永磁同步电机矢量控制方案在变频空调风机中的运用

摘要：本文介绍永磁同步电机矢量控制原理和基于STM32矢量控制在变频空调永磁同步风机中的应用解决方案,该方案采用单电阻电流采样及无位置传感器的速度检测和转子位置检测的系统结构。

通过加入噪音消除、电机缺相检测、抗台风启动及系统过流过压保护等功能模块使得本方案具有低风机噪音、高系统效率、高可靠性和节能等特点。

1．引言

变频空调以其节能、室内温度更稳定、噪音低、舒适度更高的特点得到快速的发展，成为今后空调发展趋势已成业界共识。

变频空调一般是指空调压缩机及其风扇的变频控制，多采用永磁同步电机矢量控制的方案。目前空调风机大多还是采用单相交流电机的定频风机，这种单相交流风机接入单相交流电源就可工作，具有结构简单、可靠的优点，但是也有不能进行无极调速和风机效率比较低等缺点。为了进一步提高变频空调性能，当前已有空调厂家开始对空调风机也进行变频控制，真正实现空调的全变频控制。

永磁同步电机（PMSM），功率密度高体积小，结构简单，采用矢量控制(FOC)，具有动态响应快，效率高、噪音低及安全可靠的特点，很适合应用在空调风机中，实现空调风机的变频控制，下面介绍一种永磁同步电机矢量控制在变频控制风机中应用的方案。

2．系统结构

此变频空调风机方案采用意法半导体公司STM32(ARM :Cortex-M3) MCU 平台，永磁同步电机（PMSM）矢量控制(FOC)方案使用单电阻(Single Shunt)的电流检测和无位置传感器（Sensor-less）的速度位置检测来实现。

系统结构如图1所示，MCU选用STM32F103C6T6；功率模块驱动采用3片L6390D，每个L6390D都内置有运放、比较器及智能关断保护电路，运放可以用来放大采样电流，比较器及智能关断保护电路可以用来实现电机过流保护；IGBT为6片STGDL6NC60D。

L6390D自带的智能关断功能可实现过电流保护电路（OCP）,加上过电压（OVP）和欠电压(LVP)等保护功能，使系统工作安全可靠。


图1：变频空调风机系统结构图

3．低成本高性能的永磁同步电机的矢量控制方案

永磁同步电机的矢量控制，具有动态响应快，稳速精度高，功率密度大，效率高，噪音低等特点，是一种高性能的电机控制系统。矢量控制运算需要获取电机三相电流和准确的转子位置信号，通常使用电流传感器和位置速度传感器，这增加了系统的成本。对风机这类负载，负载相对稳定、起动力矩不大的应用，采用廉价的单电阻电流采样和无位置传感器永磁同步电机的矢量控制方案，既有永磁同步电机的矢量控制的优点，达到应用性能；同时又可达到低成本的目标。

MTPA（每安培电流最大转矩）控制，针对内置式永磁同步电机，提高风机系统效率。

采用单电阻电流采样、无位置传感器永磁同步电机的矢量控制如下图2：


图2 永磁同步电机矢量控制框图[!--empirenews.page--]

3.1单电阻电流采样

为了降低系统成本，本方案采用了先进的单电阻采样技术。一般来讲，矢量控制算法需要采集电机至少两相电流，但单电阻采样只需要采集负母线的电流即可。


图3 单电阻采样框图


表1 单电阻采样状态表

图3是单电阻采样的框图，对于桥臂的每一个开关状态，其流过的电流状态如表1所示。在表1中，“0”表示开关管关断，而“1”表示导通。由于电流在一个PWM周期内几乎不变，因此只需要在一个PWM周期内采样两次即可得到该时刻电机每一相电流的状态，因为三相电流之和为零。

单电阻采样会遇到一些挑战，空间矢量脉宽调制器（SVPWM）在空间矢量的扇区边界和低调制区域的时候，会存在占空比两长一短和两短一长以及三个几乎一样长的时刻。这样的话，如果有效矢量持续的时间少于电流采样时间，则会出错。本方案采取的办法是在相邻边界的时候插入固定时间的有效矢量，而在低调制区域的时候，采用的是轮流插入有效矢量的方法。插入有效矢量会给电流波形带来失真，这种情况下需要通过软件来进行补偿。

单电阻采样的优点除了降低系统的成本，还有就是它检测三相电流时都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺点也是明显的，对于MCU来说，算法复杂了其运算时间要增大，代码比三电阻也要长一些；对于电流检测而言，其波形失真比起三电阻方法来说，要稍微大一些。其详细的对比如表2所示。单电阻采样的性能对于变频空调的应用是完全可以胜任的，而且成本低廉，这也就是为什么大部分家电厂家都愿意选择单电阻采样的原因所在。


