摘要：本文介紹永磁同步電機矢量控制原理和基于STM32矢量控制在變頻空調永磁同步風(fēng)機中的應用解決方案,該方案采用單電阻電流采樣及無(wú)位置傳感器的速度檢測和轉子位置檢測的系統結構。
通過(guò)加入噪音消除、電機缺相檢測、抗臺風(fēng)啟動(dòng)及系統過(guò)流過(guò)壓保護等功能模塊使得本方案具有低風(fēng)機噪音、高系統效率、高可靠性和節能等特點(diǎn)。
1．引言
變頻空調以其節能、室內溫度更穩定、噪音低、舒適度更高的特點(diǎn)得到快速的發(fā)展，成為今后空調發(fā)展趨勢已成業(yè)界共識。
變頻空調一般是指空調壓縮機及其風(fēng)扇的變頻控制，多采用永磁同步電機矢量控制的方案。目前空調風(fēng)機大多還是采用單相交流電機的定頻風(fēng)機，這種單相交流風(fēng)機接入單相交流電源就可工作，具有結構簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不能進(jìn)行無(wú)極調速和風(fēng)機效率比較低等缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高變頻空調性能，當前已有空調廠(chǎng)家開(kāi)始對空調風(fēng)機也進(jìn)行變頻控制，真正實(shí)現空調的全變頻控制。
永磁同步電機（PMSM），功率密度高體積小，結構簡(jiǎn)單，采用矢量控制(FOC)，具有動(dòng)態(tài)響應快，效率高、噪音低及安全可靠的特點(diǎn)，很適合應用在空調風(fēng)機中，實(shí)現空調風(fēng)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(fēng)機中應用的方案。
2．系統結構
此變頻空調風(fēng)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(wú)位置傳感器（Sensor-less）的速度位置檢測來(lái)實(shí)現。
系統結構如圖1所示，MCU選用STM32F103C6T6；功率模塊驅動(dòng)采用3片L6390D，每個(gè)L6390D都內置有運放、比較器及智能關(guān)斷保護電路，運放可以用來(lái)放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護電路可以用來(lái)實(shí)現電機過(guò)流保護；IGBT為6片STGDL6NC60D。
L6390D自帶的智能關(guān)斷功能可實(shí)現過(guò)電流保護電路（OCP）,加上過(guò)電壓（OVP）和欠電壓(LVP)等保護功能，使系統工作安全可靠。
圖1：變頻空調風(fēng)機系統結構圖
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(dòng)態(tài)響應快，穩速精度高，功率密度大，效率高，噪音低等特點(diǎn)，是一種高性能的電機控制系統。矢量控制運算需要獲取電機三相電流和準確的轉子位置信號，通常使用電流傳感器和位置速度傳感器，這增加了系統的成本。對風(fēng)機這類(lèi)負載，負載相對穩定、起動(dòng)力矩不大的應用，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的矢量控制方案，既有永磁同步電機的矢量控制的優(yōu)點(diǎn)，達到應用性能；同時(shí)又可達到低成本的目標。
MTPA（每安培電流最大轉矩）控制，針對內置式永磁同步電機，提高風(fēng)機系統效率。
采用單電阻電流采樣、無(wú)位置傳感器永磁同步電機的矢量控制如下圖2：
圖2 永磁同步電機矢量控制框圖
3.1單電阻電流采樣
為了降低系統成本，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至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負母線(xiàn)的電流即可。
圖3 單電阻采樣框圖
表1 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(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”表示導通。由于電流在一個(gè)PWM周期內幾乎不變，因此只需要在一個(gè)PWM周期內采樣兩次即可得到該時(shí)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(huì )遇到一些挑戰，空間矢量脈寬調制器（SVPWM）在空間矢量的扇區邊界和低調制區域的時(shí)候，會(huì )存在占空比兩長(cháng)一短和兩短一長(cháng)以及三個(gè)幾乎一樣長(cháng)的時(shí)刻。這樣的話(huà)，如果有效矢量持續的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì )出錯。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，而在低調制區域的時(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)行補償。
單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統的成本，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(lái)說(shuō)，算法復雜了其運算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長(cháng)一些；對于電流檢測而言，其波形失真比起三電阻方法來(lái)說(shuō)，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的應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(chǎng)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
