永磁同步电动机在变频空调中的应用.doc

李新华 , 张学杰 , 张 宇( 华中科技大学 , 湖北武汉 430074)The Appl icat ion of Permanent Magnet Synchronous Motor in Varia ble Frequency Air - condit ionersL I X i n - h u a , Z HA N G X ue - j ie , Z HA N G Y u( Huazho ng U niversit y of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China)摘 要 :提出了一种采用永磁同步电动机驱动 、数字信号处理器 、空间磁场定向控制技术和电压空间矢量脉宽调制技 术等开发的变频空调控制系统 ,实现空调的数字化变频调速 。与传统变频空调相比 ,运行性能好 ,效率更高 。关键词 :永磁同步电动机 ; 空间磁场定向控制 ; 数字信号 处理器 ;空间矢量脉宽调制 ;变频调速2 系统控制原理2 . 1 空间磁场定向控制 为了使控制系统具有良好的变频调速性能 , 控制系统采用无位置传感器的空间磁场定向矢量控制 , 系统原 理图如图 1 所示 。该控制思想的核心是利用电压空间矢量脉宽调制技术来确定逆变桥中上桥臂 I GB T 的动作时间 t a 、t b 、t c ,下桥臂与之成互补状 。空间磁场定向控制是 模仿直流电动机的控制方式 , 通过对电磁转矩的实时跟 踪来控制电机转速和定子电流 。中图分类号 :TM341文献标识码 :A文章编号 :1004 - 7018( 2004) 02 - 0023 - 03Abstract : In t he paper , a new co nt rol system is given which is based o n permanent magnet synchro nous motor ( PMSM) ,digi2 tal signal pocessor (DSP) ,space field oriented co nt rol ( SFOC) and space vector p ulse widt h modulatio n ( SV PWM) ,and can achieve digital variable f requency operatio n in t he air - co nditio ner . Co m2 paring wit h t raditio nal variable f requency air - co nditio ner , t he new system enhances operatio ns ,increases efficiency especially.Key words : permanent magnet synchro nous motor ; space vector p ulse widt h modulatio n ; digital signal p rocessor ; space field oriented co nt rol ; variable f requency operatio n1 引 言目前变频空调压缩机大多采用异步电动机驱动 , 而 异步电动机效率低 , 变频控制器比较复杂 。钕铁硼永磁 同步电动机具有力能指标高 、温升低 、起动性能好 、轻载 时效率高等优点 , 是空调器压缩机中异步电动机的理想 替代电机 。研究表明 , 单相永磁同步电动机和三相永磁 同步电动机在额定频率及额定频率以下的起动和运行性 能都比较好 ,而在额定频率以上 ,三相永磁同步电动机的 变频效果要比单相永磁同步电动机好 ,起动时间短 ,同步 后的转速平稳 , 几乎没有什么振荡 ; 采用变频起动 , 起动 频率逐步上升到高频 , 三相永磁同步电动机的起动和运 行性能更好2 。本文提出一种采用三相永磁同步电动机 ( PMSM) 驱 动 、数字信号处理器 ( DSP) 、空间磁场定向控制 ( SFOC) 和 空间矢量脉宽调制 ( SV PWM) 等技术开发的控制系统 ,实 现空调的数字化变频调速 , 以取代传统变频空调控制系 统 。与传统的变频空调器相比 ,它的运行性能好 ,特别是 效率更高 。图 1 控制系统原理图首先要把电机方程中的同步旋转坐标系从三相变换 为两相 ( 简称为 3/ 2 变换) 。3/ 2 变换包括了 Clar ke 变换和 Par k 变换 ,前者是将三相同步旋转坐标系变换到两相 静止坐标系 ,后者则是将两相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系 。Clar ke 和 Par k 变换是空间磁场定向控制 中的主要计算 , 其实现精度的高低及变换速度的快慢直接影响到控制系统的性能 。