基于无位置传感器的永磁电动机在变频空调中应用的研究进展

1、基于无位置传感器的永磁电动机 在变频空调中应用的研究进展 西安交通大学 宋 萍 沈传文 包 涛 摘要 , 、 低速起动技术作 了详尽的论述 ,磁电动机转速控制的策略 。关键词 变频空调 起动技术Ap p li o n of s e ns orl e s s p e r m a n e nt m a g n e t m ot orst o v a ri a bl e 2fre q u e n c y a ir c o n diti o n e rsBy Song P ing , Shen Chuanwen , Bao T ao and Y u Bing fengAbst r a ct Prese

2、nts t he basic t heories of t he variable 2f requency air conditioners a nd p er ma ne nt magnet mot ors. Discusses t he se nsorless and t he low 2speed starting techniques in detail. According t o t he hardware st ructure a nd t he imple ment met hod , analyses t he p olicy of sp eed 2cont rol on t

3、 he per manent magnet mot or applied t o t he variable 2f requency air conditioner comp ressor.Keywor ds se nsorless , per mane nt magnet mot or , variable 2f reque ncy air conditioner , starting technique X i an Jiaotong University , X i an , China0 引言空调系统的制冷循环主要由压缩机 、 冷凝器 、 节流机构和蒸发器来完成 , 压缩机是空调器的核

4、心 部件 。 为了达到空间设定的温度要求 , 适应空调系 统负荷的变化 , 必须保证其驱动装置即电动机高效 稳定的运行 。变频空调器采用变频压缩机 , 这种变频压缩机 通过可变速电动机调节压缩机制冷剂的流量 , 从而 使系统的制冷量随时与房间负荷相匹配 , 提高房间 环境的舒适性并达到节能效果 。现在普遍采用的 是全封闭式压缩机 , 即压缩机与电机共同封装在压 缩机壳体内 。 永磁电动机是利用电子换向装置代 替传统机械换向装置的一种直流电动机 , 作为变频 空调器压缩机的驱动装置 , 完全可以适应全封闭式 空调压缩机内的高温高压环境 , 且不受电源频率的 限制 , 工作转速和压缩机能力都有很大

5、的调节范 围 , 使空调压缩机具备良好的能量调节性能 。 永磁电动机主要由永磁同步电动机本体 、 位置 传感器 、 逆变器组成 。 电路原理如图 1所示 。 它在图 1 永磁电动机电路原理图转子的磁极上安装了永磁体 , 定子槽中缠绕电枢导 线 。 为保证电枢电流产生正确的电磁转矩 , 通过开 关元件控制定子电枢电流的导通顺序和导通时间 , 前提条件是保证转子磁极在任何时刻都使处于其 下的电枢导体产生正确的电磁转矩 。因此稀土永 磁电动机必须正确检测转子磁极的位置 , 以转子磁 宋萍 , 女 ,1977年 6月生 , 在读硕士研究生710049西安交通大学 1616信箱(029 82663937

6、 (0 2mail :spsp9999收稿日期 :20040106修回日期 :20041207极位置信号作为控制定子电枢绕组通电的依据 。 1 技术特点1. 1 无位置传感器技术在永磁电动机调速系统中 , 为了获得最大输出 转矩 , 要保持定子电流垂直于转子磁极 , 这样就需 要知道转子的位置 。 在家用空调中 , 永磁电动机都 处于封闭的空调压缩机中 , 压缩机内的温度超过 120 , 且充满强腐蚀性高压制冷剂 , 无法使用传 感器来检测转子位置 , 因此采用无位置传感器控制一个发展方向分为两大类 :法 1。1. 1. 1 基于各种观测器技术的位置识别方法 常用的观

