來(lái)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(dòng)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(lái)放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)流保護(hù)；IGBT為6片STGDL6NC60D。L63

3、90D自帶的智能關(guān)斷功能可實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)電路（OCP），加上過(guò)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。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(dòng)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(hào)，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(duì)風(fēng)機(jī)這類負(fù)載，負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定、起動(dòng)力矩不大的應(yīng)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(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

4、本的目標(biāo)。MTPA（每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）控制，針對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率。（見(jiàn)圖2）圖2：永磁同步電機(jī)矢量控制框圖。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(lái)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。圖3是單電阻采樣的框圖，對(duì)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(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D3：?jiǎn)坞娮璨蓸涌驁D。表1：?jiǎn)坞娮璨蓸訝顟B(tài)表。單電阻采樣

5、會(huì)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(huì)存在占空比兩長(zhǎng)一短和兩短一長(zhǎng)以及三個(gè)幾乎一樣長(zhǎng)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(huì)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(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(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(cè)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(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)一些；對(duì)于電流檢測(cè)而言，其波形失真比起三電阻

6、方法來(lái)說(shuō)，要稍微大一些。其詳細(xì)的對(duì)比如表2所示。單電阻采樣的性能對(duì)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2：三電阻采樣與單電阻采樣的對(duì)比。無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè) 只需獲取三相電流和母線電壓，通過(guò)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(wú)位置傳感器算法，包括反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)和轉(zhuǎn)子位置/速度重構(gòu)兩部分，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4：無(wú)位置傳感器位置/速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖。MTPA效率最優(yōu)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。Te 同步轉(zhuǎn)矩磁阻轉(zhuǎn)矩公式1永磁同

7、步電機(jī)從電機(jī)結(jié)構(gòu)上來(lái)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（LdLq）；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* 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。圖5：MTPA功能示意圖。針對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)，加入噪音消除、抗臺(tái)風(fēng)起動(dòng)及電機(jī)缺相檢測(cè)等功能模塊。噪音消除功能 為提高空調(diào)舒適度，對(duì)空調(diào)

8、系統(tǒng)的噪音指標(biāo)有嚴(yán)格的要求，也是評(píng)價(jià)一個(gè)空調(diào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。對(duì)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(dòng)勢(shì)或氣隙磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(huì)使定子電流畸變而產(chǎn)生電機(jī)噪音。針對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形介于PMSM和BLDC之間這類永磁電機(jī)采用矢量控制，專門(mén)加入噪音消除功能模塊，通過(guò)加入N次諧波補(bǔ)

9、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?？古_(tái)風(fēng)起動(dòng)能力 對(duì)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(dòng)、運(yùn)行或報(bào)警。對(duì)于無(wú)位置傳感的永磁同步電機(jī)矢量控制，由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，正常運(yùn)行階段在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下也能夠正常工作。但是由于沒(méi)有位置傳感，需要有一個(gè)開(kāi)環(huán)起動(dòng)過(guò)程，來(lái)建立起轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)，這個(gè)起動(dòng)過(guò)程力矩是比較小的，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響下，很難保證風(fēng)機(jī)能可靠的起動(dòng)。圖6：未加入噪音消除功能的電機(jī)相電流波形。為了抗臺(tái)風(fēng)，除了盡可能增大風(fēng)機(jī)起動(dòng)力矩外，本方案還增加了抗

10、臺(tái)風(fēng)起動(dòng)功能模塊，保證風(fēng)機(jī)能夠成功起動(dòng)或給出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警信號(hào)。風(fēng)機(jī)在停機(jī)時(shí)，強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)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(dòng)主要和起動(dòng)前風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相關(guān)。這樣，首先需要通過(guò)程序檢測(cè)出風(fēng)機(jī)起動(dòng)前的初始轉(zhuǎn)速和方向，然后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行不同的起動(dòng)過(guò)程處理，可分為如下三種情況：* 直接起動(dòng)：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。* 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警，停止正常起動(dòng)：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高，不能保證風(fēng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，發(fā)出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)報(bào)警，風(fēng)機(jī)停止正常起動(dòng)。* 正常起動(dòng)：除前述外的其他情況，風(fēng)機(jī)能夠確保起動(dòng)成功，按正常的起動(dòng)程序起動(dòng)風(fēng)機(jī)。經(jīng)過(guò)模擬強(qiáng)臺(tái)風(fēng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠安全地起動(dòng)和運(yùn)行，同時(shí)在實(shí)際的室外環(huán)境測(cè)試中，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下起動(dòng)、運(yùn)行的性能也得到了驗(yàn)證。電機(jī)缺相檢測(cè) 為了保證風(fēng)機(jī)正常起動(dòng)、運(yùn)行，每次電機(jī)起動(dòng)前都要進(jìn)行電機(jī)缺相檢測(cè)，通過(guò)相應(yīng)的功能函數(shù)檢測(cè)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(cè)到缺相，則停止風(fēng)機(jī)起動(dòng)并報(bào)缺相警報(bào)，確保風(fēng)機(jī)每次進(jìn)入起動(dòng)程