Clar ke 变换的数学表达式如下 :ii2/ 302/ 3- 1/ 32/ 32/ 31/ 3- 2/ 3iai bic永 磁 同 步 电 动 机 在 变 频 空 调 中 的 应 用=( 1)i 02/ 3式中 、 为空间电流矢量 i s 在 、两相静止坐标系中: i i的两个分量 , i 0 是零轴分量 ( 当电动机定子为 Y 接且无中线时为零) , ia 、i b 、ic 为电动机的三相定子电流 。经过 Clar ke 变换后 ,空间电流矢量 i s 在 、坐标系 中可表达为i + j i( 2)i s =Par k 变换的数学表达式如下i di qcos sin- sin cosii=( 3)收稿日期 :2003 - 03 - 05式中 : i d 、i q 为空间电流矢量 i s 在 d 、q 两相同步旋转坐标系中的两个分量 ,为同步旋转坐标系中 d 轴与轴之间的夹角 。经过 Par k 变换后 ,空间电流矢量 i s 在 d 、q 坐标系中 可表达为式中 : U x 、U y 表示相邻的两个空间矢量 , T x 、T y 表示相邻的这两个空间矢量的作用时间 , T 0 表示零矢量的作用 时间 。以第三扇区为例 , 则有( 4)i s = i d + j i q T 6U 6 cos 30U =T T 4定子电流矢量 i s 分解成两个分量 : 一个分量与电枢磁动势方向重合 ,称为转矩电流分量 i q , 即 q 轴电流分量 ; 另 一个分量与励磁磁场方向重合 , 称为励磁电流分量 i d ,即 d 轴电流分量 。通过控制转矩电流分量和励磁电流分量的相位和幅值大小 , 也就控制了定子电流空间矢量的相 位和幅值大小 , 实现对磁场和转矩的解耦控制 。2 . 2 电压空间矢量脉宽调制在变频调速电气传动中 , 电压空间矢量脉宽调制是 应用最为普遍的一种脉宽调制技术 。它以被控电机的旋 转磁场逼近圆形旋转磁场为控制目标 , 直流电压的利用 率高达 100 % 。而空调高频运行时 , 直流电压降低很多 , 采用SV PWM控制技术 ,就可以最大限度地利用直流电压 。SV PWM 以三相对称正弦波电压供电时交流电机的 理想磁通为基准 , 用逆变器不同的开关模式所产生的实 际磁通去逼近基准圆形磁通 , 并由它们比较结果去决定 逆变器开关状态从而形成 SV PWM 波 。此外 , 通过改变 电压空间矢量的作用方向和作用时间 , 达到使电机定子 磁通空间矢量幅值近似恒定 、顶点沿准圆形轨迹移动 、平 均速度可调的目的 , 实现近似恒磁通变压变频控制 。当 采用电压型逆变器供电时 , 因为 180导电型逆变器正常 工作时其上 、下桥臂的开关在任一时刻都不能同时导通 , 不考虑死区时 , 上 、下桥臂的开关状态是成互补的 , 故可 用三个上桥臂的开关状态来描述逆变器的工作状态 。记 开关开通为 1 ,关断为 0 , 则整个逆变器开关状态有八种 组合 ,即 八 个 基 本 电 压 空 间 矢 量 ( 六 个 有 效 矢 量 U 1 U 6 , 产生输出电压 , 称为工作电压矢量 , 方向如图 2 所示 ;两个零矢量 U 0 、U 7 不产生输出电压 , 称为零电压矢量) 。 这八个矢量将空间分成了六个区域 , 每个区域称为一个 扇区 ( Sector) 。根据矢量合成原理可知 ,在 、坐标系中 的任意一矢量都可以由八个基本矢量中的与这一个矢量 相邻的两个基本矢量来合成 。( 6)UU =U 4 +t g 60T求解此方程就得到了在第三扇区由 U、U 表示的矢量作用时间表达式T( 3 U - 3 U )T 4= 2 U dc( 7)TT 6=3 U dc U其它扇区的求解过程和第三扇区一样 , 这样就可以得到八个基本矢量的作用时间 。由作用时间便可以确定 I G2B T 的动作时间 ,从而产生 PWM 波 。3 系统硬件组成本系 统 由 空 调 压 缩 机 永 磁 三 相 同 步 电 动 机 、以 TMS320L F2407 数字信号处理器为核心的控制电路 、定 子电流检测环节和以智能功率模块 PM20CSJ 060 为主的 逆变电路等构成 , 如图 3 所示 。系统的所有控制和调节 全部由 TMS320L F2407 用软件控制来完成 , 控制电路板 直接输出 SV PWM 信号 , 经光耦隔离接入驱动电路板上 的 IPM 模块 ,驱动 PMSM ,实现对空调的变频控制 。图 3 系统主电路图3 . 1 TMS320L F2407 的特点在数字化矢量控制系统中 ,主要是利用单片机 、通用 DSP 芯片或电机控制专用 DSP 芯片来实现 。本系统中所 采用的 TMS320L F2407 ( 简称 L F2407 ) 芯片是 一 种 专 门 为电机控制而设计的 DSP 芯片 , 它提供了一个可编程的 产品开发 平 台 , 用 户 可 以 基 于 这 个 平 台 开 发 出 交 流 、直 流 、一拖多等空调控制系统 ,并可进一步进行产品的更新 换代 。它 以 1 6 位 定 点 DSP 为 核 心 , 片 内 集 成 了 RAM 、 E2 PROM 、串行通讯口以及适用于电机控制的事件管理 器 和 多 路 A/ D 转 换 器 , 执 行 一 条 指 令 最 快 仅 需 要33ns3 。