變頻空調(diào)以其節(jié)能,、室內(nèi)溫度更穩(wěn)定,、噪音低等特點得到快速的發(fā)展,，成為空調(diào)未來趨勢已成業(yè)界共識,。

　　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,，多采用永磁同步電機(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)的定速風(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)進(jìn)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(jī)（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(fēng)機(jī)中,，實現(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,，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(hù)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(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,。

　　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。（見圖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。

　　圖3：單電阻采樣框圖,。

　　表1：單電阻采樣狀態(tài)表,。

　　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2：三電阻采樣與單電阻采樣的對比,。

　　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：無位置傳感器位置/速度檢測結(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

　　* 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,。

　　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,。

　　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,。

　　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,。

　　圖6：未加入噪音消除功能的電機(jī)相電流波形,。

　　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：

　　* 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)入運行模式。

　　* 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,。

　　* 正常起動：除前述外的其他情況，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、運行的性能也得到了驗證,。

　　電機(jī)缺相檢測 為了保證風(fēng)機(jī)正常起動,、運行，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。

　　圖7：加入噪音消除功能后的電機(jī)相電流波形,。

　　本文小結(jié)

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

　　作者：孫桂喜,，唐華標(biāo),，張建新，張醒

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