高效直流电机的应用控制技术

高效直流无刷电机控制技术简介

家电智能与节能技术研究所变频技术研究室2009-06目录1.直流无刷永磁电机的根本知识2.电机控制技术的开展3.永磁直流无刷电机控制技术4.变频技术应用5.空调市场状况6.鸣谢直流变频控制技术简介1.1常规直流电机的原理

1.直流无刷永磁电机的根本知识1.2直流无刷永磁电机的原理

1.直流无刷永磁电机的根本知识1.3直流无刷永磁电机转子永磁体嵌入的形式

1.直流无刷永磁电机的根本知识1.3直流无刷永磁电机转子永磁体嵌入的形式

1.直流无刷永磁电机的根本知识1.3定子的旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZo1.直流无刷永磁电机的根本知识

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

1.3三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600o1.直流无刷永磁电机的根本知识工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ1.直流无刷永磁电机的根本知识1.直流无刷永磁电机的根本知识1.3电机磁场参考系

2.1交流电机的控制技术控制技术开展的三个阶段2.2直流电机及控制技术2.电机控制技术的开展2.1.1第一阶段： 二十世纪八十年代初日本学者提出了根本磁通轨迹的电压空间矢量〔或称磁通轨迹法〕。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。2.电机控制技术的开展2.1.1第一阶段：电压空间矢量2.电机控制技术的开展2.1.1第一阶段的延续开展： 引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差2.电机控制技术的开展2.1.1第一阶段的延续开展： 基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反响控制来消除低速时定子电阻对性能影响。2.电机控制技术的开展2.1.1第一阶段的延续开展： 将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。2.电机控制技术的开展2.1.2第二阶段： 矢量控制，也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。2.电机控制技术的开展2.1.2矢量控制原理

将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按定子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1。其中Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。2.电机控制技术的开展2.1.2矢量控制原理克拉克变换〔CLARKE〕：

帕克(PARK)变换：2.电机控制技术的开展2.电机控制技术的开展2.1.2第二阶段：矢量控制系统框图

2.电机控制技术的开展2.1.2第二阶段：矢量控制系统框图

2.1.2矢量控制的难点 由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以到达理想分析的结果,这是矢量控制技术在实践上的缺乏。2.电机控制技术的开展2.1.2矢量控制的关键点必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便，近年开展出无传感器算法，为矢量控制扩展了应用范围。高速DSP运算的能力。2.电机控制技术的开展2.1.3第三阶段： 1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论〔DirectTorqueControl简称DTC〕。2.电机控制技术的开展直接转矩控制原理 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。2.电机控制技术的开展直接转矩控制的优越性： 转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。2.电机控制技术的开展直接转矩控制算法 依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别〔ID)，通过ID运行，自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。2.电机控制技术的开展直接转矩控制算法

2.电机控制技术的开展直接转矩控制算法

2.电机控制技术的开展对于永磁直流无刷电机来说，转子磁通的位置与转子机械位置相同，通过检测和估计转子实际位置就可以得到转子磁通位置。可见，PMSM矢量变换控制的实质就是对定子电流空间矢量的控制。将该定子电流在坐标上分解成互相垂直，彼此独立的矢量id〔励磁电流分量〕和iq〔转矩电流分量〕。当永磁体转子确定之后，电机的转矩就可以通过id和iq来调节，这就变得和普通的直流有刷电机一样易于控制了。但由于该算法涉及到坐标转换和逆变换、PI调解、转速和位置估计以及SVPWM等诸多模块，软件设计上有较大的难度，对微处理器件、开发人员及开发周期都要求较高。2.电机控制技术的开展2.2直流无刷电机及控制技术永磁直流电机交流感应电机2.2永磁直流无刷电机2.电机控制技术的开展由于电机的效率的提高，因此，采用永磁直流无刷电机替代常规电机，必将带来节能20%以上的节能、减排效果，为器具能效的提高，起到直接的作用。2.2.1永磁直流无刷电机的效率2.电机控制技术的开展 铁氧体 分布卷永磁直流电机 稀土类〔压缩机〕 铁氧体 集中卷 稀土类2.电机控制技术的开展2.2.2采用永磁直流无刷电机的直流变频压缩机集中卷分布卷2.2.2采用永磁直流无刷电机的直流变频压缩机

