永磁同步電機矢量控制方案在變頻空調(diào)風機中的運用

摘要：本文介紹永磁同步電機矢量控制原理和基于STM32矢量控制在變頻空調(diào)永磁同步風機中的應用解決方案,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、電機缺相檢測、抗臺風啟動及系統(tǒng)過流過壓保護等功能模塊使得本方案具有低風機噪音、高系統(tǒng)效率、高可靠性和節(jié)能等特點。

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。

變頻空調(diào)一般是指空調(diào)壓縮機及其風扇的變頻控制，多采用永磁同步電機矢量控制的方案。目前空調(diào)風機大多還是采用單相交流電機的定頻風機，這種單相交流風機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，但是也有不能進行無極調(diào)速和風機效率比較低等缺點。為了進一步提高變頻空調(diào)性能，當前已有空調(diào)廠家開始對空調(diào)風機也進行變頻控制，真正實現(xiàn)空調(diào)的全變頻控制。

永磁同步電機（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)響應快，效率高、噪音低及安全可靠的特點，很適合應用在空調(diào)風機中，實現(xiàn)空調(diào)風機的變頻控制，下面介紹一種永磁同步電機矢量控制在變頻控制風機中應用的方案。

2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此變頻空調(diào)風機方案采用意法半導體公司STM32(ARM :Cortex-M3) MCU 平臺，永磁同步電機（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)置有運放、比較器及智能關斷保護電路，運放可以用來放大采樣電流，比較器及智能關斷保護電路可以用來實現(xiàn)電機過流保護；IGBT為6片STGDL6NC60D。

L6390D自帶的智能關斷功能可實現(xiàn)過電流保護電路（OCP）,加上過電壓（OVP）和欠電壓(LVP)等保護功能，使系統(tǒng)工作安全可靠。


圖1：變頻空調(diào)風機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3．低成本高性能的永磁同步電機的矢量控制方案

永磁同步電機的矢量控制，具有動態(tài)響應快，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控制系統(tǒng)。矢量控制運算需要獲取電機三相電流和準確的轉(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。對風機這類負載，負載相對穩(wěn)定、起動力矩不大的應用，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的矢量控制方案，既有永磁同步電機的矢量控制的優(yōu)點，達到應用性能；同時又可達到低成本的目標。

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，提高風機系統(tǒng)效率。

采用單電阻電流采樣、無位置傳感器永磁同步電機的矢量控制如下圖2：


圖2 永磁同步電機矢量控制框圖