中央空调压缩机无位置传感器正弦波变频控制器的开发

       永磁同步电机（PMSM）因其具有效率高、体积小、重量轻和噪音低等诸多优点，近些年来已在国内外得到了迅速发展和越来越广泛的应用。我国稀土资源丰富，几十千瓦以下的永磁同步电机的设计和制造技术已十分成熟，价格已能够被市场所接受。

永磁同步电机及驱动控制器是符合国家节能环保基本国策和可持续发展战略的高新技术产品，市场需求量会迅速增大。但是针对空调这种市场需求量大、市场竞争激烈的电气商品，如何设计出与永磁同步电机配套，高可靠、高性能且低成本的控制器成为了制约变频空调发展的关键技术之一。

       对于压缩机电机的变频控制而言，目前最先进的技术是采用永磁同步电机的无位置传感器正弦波控制。国内空调制造企业的变频技术基本依赖于IR、Renesas和TI等几家国外芯片厂商提供的实现方案。方案中包括了位置估算、脉宽调制（PWM）输出及矢量控制在内的永磁同步电机控制的核心内容，具体实现方法并不对外公开。国内有关企业由于不掌握无位置传感器正弦波控制的核心算法，只能被动地使用这些专用芯片形成变频空调产品供应市场。不仅芯片的价格和供货受制于外方，而且国内变频空调无法真正实现自主知识产权。这些都在很大程度上限制了国内空调产品的技术更新和发展。

在这种前提下，针对永磁同步电机构成的空调压缩机，开发出了无位置传感器的正弦波变频驱动控制器，性能达到国际同类产品水平，现已成功应用到某型号变频空调中。

     中央空调的PMSM压缩机变频驱动控制器以Freescale16位单片机MC56F8025为主控制芯片，由主供电电路、变频电路板、压缩机和上位机等组成，硬件设计架构如图1所示。

 

        PMSM压缩机变频驱动器硬件架构总体上为典型的交-直-交电力变换电路，虚线框中为变频电路板。三相380V交流输入首先通过滤波板，防止外部高压以及长距离输电线给电路板带来的干扰。经过滤波后的交流电通过三相二极管不可控整流器、启动限流电阻和电容滤波电路输出直流母线电压，作为集成了三相IGBT逆变桥、驱动电路和保护电路的智能功率模块（IPM）的主电源，经单片机空间矢量脉宽调制（SVPWM）后为压缩机输出变压变频（VVVF）的三相交流电压。

      在滤波板后引出了一路单相220V交流电供给开关电源。开关电源为变频电路板提供所需的各路低压直流电源。

      无位置传感器正弦波控制需要知道PMSM的即时电压和电流。因此一方面，使用分压电阻采集直流母线电压，为单片机提供母线电压信号，单片机可以通过采集到的电压信号和当前发出的占空比计算出PMSM输入的实际电压；另一方面，采集逆变桥输出即压缩机输入的两相电流，继而计算出其第三相电流。

      单片机采样电压和电流信号后，由内部无位置传感器正弦波控制算法计算出转子位置和转速，同时接收转速以及控制指令等输入信号，输出三相SVPWM波改变逆变桥IGBT的开关状态，控制压缩机稳定运行。

      在短路或过温事件发生时，IPM模块快速输出足够宽度的低电平故障信号，单片机检测到后立即禁止PWM信号的输出，保护硬件电路不受损坏。

      压缩机作为中央空调室外机的主体，需要与室内机进行通讯，因此单片机在运行主功能的同时，需要处理好与室内机通信的逻辑。

所设计的压缩机变频系统正弦波无位置传感器矢量控制（VC）框图如图2所示。
 

      在图2所示矢量控制框图中，外环为转速环，接收外部转速输入，与估计转速做差后通过PI调节输出 轴电流环给定值。内环为电流环，分别控制d轴和q轴的电流值。d轴电流给定值在压缩机低速下由单位电流最大转矩控制（MTPA）的输出决定。MTPA控制方式可以提高转子磁场利用率，降低压缩机的输入电流，提高压缩机和整机的运行效率；d轴电流给定值在压缩机高速运行时由弱磁控制决定，以提高压缩机转速。