L F2407 还有外部存储 器 接 口 来 扩 展 存 储 器 容 量 ,CPU 与同系列的 DSP 兼容性能好 。与 F2407 相比 ,它具有体积小 、功能齐全等优点 ,可以使整个控制系统结 构更简单 ,性能价格比更高 。另外 ,高性能的运算能力还可以取代以往昂贵的传感器和外围器件 , 从而降低系统成本 、缩短研发周期 ,采用先进的电机控制算法还可以降 低系统的能耗和噪声等 。的 永 磁 同 步 电 动 机 在 变 频 空 调 中 的 应 用图 2 电压矢量图在一个开关周期 T 内 ,、坐标系中合成矢量 U 的 作用效果和相邻的两个基本矢量分别作用的效果一致 。 因此只要知道了基本矢量的作用时间 T k ( k = 0 7) , 就 可以计算出脉冲宽度 。基本矢量的作用时间计算如下T = T x + T y + T 0( 5)T xT yU = T U x + T U y243 . 2 系统主电路逆变主电路为交 - 直 - 交电压型 , 整流侧为单相二 极管不可控型 。这种方式不仅控制简单 , 而且系统具有 较高的功率因数 。为减小装置体积 ,减少谐波 ,提高电流波形质量 。逆变功率元件采用高开关频率的三菱电机公司第三代智能功率模块 PM20CSJ 060 。该模块为六合一 封装 ,内部为三相桥式电路结构 , 内部集成了高速 、低功 耗的 I GB T 芯片及其驱动 、保护电路 。此外 , 该模块还集成了过热和欠压锁定保护电路 , 使得系统的可靠性得到进一步提高4 。控制电路上的 L F2407 芯片输出的六路 空间矢量信号 SV PWM 经光耦 6N136 实现对 IPM 隔离驱动 ,再将整流滤波后的直流电压逆变为所需的高频交流电驱动永磁空调压缩机 。系统中还有电流检测电路 , 采用霍尔电流传感器检 测永磁电机 A 、C 两相 ,再利用采样电阻和多级运放将电 流信号处理为在 0 5V 间变化的模拟电压信号 , 与集成在 L F2407 内的 A/ D 转换器外引脚相连接 。由于无位置 传感器技术无法知道转子的初始位置 , 永磁电机也只有 在起动后才能工作在无位置传感器状态下 , 所以用光电 式旋转编码器来实现转子初始位置的检测 。其它的保护 电路由 L F2407 的事 件 管 理 器 来 实 现 , 一 旦 系 统 出 现 故 障 ,片内固化的中断程序将自动切断系统的 SV PWM 输 出 ,直到故障消失和系统复位 。4 系统软件设计本文研究的永磁空调系统控制软件全部由 L F2407 完成 ,主要 是 完 成 空 间 磁 场 定 向 控 制 , 产 生 SV PWM 信 号 。控制软件包括初始化程序 、主程序和中断服务子程 序三个部分 。系统在每次复位后 ,首先执行初始化程序 , 完成 DSP 内部设定和初始状态的检测 ,然后开启中断 ,执 行主程序 。一旦外部中断条件满足时 , 系统执行中断服 务子程序 ,直到系统重新复位 。图 4 为 SV PWM 中断服 务子程序框图 。图 4 SV PWM 中断子程序流程图5 结 论本文根据永磁同步电动机矢量控制原理和变频空调 器的要求 ,开发了一套基于 DSP 的全新变频空调控制系 统 。利 用 L F2407 的 六 个 PWM 全 比 较 器 产 生 的 SV P2WM 控制信号就可以实现对永磁同步电动机的变频 控 制 。该空调控制系统充分利用了 L F2407 的超强实时计算能力和一些集成器件 ,使整个系统结构简单 、产品开发周期短 、可靠性强 。参考文献1马瑞卿 ,刘卫国 ,吴斌等. 稀土永磁电机及控制器在压缩机中的应用前景J . 微电机 ,1998 , ( 3) :2428张学杰 ,熊浩 ,李新华. 空调压缩机永磁电机变频调速方案的选 择J . 湖北工学院学报 ,2003 , ( 1) :2428T I 公司. TMS320L F2407 DSP Co nt rollers M . T I Guide Boo k ,2001三菱公司. PM20CSJ 060 M . J a pan : M I TSUB ISHI Guide Boo k ,2000234作者简介 :李新华 ( 1959 - ) , 男 , 教授 , 研究方向 : 稀土电机及其控制 。张学杰 ( 1979 - ) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向 :稀土电机及其控制 。为进一步提高本刊的编辑质量 ,请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码 :有价值 ,请圈 17 ;没有价值 ,请圈 18 。( 上接第 4 页)( 2) 两种控制方法下的电压波形并无明显差别 ,这是 因为电源系统输出电压由主模块电压环控制决定 。( 3) 在 90 %负载下重复该试验 , FU ZZY - P ID 控制系 统的电流和电压波形几乎与图 4b 完全一致 , 而古典 P ID控制系统的电流和电压波形差别