１０７分布卷集中卷转速(s-1)综合效率〔％〕综合效率比较分布卷集中卷１３２◆线圈阻抗小◆用线少，重量轻◆高度降低◆效率更高◆结构紧凑◆低本钱2.2.2采用永磁直流无刷电机的直流变频压缩机国家大力推广采用稀土元素的永磁直流无刷电机，成立了国家实验室与示范工厂。日本采用高效直流无刷电机的直流变频空调占了日本空调产量的95%。家用电器的能效水平的要求，促进了电机型家用电器采用直流无刷电机的需求。2.3永磁直流无刷电机国内外开展趋势3.1120度驱动BLDC特点每一相的导通角度是120度；在每一相的导通时间内是使用PWM信号来调制的；有传感器〔霍尔〕和无传感器〔反电动势BEMF〕是两种不同的转子位置反响方式。检测到转子的位置目的是为了实现换相。3.直流无刷电机控制重点3.直流无刷电机控制重点3.1120度驱动BLDC波形3.直流无刷电机控制重点反电动势过零点超前于实际换相点30°一个电周期内，任一相反电动势有两次过零检测反电动势过零点等效于检测实际换相点〔霍尔位置传感器〕反电动势检测可以简化为反电动势过零检测3.1120度驱动BLDC反电动势特点3.直流无刷电机控制重点3.1120度驱动BLDC过零检测3.直流无刷电机控制重点3.1120度驱动BLDC电流波形3.直流无刷电机控制重点3.1120度驱动BLDC电压波形180度正弦波每一相的导通角为180度；输出的信号为正弦波；无传感器：从电流信号中检测出转子位置信息。3.直流无刷电机控制重点3.2180度驱动

特点3.直流无刷电机控制重点3.2180度驱动函数模型对电流分解有鼓励电流〔D轴〕和转矩电流〔Q轴〕D轴：一般为永磁体磁场方向；Q轴：电枢电流方向，滞后D轴90度。3.直流无刷电机控制重点3.2180度驱动参数分解3.直流无刷电机控制重点3.2180度驱动电流变换三相异步机变换方程3.直流无刷电机控制重点T1=TPWMxaxsin(π/3-θ)T2=TPWMxaxsin(θ)T0=1/2x(TPWM–T1-T2)3.2180度驱动矢量控制3.直流无刷电机控制重点3.2180度驱动电压合成１２０°方波2相通电方式１８０°正弦波３相通电方式端子电压线圈电流６０°１２０°６０°１２０°６０°

空闲区

通电区感应电压基准电压方波电流正弦波电压正弦波电流

检测位置3.直流无刷电机控制重点3.3比较

１２０°方波２相通电方式１８０°正弦波３相通电方式含谐波较多→噪声大、振动大相位控制容易→最优控制容易最高运行转速低→转速范围窄含谐波较少→效率高含谐波较少→噪声小、振动小相位控制难→最优控制难最高运行转速高→转速范围宽电路构成简单→本钱低不必要高速运算→本钱低软件控制简单→本钱低电路构成复杂→本钱高需要高速运算→本钱高软件控制很复杂→本钱高含谐波较多→效率低电机

性能变频器式样3.直流无刷电机控制重点4.变频技术应用随着各种复杂控制技术在变频器中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广；目前变频器不但在传统的电力拖动系统中普遍应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。节能、环保舒适－快速制冷、升温－控温精度高－噪声低4.1变频空调优点4.2变频空调分类 交流变频空调变频空调 方波 直流变频空调 〔直流无刷BLDC〕 〔全直流〕 正弦波 4.3直流、交流变频及定频特点内容定频空调交流变频空调直流变频空调能效2.83.23.6控温精度1.510.5输出能力3500W或0W不可调1500W～4200W连续可调1200W～4600W连续可调低温制热能力（-10度）2600W3500W3800W运行状态开停运行连续运行连续运行技术含量简单高很高空调使用舒适度一般好好设计成本低高20%高25%可靠性高有提高的空间有提高的空间环保一般一般较好使用410A制冷剂4.4定频、变频空调电器控制技术要求4.变频技术应用4.4定频、变频空调电器控制技术要求项目定频空调交流变频空调直流变频空调主控芯片8位24路I/O8、16位50路I/O16、32位50路I/O遥控芯片4位4、8位4、8位软件简单复杂很复杂压缩机定速单相或三相交流变频三相交流变频三相直流无刷传感器精度一般精度高精度高推动电路继电器或接触器IPMIPM整流电路无有见附图1有见附图1EMC电路无有见附图2有见附图2PFC电路无有有4.4直流变频空调压缩机驱动原理4.变频技术应用4.4直流变频空调压缩机驱动原理4.变频技术应用图1－整流电路图2－EMC电路4.变频技术应用4.4直流变频空调压缩机驱动原理关键器件依赖进口 －MCU微处理器：16位、32位 －IPM模块：15A～50A

