本文介紹永磁同步電機(jī)矢量控制原理和基于STM32矢量控制在變頻空調(diào)永磁同步風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用解決方案,該方案采用單電阻電流采樣及無位置傳感器的速度檢測和轉(zhuǎn)子位置檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

    通過加入噪音消除、電機(jī)缺相檢測、抗臺(tái)風(fēng)啟動(dòng)及系統(tǒng)過流過壓保護(hù)等功能模塊使得本方案具有低風(fēng)機(jī)噪音、高系統(tǒng)效率、高可靠性和節(jié)能等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：矢量控制無位置傳感器永磁同步電機(jī)噪音消除缺相檢測抗臺(tái)風(fēng)節(jié)能

 Abstract:The paper describes the Field Oriented Control (FOC) principle for Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), presents sensor-less single shunt current sensing FOC solution for PMSM fan of air-condition system based on STM32 MCU platform.

By adding functions of electronic-noise-cancellation, phase-missing check, anti-typhoon start up and OVP/OCP (Over Voltage/Over Current Protection) etc., the system has the features of lower noise, high efficiency, high reliability and energy saving etc.

Key words: FOC, Sensor-less PMSM, Noise Cancellation, Phase Missing Check, Anti-typhoon 

1 引言

      變頻空調(diào)以其節(jié)能、室內(nèi)溫度更穩(wěn)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(diào)發(fā)展趨勢已成業(yè)界共識(shí).

    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(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，效率高、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。

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(tái)，永磁同步電機(jī)（PMSM）矢量控制(FOC)方案使用單電阻(Single Shunt)的電流檢測和無位置傳感器（Sensor-less）的速度位置檢測來實(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(shí)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(shí)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。

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(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。對風(fēng)機(jī)這類負(fù)載，負(fù)載相對穩(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。

    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：

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。

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(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?/p>

    單電阻采樣會(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)存在占空比兩長一短和兩短一長以及三個(gè)幾乎一樣長的時(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(diǎn)除了降低系統(tǒng)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來說，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

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(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和速度，不需要增加額外的器件和電路。

   無位置傳感器算法，包括反電動(dòng)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：

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(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

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

針對空調(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)缺相檢測等功能模塊。

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(píng)價(jià)一個(gè)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(dòng)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(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。

針對反電動(dòng)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(tái)風(fēng)起動(dòng)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(dòng)、運(yùn)行或報(bào)警。對于無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。但是由于沒有位置傳感，需要有一個(gè)開環(huán)起動(dòng)過程，來建立起轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)，這個(gè)起動(dòng)過程力矩是比較小的，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)。

     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，首先需要通過程序檢測出風(fēng)機(jī)起動(dòng)前的初始轉(zhuǎn)速和方向，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不同的起動(dòng)過程處理，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1）和2）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)過模擬強(qiáng)臺(tái)風(fēng)測試，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。

4.3 電機(jī)缺相檢測

      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，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(dòng)并報(bào)缺相警報(bào)，確保風(fēng)機(jī)每次進(jìn)入起動(dòng)程序后都能夠成功，同時(shí)使系統(tǒng)具有相應(yīng)的錯(cuò)誤診斷能力。

5. 結(jié)論

      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(diǎn)，完全能夠滿足空調(diào)風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用要求。