7、测器有全阶状态观测器 、 自适应观测 器 、 变结构观测器 、 卡尔曼滤波器等 。这种方法动 态性能好 , 稳定性高 , 参数鲁棒性强 ; 缺点是在低速 段调速效果不是很理想 , 而且算法复杂 , 计算量很 大 。 但近年来随着微处理器的发展 , 各种高速数字 信号处理器相对相位又与转子位置估计误差成正 比 , 因此通过使相位相差为零就可以使转子位置估 计无误差 。 为了使相位相差为零 , 引入了一种锁相 环 (PLL 技术 。 在锁相环中 , 谐波反应功率被转换 为数字脉冲 , 这样就可以去除 d 轴和 q 轴电感以及 与转子转速有关的幅度信息而只保留相对相位信 息 。 因此 , 这种方法几

8、乎不受任何电动机参数和工 作环境的影响 , 具有很好的鲁棒性 25。S. Bolognani 等人提出了扩展卡尔曼滤波器 用于永磁同步电动机的无传感器控制 5。他改进 了传统的试错法 , 代之以直接选择协方差矩阵 。 主 要特征是将归一化的受控系统模型和 E KF 算法结 合起来 , 这样做的好处是得到了一个归一化的协方 差矩阵 , 可以满足大多数永磁同步电动机控制的要 求 , 避免了传统试错法的缺点 。卡尔曼滤波器应用于电动机无传感器调速系 统 , 对永磁电动机的转角转速进行实时在线最优估 计 , 在调速过程中利用电动机的反电势推算出实际 转速与转角 , 不断地修正估计出转速与转角 。 对于

9、 具有随机干扰的非线性系统 , 卡尔曼滤波器是最优 的递推估计器 , 文献 6以 2坐标系下的定子电 流 i , i , 转子角速度 和位置 作为状态变量 , 建 立系统的扩展状态方程 , 这样电流的导数与电流 、 电压呈线性关系 。 它采用了特殊的算法 , 并将舍入 误差和截断误差也计入到系统噪声 , 该算法可用于 位置和速度的实时估计 。扩展卡尔曼滤波器方法 一般计算量大 , 对系统参数敏感以及需要初始位置 信息 , 这些缺点阻碍了它的实际应用 。1. 1. 2方法, 也是传感元件 , 电 、 。 这种技术的关键是如何根据测量得 到的电动机电流 、 电压信息估计电动机转速 、 转子 位置

10、。 这类方法可以通过计算同步电动机定子磁 链空间矢量来估计电动机转子空间位置 , 也可以通 过计算同步电动机的随转子位置变化的相电感来 估计转子位置 , 或者通过检测电枢绕组反电势过零 点的位置估计转子位置 79。反电势过零点检测法是目前技术最成熟 , 实现 最简单 , 应用最广泛的转子位置检测方法 。 通常无 位置传感器永磁电动机利用反电势法来判断转子 位置 。 无位置传感器永磁电动机中逆变器功率管 的切换是根据转子位置的变化来确定的 。正确检 测转子的位置是永磁电动机能够自同步运行 , 保证 高效率大功率地带动空调器压缩机正常运转的前 提条件 。其原理为 :在永磁电动机稳态运行时 , 忽

11、略电枢反应的前提下 , 通过检测未通电相反电动势 的过零点来获得转子的位置信号 , 从而控制绕组电 流的切换 , 保持定子电流和反电势在相位上的严格 同步 , 实现电动机的运转 。 当某相绕组中的反电势 过零时 , 转子直轴与该相绕组轴线重合 。 所以说转 子位置可以用定子绕组中的反电势波形检测出来 。 1. 2 起动技术三段式起动技术 :当永磁电动机在静止和低速 时反电势为零或很小 , 无法用来判断转子位置 , 因此 运用三段式起动技术进行永磁电动机起动。 反电势 法需要特殊起动技术 , 通常按他控式同步电动机的 运行状态从静止开始加速 , 直至转速足够大 , 再切换 到永磁电动机运行方式