－PFC模块：15A～50A4.5变频控制器关键器件4.变频技术应用变频控制芯片要求遥控器芯片4位、8位工作频率： <=4MHzRAM： <256ROM： 4~8KLCD驱动： 64～128段A/D： 1路4.变频技术应用室内控制芯片8位、16位工作频率： >=4MHzRAM： >=256ROM： >=8KI/O： >=25LCD驱动： 64～128段或LED驱动4.变频技术应用变频控制芯片要求室内控制芯片A/D： >=2路PWM输出： 6路〔变频、风机控制〕UART： 1路高级语言支持4.变频技术应用变频控制芯片要求室外控制芯片16位、32位指令系统： CISC、RISC工作频率： >16MHzRAM： >1kROM： >64K FLASHI/O: >454.变频技术应用变频控制芯片要求室外控制芯片A/D： 连续比较形式，10-Bit， >8-CHPWM输出： >＝1个6路/2个6路定时器： 7，16位UART： >1支持高级语言变频控制芯片要求4.变频技术应用室外控制芯片可以自由设定的上/下计时的定时器：用于设定载波至少六路计数比较器输出：用于产生驱动波形波形捕捉输入：用于捕捉电机传感器信号PPG波形发生器：用于产生可调占空比的脉宽信号4.变频技术应用变频控制芯片要求室外控制芯片高速的AD采样：用于采集必要的电压电流信号死区时间发生器：用于自动产生死区时间紧急停止输入：用于在异常错误时自动紧急停止变频控制芯片要求4.变频技术应用室外控制芯片〔正弦波控制的BLDC〕指令执行速度：一个周期一条指令32带符号乘法：5个周期A/D转换时间：1.2us，33MHz时4.变频技术应用变频控制芯片要求4.5.2IPM模块IGBT结构UVWDriveCircuit

MFWDIGBTP-sideACN-side4.5.2IPM模块IGBT结构M+

过压检测

驱动电路过流检测

欠压检测控制电源Integratecontrolcircuitintoapowerinvertercircuittoprovidedrive,detectandprotectionfunctions.PowerStageControlStageIntelligentPowerModule-4.5.2IPM〔智能功率模块〕IPM智能模块内部集成了六个带续流二极管的IGBT。从内部结构可以看出，上桥臂的三个IGBT分别由各自的电源供电，分别有三组结构相同的输入，每一组包括电源输入端、驱动输入端、接地端。下桥臂的三个IGBT由同一个电源供电，电路有电源输入端、三个驱动输入端、接地端。FO管脚的作用是保护电路动作时下桥臂警报输出。4.5.2IPM〔智能功率模块〕特点IPM由高速低功耗的IGBT管芯和优化的栅极驱动电路以及快速保护电路组成。即模块内部不仅把IGBT功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过电流和过热等故障检测电路，即使发生负载短路或过热事故，也可以保护IPM不受损坏。4.5.2IPM〔智能功率模块〕特点无光耦隔离驱动4.5.2IPM〔智能功率模块〕驱动Ver.3SIP:3A/600VMini:5～15A/600VLarge:20～50A/600V4.5.2IPM〔智能功率模块〕图片4.5.3PFC〔功率因数调整〕整流器和输入电容器使电源产生短脉冲(而不是纯粹弦波)的输入电流。仅当输入电压接近其峰值时，电容器才会充电，此时它会产生顶峰值电流。桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，网侧的功率因数不高。影响电能的利用效率。PFC方案完全不同于传统的"功率因数补偿"，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC线路电流