电流环接收经过坐标变换后的压缩机电流信号，通过PI调节器、坐标反变换和SVPWM调制，控制三相逆变桥的状态，输出压缩机需要的三相对称正弦电压。

      控制框图的中间部分是转子磁链估计和锁相环，为无位置传感器正弦波控制算法的核心，通过采集电压、电流信号，计算出PMSM压缩机的转子位置和转速。

      当压缩机达到一定转速时，电压利用率将达到极限，无法再通过提高电压的方式升高转速。此时仿照直流电机弱磁升速的思想，通过比较当前输出相电压与最大电压，增大d轴电流负向分量，减弱转子磁场，达到继续升高转速的目的。

      图3显示了压缩机从停机到进入矢量控制闭环调节的过程。可以看出，压缩机的启动可以分为3个阶段。第一阶段为二次定位，避免了转子磁链与定位电流方向相反时出现的定位失败状况，保证了压缩机始终在某一给定位置正常启动。由于压缩机低速下反电势较低，难以使用反电势法估计转子位置，因此在压缩机定位之后进入带定子压降补偿的开环恒压频比VVVF控制阶段，选取合适的压频比将压缩机转速升高到一定的数值。定位和VVVF控制可以归结为启动部分，为后续闭环矢量控制做好准备。矢量控制包括弱磁点以下调速和弱磁调速两个阶段。

 

      在单片机中，如果工程文件比较大，需要用大量的标志位来嵌套判断当前程序执行的时刻，致使编程效率低，可读性差。利用状态机作为程序实现方式，可以令编程者和代码阅读者能够快速、高效和清晰地把握程序思路。状态机可以由图4所示的状态转移图来描述。

利用状态机在PWM重载中断中实现压缩机正弦波矢量控制算法的程序流程图如图5所示。

 

      图中显示了PWM重载中断的执行流程，实现了上述无位置传感器正弦波矢量控制框架所有的功能。在5kHz的开关频率下，PWM重载中断的周期为200 ，在此期间完成了所有算法的计算和实现。

      利用自主开发的变频压缩机驱动控制器软硬件，在广东美的暖通设备有限公司的中央空调整机试验中取得了令人满意的效果。

      由于使用了MTPA方法和优化了软硬件结构，提高了压缩机的运行效率，在相同工况下，将本文所提方案与国外某公司另一种方案作对比。根据现场采集的压缩机输入相电流波形，绘制电流对比曲线如图6所示。

      由于对比试验中压缩机的输入电压基本一致，且功率因数在0.99以上，因此通过电流对比曲线可以证明本文所用的算法明显优于另一种方案，平均效率有明显提高。

      图7为压缩机在900r/min转速时的相电流波形。图中显示压缩机低速下运行稳定，电流和转速无明显波动，控制性能良好。

      图8显示了压缩机转速在6600r/min的弱磁条件下稳定运行时的相电流波形。图中结果表明，压缩机弱磁时电流较大，但电流和转速仍然保持非常好的稳定性。

 

      从上述结果可以看出，本文所用变频器控制的压缩机在设定速度范围内可以稳定工作，电流波形正弦度好，效率高。压缩机转速稳定，实际运转速度与设定值的最大偏差≤15r/min。控制系统从软硬件方面均达到了设计要求。

      本文描述的PMSM压缩机变频控制器在中央变频空调中运行良好，达到了变频器设计时的节能、降噪、提高控制性能和掌握控制方法等目的。硬件电路经过了各项测试，具有结构简单、控制灵活和可靠性高等特点；软件程序思路明确，算法简单，并用低成本通用单片机实现。本文所提方案不仅在理论上，而且在实际应用中均体现出了良好的控制性能和效果，很好地解决了国内自主知识产权的问题。
 

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