12、, 包括转子定位、 加速和切换 三个阶段。 这种起动技术的优点是能解决电动机在 用反电势检测位置信号时低速起动的缺陷。硬件起动电路 :文献 10提出了这种起动电 路 , 电路原理如图 2所示 。电路通电后 , 电容两端 图 2 硬件起动电路的电压 U c 加到压控振荡器的输入端 , 通过分频器电路上 , 控制绕组的导通 ,(脉宽调制 导通的脉冲宽度 。 U c 的上升 , 加到绕组 上的电压与频率逐渐上升 , 驱动电动机运行 。 这种 起动方式的缺点是加大了电动机的尺寸 , 电动机的 可靠性也有所降低 , 对于较多应用于微型电动机中 的无刷直流电动机是个不小的障碍 。升频升压同步起动方式 :采

13、用升频升压同步起 动方式 , 保证带一定负载时可靠起动 , 对切换时间 没有严格要求 , 当电动机转速达到一定数值后 , 经 逻辑电路将电动机切换到无刷直流电动机运行状 态 。 由数字信号处理器 DSP 产生 PWM 波形控制 逆变器 , 使逆变器的换向频率逐渐增加 , 而且给无 刷直流电动机的定子电压也逐步升高 。同时将 PWM 波形的参数送入比较器进行比较 , 当 PWM 的占空比达到一定数值 , 电动机转速达到一定速度 以后 , 就可以获得足够大的反电动势 1011。 定位起动 :即预先对 A 相绕组通直流电 , 使电 动机转子定位于磁极中心线与 A 相绕组轴线重合 的位置 , 再对 B

14、 相绕组通电 , 转子磁极中心线将从 A 相绕组轴线向 B 相绕组轴线位置转动 , 在这个 过程中定子绕组中感应出电势 , 选择合适的切换时 机使电路转换到电势换相工作状态 , 即实现了电动 机的起动 11。 文献 12采用了这种起动方法 。该 起动方式的缺点是对切换时间要求较严 , 一般适用 于电动机空载起动 。当电动机惯量不同或带一定 负载起动时 , 切换时间需要调整 , 否则可能造成起 动失败或电动机反转现象 。无位置传感器永磁电动机在低速时的起动是 转速控制中的另一个关键问题 。迄今为止除了以 上起动方法外 , 仍有很多研究成果 。 文献 1314 提出了电流注入法 , 即先给静止的定

15、子绕组注入幅 值恒定的高频正弦测试电流 , 测算出定子的电压 。 由于电压向量在空间上呈椭圆形分布 , 其短轴即为 实际转子的位置 , 因此观察电压的幅值即可检测出 转子位置 , 这种方法适合于任何负载条件 。文献 15提出了一种检测无位置传感器开关磁阻电动 , 能够实现转 。文献 16提出 , 但对于 , 适用于固定负载的 17提出了固定换向频率 , 边加大作为 功率器件的触发信号的 PWM 信号的占空比 , 边用 反电势检测位置信号的方法 。该方法具有很好的 抗干扰性 , 在轻负载条件下取得了良好的效果 。 2 空调器压缩机中永磁电动机的转速控制现代家用空调系统由三部分组成 :遥控器 、

16、室 内机 、 室外机 , 是一个多 CPU 结构的控制系统 。 室外机是完成对压缩机变速控制的关键部分 。空 调器是个多输入多输出参数的控制系统 , 空调器的 控制器也可作为永磁电动机的控制器核心 , 既实现 了电动机控制器与空调器控制器的机电一体化 , 又 提高了单片机资源利用效率 。图 3是以室内机 CPU 控制 、 室外机 CPU 控制为核心 , 永磁电动机 为主体的变频空调的永磁电动机控制系统原理图 。图 3 变频空调的永磁电动机控制系统电路图2. 1 主电路主电路即功率电路是典型的 PWM 变频器 , 由 整流电路和逆变器两部分组成 。直流电源经过单 相全桥整流后 , 通过滤波电路形

17、成电压值恒定的直 流电压源 。 逆变器采用等宽度脉宽调制 , 实现永磁 电动机的合理换向和电压调整 , 进而对电动机进行 速度调节 。 通过逆变器出来的端电压信号既包含 反电势信号又有斩波信号 , 并不是完全的梯形波 , 总有些毛刺和谐波干扰 。其中反电势信号的波形直接决定转子位置信号 , 而斩波信号则严重干扰反 电势波形 , 致使电压过零点不明确 , 无法检测到电 动机转子的位置 , 因此必须将频率不同的端电压信 号输入低通滤波器进行低通滤波 , 实现相位补偿 。 这样就得到了三相反电势信号即转子位置信号 。 2. 2 控制电路控制电路由室内机 、 室外机 、 隔离驱动电路组 成 。 与 C

