永磁同步电机矢量控制方案在变频空调风机中的运用

  

纯代码长度		≈12.2KB	≈14.5KB
硬件成本		3采样电阻 3运放	1采样电阻 1运放
最大FOC执行速率		≈21KHZ	≈16KHZ
相电流失真*	IPH(rms) 0.17A	THD:2.8	THD:4.2
	IPH(rms) 0.44A	THD:2.4	THD:2.7

表 2 三电阻与单电阻的对比

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：



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）。
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   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。
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   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。



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：

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   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。
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   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。
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   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。