基于矢量控制的變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)設(shè)計方案

　　1 引言

　　變頻空調(diào)在如今的空調(diào)行業(yè)，發(fā)展勢頭迅猛，而在今后的發(fā)展趨勢，我們也可以預(yù)見它的前途，其節(jié)能、室內(nèi)溫度更穩(wěn)定、噪音低、舒適度更高的特點成為獨(dú)特的標(biāo)簽。

　　變頻空調(diào)一般是指空調(diào)壓縮機(jī)及其風(fēng)扇的變頻控制，一般情況下，采用永磁同步電機(jī)矢量控制的方案。目前空調(diào)風(fēng)機(jī)大多還是采用單相交流電機(jī)的定頻風(fēng)機(jī)，這種單相交流風(fēng)機(jī)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(jìn)行無極調(diào)速和風(fēng)機(jī)效率比較低等缺點。為了進(jìn)一步提高變頻空調(diào)性能，當(dāng)前已有空調(diào)廠家開始對空調(diào)風(fēng)機(jī)也進(jìn)行變頻控制，真正實現(xiàn)空調(diào)的全變頻控制。

　　2 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)體公司STM32（ARM :Cortex-M3） MCU 平臺，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(yùn)放、比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路，運(yùn)放可以用來放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路可以用來實現(xiàn)電機(jī)過流保護(hù)；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(hù)電路（OCP），加上過電壓（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

　　3 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(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，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(fēng)機(jī)這類負(fù)載，負(fù)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(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，達(dá)到應(yīng)用性能；同時又可達(dá)到低成本的目標(biāo)。

　　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(jī)，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率。[!--empirenews.page--]

　　采用單電阻電流采樣、無位置傳感器永磁同步電機(jī)的矢量控制如下圖2：

圖2 永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

　　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(jìn)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(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 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(dǎo)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(jī)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(jìn)行補(bǔ)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(fù)雜了其運(yùn)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(xì)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。

表2 三電阻與單電阻的對比

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　　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。

　　無位置傳感器算法，包括反電動勢檢測（Luenberger Observer） 和轉(zhuǎn)子位置/速度重構(gòu)（PLL: Phase Lock Loop ）兩部分，結(jié)構(gòu)如下圖4：

圖4 無位置傳感器位置/速度檢測結(jié)構(gòu)圖

　　3.3 MTPA效率最優(yōu)控制

　　MTPA（每安培電流最大轉(zhuǎn)矩）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。

　　永磁同步電機(jī)從電機(jī)結(jié)構(gòu)上來分，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（Ld = Lq）；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 < Lq）。

　　● 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，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，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

　　4 針對空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計

　　針對空調(diào)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的特點，加入噪音消除、抗臺風(fēng)起動及電機(jī)缺相檢測等功能模塊。[!--empirenews.page--]

　　4.1 噪音消除功能

　　為提高空調(diào)舒適度，對空調(diào)系統(tǒng)的噪音指標(biāo)有嚴(yán)格的要求，也是評價一個空調(diào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。對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。

　　具有正弦型反電動勢或氣隙磁場的永磁同步電機(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。但是，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，正弦波永磁電機(jī)反電動勢很少能難達(dá)到理想的正弦型，有的干脆就是一個反電動勢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，會使定子電流畸變而產(chǎn)生電機(jī)噪音。

　　針對反電動勢波形介于PMSM和BLDC之間這類永磁電機(jī)采用矢量控制，專門加入噪音消除功能模塊，通過加入N次諧波補(bǔ)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。

未加入噪音消除功能的電機(jī)相電流波形

加入噪音消除功能后的電機(jī)相電流波形

　　4.2 抗臺風(fēng)起動能力

　　對于空調(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、運(yùn)行或報警。對于無位置傳感的永磁同步電機(jī)矢量控制，由于動態(tài)響應(yīng)快的特點，正常運(yùn)行階段在強(qiáng)臺風(fēng)下也能夠正常工作。但是由于沒有位置傳感，需要有一個開環(huán)起動過程，來建立起轉(zhuǎn)子位置和速度信號，這個起動過程力矩是比較小的，在強(qiáng)臺風(fēng)影響下，很難保證風(fēng)機(jī)能可靠的起動。

　　為了抗臺風(fēng)，除了盡可能增大風(fēng)機(jī)起動力矩外，本方案還增加了抗臺風(fēng)起動功能模塊，保證風(fēng)機(jī)能夠成功起動或給出強(qiáng)臺風(fēng)報警信號。風(fēng)機(jī)在停機(jī)時，強(qiáng)風(fēng)吹動下風(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)能否成功起動主要和起動前風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相關(guān)。這樣，首先需要通過程序檢測出風(fēng)機(jī)起動前的初始轉(zhuǎn)速和方向，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不同的起動過程處理，可分為如下三種情況：

　　a 直接起動

　　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。

　　b 強(qiáng)臺風(fēng)報警，停止正常起動

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高，不能保證風(fēng)機(jī)正常起動時，發(fā)出強(qiáng)臺風(fēng)報警，風(fēng)機(jī)停止正常起動。

　　c 正常起動

　　除a和b的其他情況，風(fēng)機(jī)能夠確保起動成功，按正常的起動程序起動風(fēng)機(jī)。

　　經(jīng)過模擬強(qiáng)臺風(fēng)測試，系統(tǒng)能夠安全地起動和運(yùn)行，同時在實際的室外環(huán)境測試中，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下起動、運(yùn)行的性能也得到了驗證。

　　4.3 電機(jī)缺相檢測

　　為了保證風(fēng)機(jī)正常起動、運(yùn)行，每次電機(jī)起動前都要進(jìn)行電機(jī)缺相檢測，通過相應(yīng)的功能函數(shù)檢測出風(fēng)機(jī)三相線是否連接正常和3相逆變橋是否完好，如果檢測到缺相，則停止風(fēng)機(jī)起動并報缺相警報，確保風(fēng)機(jī)每次進(jìn)入起動程序后都能夠成功，同時使系統(tǒng)具有相應(yīng)的錯誤診斷能力。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹的這種永磁同步電機(jī)的矢量控制方案，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，效率高、低成本、節(jié)能及噪音小，完全能夠滿足空調(diào)風(fēng)機(jī)的實際使用要求。