18、PU 相连的各种控制既是变频空调要求 完成的 , 同时又是永磁电动机所要求的各种功能 。 室外机的工作是 :控制压缩机转速 ;转速 ; 以速度和室外换热器温度为依据 ,剂流量 ;控制或限速控制 。 :转速 ; 。 室外机通过隔离驱动电路为逆变器的功率开 关管提供电动机选通信号 , 对电动机实行运转停机 控制 。 根据空调器设定的频率要求和室外机接收 到的位置检测信号 ,CPU 进行性能参数检测 , 根据 参数变化情况确定整机工作状态 , 产生相应的 PWM 控制信号 , 对逆变器模块中的功率管进行有 序的切换 , 对压缩机的永磁电动机进行变速控制和 电子膨胀阀的控制 , 使空调器压缩机能够平稳

19、运 转 。 当空调器工作在制冷 、 制热 、 除霜 、 除湿等状态 时 , 负载差异大 , 工作电流波动大 , 故需过流检测电 路对工作电流加以限制 , 以防止压缩机过载运行 。 3 结论永磁电动机用反电势检测转子的位置信号是迄 今为止最普遍最常用的一种无位置检测技术 , 但它 在低速或者零起动的条件下却无法完成这种检测。 因此三段式起动技术能够很好地使永磁电动机的转 速逐渐增大 , 使转子信号的检测工作顺利完成。 同 时在低速或零起动状态下也可应用卡尔曼滤波器进 行转子位置检测 , 它具有很广泛的应用性。参考文献1 文永明 , 沈传文 , 苏彦民 . 基于无位置传感器的永磁电 机控制技术综述

20、 . 微电机 ,2002(6 :32362 Zhu Guchuan , Kaddouri Azeddine , Dessaint Louis A , et al. A nonlinear state observer for the sensorless control of a permanent 2magnet AC machine. IEEE Trans , 2001, 48(6 :109811083 Y oon 2seok Han , Y oung 2seok K im. The speed and position sensorless control of PMSM using t

21、he sliding mode observer with the estimator of stator resistance. In :Proceedings of the IEEE Region 10Conference ,1999(2 . 147914824 Tong Liu , Elbuluk M , Husain I. Sensorless adaptive neural network control of permanent magnet synchronous motors. International Conference IEMD 99, 1999. 2872895 Bo

22、lognani S , Tubiana L , Zigliotto M. Extended Kalman filter tuning in sensorless PMSM drives. In : Proceedings of the Conversion Conference , 2002(1 . 2766T , and implementation of for the speed and rotor of brushless DC motor. IEEE Ind Electron , 2001, 48(1 :10651073 7 Shin Nakashima , Yuya Inagaki

23、 , Ichiro Miki. Sensorless initial rotor position estimation of surface permanent 2magnet synchronous motor. IEEE Trans Ind Applicat , 2000, 36(6 :159816038 Toshihiko Noguchi , Kimihiro Takehana , Seiji K ondo. Mechanical 2sensorless robust control of permanent 2 magnet synchronous motor using phase

24、 information of harmonic reactive power. IEEE Trans Ind Applicat , 2001, 37(6 :178617929 Alfio Consoli , G iuseppe Scarcella , Antonio Testa. Industry application of zero 2speed sensorless control techniques for PM synchronous motors. IEEE Trans Ind Applicat , 2001, 37(2 :51352010 王冉冉 , 刘玉庆 . 无位置传感器无刷直流电机起动的比 较与研究 . 微电机 ,2003(1 :293011 邹继斌 , 张豫 , 李宗政 , 等 . 无位置传感器无刷直流电机 驱动电路的研究 . 微电机 ,1999(2 :161812 Implem