表 2 三电阻与单电阻的对比[!--empirenews.page--]

3.2无位置传感器转子位置和速度检测

只需获取三相电流和母线电压，通过算法计算出转子位置和速度，不需要增加额外的器件和电路。

无位置传感器算法，包括反电动势检测(Luenberger Observer) 和转子位置/速度重构（PLL: Phase Lock Loop ）两部分，结构如下图4：


无位置传感器位置/速度检测结构图

3.3 MTPA效率最优控制

MTPA（每安培电流最大转矩）控制，也就是系统效率最优控制，下面等式为永磁同步电机的力矩方程，永磁同步电机力矩：包括同步力矩和磁阻力矩。



永磁同步电机从电机结构上来分，可分为磁钢表贴式和内置式两种。表贴式永磁同步电机（SM-PMSM），直轴电感等于交轴电感（Ld = Lq）；而内置式永磁同步电机（I-PMSM），直轴电感小于交轴电感（Ld < Lq）。

● 表贴式永磁同步电机，Ld等于Lq，只有同步力矩，控制ids等于零时，系统效率最优。

● 内置式永磁同步电机，Ld一般小于Lq，存在同步力矩和磁阻力矩，当ids小于零时，可以利用磁阻力矩使系统效率最优。内置式永磁同步电机MTPA功能示意如图5。


图5 MTPA功能示意图[!--empirenews.page--]

4. 针对空调风机应用的系统设计

针对空调风机应用的特点，加入噪音消除、抗台风起动及电机缺相检测等功能模块。

4.1噪音消除功能

为提高空调舒适度，对空调系统的噪音指标有严格的要求，也是评价一个空调质量好坏的重要指标。对于功率不大且为主要噪音源之一的空调风机，低噪音显得尤为重要。

具有正弦型反电动势或气隙磁场的永磁同步电机（正弦波永磁电机PMSM），采用FOC矢量控制，输入正弦的定子相电压和定子相电流可产生稳定的输出力矩，具有低噪音的特点。但是，在应用中发现，正弦波永磁电机反电动势很少能难达到理想的正弦型，有的干脆就是一个反电动势为梯形波的永磁同步电机（方波永磁电机BLDC）,这种电机采用FOC矢量控制，会使定子电流畸变而产生电机噪音。

针对反电动势波形介于PMSM和BLDC之间这类永磁电机采用矢量控制，专门加入噪音消除功能模块，通过加入N次谐波补偿的方式，使定子电流更接近正弦，从而达到消除或降噪的目的。下面是定子相电流波形得到了很好的改善，噪音得以明显的降低。


未加入噪音消除功能的电机相电流波形


加入噪音消除功能后的电机相电流波形

4.2 抗台风起动能力

对于空调室外风机，由于风机在室外，必须保证在各种自然条件的影响下能正常工作，特别是强风的影响下，风机能够正常起动、运行或报警。对于无位置传感的永磁同步电机矢量控制，由于动态响应快的特点，正常运行阶段在强台风下也能够正常工作。但是由于没有位置传感，需要有一个开环起动过程，来建立起转子位置和速度信号，这个起动过程力矩是比较小的，在强台风影响下，很难保证风机能可靠的起动。

为了抗台风，除了尽可能增大风机起动力矩外，本方案还增加了抗台风起动功能模块，保证风机能够成功起动或给出强台风报警信号。风机在停机时，强风吹动下风机的转速和方向跟风力的大小及风向有关，风机能否成功起动主要和起动前风机的风速相关。这样，首先需要通过程序检测出风机起动前的初始转速和方向，然后根据监测结果进行不同的起动过程处理，可分为如下三种情况：

● 直接起动
当风机正转且转速大于一定值的情况下，直接进入运行模式。

● 强台风报警，停止正常起动
当风机转速太高，不能保证风机正常起动时，发出强台风报警，风机停止正常起动。

● 正常起动
除1）和2）的其他情况，风机能够确保起动成功，按正常的起动程序起动风机。

经过模拟强台风测试，系统能够安全地起动和运行，同时在实际的室外环境测试中，在强风环境下起动、运行的性能也得到了验证。

4.3 电机缺相检测

为了保证风机正常起动、运行，每次电机起动前都要进行电机缺相检测，通过相应的功能函数检测出风机三相线是否连接正常和3相逆变桥是否完好，如果检测到缺相，则停止风机起动并报缺相警报，确保风机每次进入起动程序后都能够成功，同时使系统具有相应的错误诊断能力。

5. 结论

本文介绍的永磁同步电机的矢量控制方案，具有系统工作稳定可靠，效率高、低成本，节能及噪音小等特点，完全能够满足空调风机的实际使用要求。