3.2無(wú)位置傳感器轉子位置和速度檢測
只需獲取三相電流和母線(xiàn)電壓，通過(guò)算法計算出轉子位置和速度，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)勢檢測(Luenberger Observer) 和轉子位置/速度重構（PLL: Phase Lock Loop ）兩部分，結構如下圖4：
無(wú)位置傳感器位置/速度檢測結構圖
3.3 MTPA效率最優(yōu)控制
MTPA（每安培電流最大轉矩）控制，也就是系統效率最優(yōu)控制，下面等式為永磁同步電機的力矩方程，永磁同步電機力矩：包括同步力矩和磁阻力矩。
永磁同步電機從電機結構上來(lái)分，可分為磁鋼表貼式和內置式兩種。表貼式永磁同步電機（SM-PMSM），直軸電感等于交軸電感（Ld = Lq）；而內置式永磁同步電機（I-PMSM），直軸電感小于交軸電感（Ld < Lq）。
● 表貼式永磁同步電機，Ld等于Lq，只有同步力矩，控制ids等于零時(shí)，系統效率最優(yōu)。
● 內置式永磁同步電機，Ld一般小于Lq，存在同步力矩和磁阻力矩，當ids小于零時(shí)，可以利用磁阻力矩使系統效率最優(yōu)。內置式永磁同步電機MTPA功能示意如圖5。
圖5 MTPA功能示意圖
4. 針對空調風(fēng)機應用的系統設計
針對空調風(fēng)機應用的特點(diǎn)，加入噪音消除、抗臺風(fēng)起動(dòng)及電機缺相檢測等功能模塊。
4.1噪音消除功能
為提高空調舒適度，對空調系統的噪音指標有嚴格的要求，也是評價(jià)一個(gè)空調質(zhì)量好壞的重要指標。對于功率不大且為主要噪音源之一的空調風(fēng)機，低噪音顯得尤為重要。
具有正弦型反電動(dòng)勢或氣隙磁場(chǎng)的永磁同步電機（正弦波永磁電機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)生穩定的輸出力矩，具有低噪音的特點(diǎn)。但是，在應用中發(fā)現，正弦波永磁電機反電動(dòng)勢很少能難達到理想的正弦型，有的干脆就是一個(gè)反電動(dòng)勢為梯形波的永磁同步電機（方波永磁電機BLDC）,這種電機采用FOC矢量控制，會(huì )使定子電流畸變而產(chǎn)生電機噪音。
針對反電動(dòng)勢波形介于PMSM和BLDC之間這類(lèi)永磁電機采用矢量控制，專(zhuān)門(mén)加入噪音消除功能模塊，通過(guò)加入N次諧波補償的方式，使定子電流更接近正弦，從而達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相電流波形
加入噪音消除功能后的電機相電流波形
4.2 抗臺風(fēng)起動(dòng)能力
對于空調室外風(fēng)機，由于風(fēng)機在室外，必須保證在各種自然條件的影響下能正常工作，特別是強風(fēng)的影響下，風(fēng)機能夠正常起動(dòng)、運行或報警。對于無(wú)位置傳感的永磁同步電機矢量控制，由于動(dòng)態(tài)響應快的特點(diǎn)，正常運行階段在強臺風(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)建立起轉子位置和速度信號，這個(gè)起動(dòng)過(guò)程力矩是比較小的，在強臺風(fēng)影響下，很難保證風(fēng)機能可靠的起動(dòng)。
為了抗臺風(fēng)，除了盡可能增大風(fēng)機起動(dòng)力矩外，本方案還增加了抗臺風(fēng)起動(dòng)功能模塊，保證風(fēng)機能夠成功起動(dòng)或給出強臺風(fēng)報警信號。風(fēng)機在停機時(shí)，強風(fēng)吹動(dòng)下風(fēng)機的轉速和方向跟風(fēng)力的大小及風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)機能否成功起動(dòng)主要和起動(dòng)前風(fēng)機的風(fēng)速相關(guān)。這樣，首先需要通過(guò)程序檢測出風(fēng)機起動(dòng)前的初始轉速和方向，然后根據監測結果進(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)
當風(fēng)機正轉且轉速大于一定值的情況下，直接進(jìn)入運行模式。
● 強臺風(fēng)報警，停止正常起動(dòng)
當風(fēng)機轉速太高，不能保證風(fēng)機正常起動(dòng)時(shí)，發(fā)出強臺風(fēng)報警，風(fēng)機停止正常起動(dòng)。
● 正常起動(dòng)
除1）和2）的其他情況，風(fēng)機能夠確保起動(dòng)成功，按正常的起動(dòng)程序起動(dòng)風(fēng)機。
經(jīng)過(guò)模擬強臺風(fēng)測試，系統能夠安全地起動(dòng)和運行，同時(shí)在實(shí)際的室外環(huán)境測試中，在強風(fēng)環(huán)境下起動(dòng)、運行的性能也得到了驗證。
4.3 電機缺相檢測
為了保證風(fēng)機正常起動(dòng)、運行，每次電機起動(dòng)前都要進(jìn)行電機缺相檢測，通過(guò)相應的功能函數檢測出風(fēng)機三相線(xiàn)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)機起動(dòng)并報缺相警報，確保風(fēng)機每次進(jìn)入起動(dòng)程序后都能夠成功，同時(shí)使系統具有相應的錯誤診斷能力。
5. 結論
本文介紹的永磁同步電機的矢量控制方案，具有系統工作穩定可靠，效率高、低成本，節能及噪音小等特點(diǎn)，完全能夠滿(mǎn)足空調風(fēng)機的實(shí)際使用要求。 |
