永磁同步電機(jī)矢量控制方案在變頻空調(diào)風(fēng)機(jī)中的運(yùn)用

摘要：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(wú)位置傳感器的速度檢測(cè)和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)加入噪音消除、電機(jī)缺相檢測(cè)、抗臺(tái)風(fēng)啟動(dòng)及系統(tǒng)過(guò)流過(guò)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)。

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(shì)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(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不能進(jìn)行無(wú)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(kāi)始對(duì)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(jiǎn)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(cè)和無(wú)位置傳感器（Sensor-less）的速度位置檢測(cè)來(lái)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(lái)放大采樣電流，比較器及智能關(guān)斷保護(hù)電路可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)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(guò)電流保護(hù)電路（OCP）,加上過(guò)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(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(duì)風(fēng)機(jī)這類負(fù)載，負(fù)載相對(duì)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(wú)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(duì)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(wú)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