變頻空調(diào)對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

【摘要】對(duì)于變頻空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)PFC的整流環(huán)節(jié)、三相逆變環(huán)節(jié)，采用假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻空調(diào)中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置的估算，可以有效抑制諧波，也能夠確保變頻空調(diào)的運(yùn)行效率。

【關(guān)鍵詞】變頻空調(diào);PMSM驅(qū)動(dòng)控制;無(wú)傳感器;功率因數(shù)校正

1.引言

隨著我國(guó)科技的發(fā)展，變頻控制技術(shù)也得到快速的提升，在變頻空調(diào)中應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅可以提升變頻空調(diào)的性能，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)快速制冷制熱、提高變頻空調(diào)能效、延長(zhǎng)使用壽命優(yōu)勢(shì)，大大提升變頻空調(diào)的運(yùn)行效率。以下介紹在變頻空調(diào)中對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.變頻空調(diào)應(yīng)用PMSM的意義

變頻空調(diào)生產(chǎn)使用中，國(guó)家對(duì)其能效有所限定，不僅要提高對(duì)變頻空調(diào)的整體性能，還應(yīng)該降低變頻空調(diào)的生產(chǎn)成本，使其可以具備低噪音、高效率以及高性能的優(yōu)勢(shì)，而這也漸漸成為當(dāng)前變頻空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。在變頻空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用無(wú)位置傳感器PMSM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，不僅可以提高變頻壓縮機(jī)工作頻率范圍，還可以增大變頻空調(diào)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，確?？照{(diào)在寬溫范圍內(nèi)保持良好的調(diào)節(jié)效果;同時(shí)還可以解決因電網(wǎng)電壓不穩(wěn)而造成的空調(diào)器運(yùn)行不穩(wěn)難題，應(yīng)用空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有效避免頻繁地開(kāi)開(kāi)停停對(duì)空調(diào)壽命的影響，降低耗電量，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能目的。

3.變頻空調(diào)中PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理

3.1 系統(tǒng)組成

圖1 IRMCF343方框圖

變頻空調(diào)室外機(jī)控制系統(tǒng)中，核心驅(qū)動(dòng)IRMCF343有微處理器MCU單元、電機(jī)控制引擎MCE單元、信號(hào)處理引擎ASE單元三部分組成。電機(jī)控制專用引擎MCE集成了豐富的電機(jī)控制外設(shè)，包含有低損耗PWM模塊，單電阻電流采樣，電機(jī)電流重構(gòu)等。將會(huì)基于硬件算法集成，從而控制變頻調(diào)速壓縮機(jī)。IRMCF343是專用高性能馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)，具有低成本、高性能的控制優(yōu)勢(shì)，在IRMCF343中集成無(wú)傳感器永磁馬達(dá)控制的運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）以及8位高速M(fèi)CU（8051），都是該系統(tǒng)中重要的計(jì)算引擎。IRMCF343驅(qū)動(dòng)控制中，通過(guò)將運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）以及MCU（8051）計(jì)算引擎集成到一個(gè)芯片中，并且對(duì)于該MCE中，還將會(huì)包含一系列的控制元素的比例加積分，旋轉(zhuǎn)矢量，角估計(jì)，乘法/除法，低損耗SVPWM。用戶可編程的運(yùn)動(dòng)控制算法，利用圖形編譯連接這些控制因素，提供了完整的預(yù)定義的控制模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。另外還提供了獨(dú)特的模擬/數(shù)字電路和算法完全支持單電阻電流重構(gòu)。8051單片機(jī)采用2個(gè)周期的指令執(zhí)行。MCE與8051單片機(jī)之間通過(guò)雙端口RAM實(shí)現(xiàn)過(guò)程信號(hào)監(jiān)測(cè)和命令輸入。對(duì)于MCE先進(jìn)的編譯器是無(wú)縫集成到Matlab/Simulink環(huán)境，而第三方JTAG仿真器工具便于實(shí)現(xiàn)8051的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)性能介紹

RMCF343驅(qū)動(dòng)控制中，其性能總結(jié)如下：最大的晶體頻率60兆赫，最大內(nèi)部時(shí)鐘（SYSCLK）頻率可以達(dá)到128兆赫，其無(wú)傳感器控制計(jì)算時(shí)間為11秒，MCETM計(jì)算的數(shù)據(jù)范圍為16位，并可以從外部EEPROM中加載程序，其內(nèi)存可以存儲(chǔ)8K字節(jié)的數(shù)據(jù)，PWM載波頻率計(jì)數(shù)器16位/A/D輸入通道，模擬量輸出（PWM）的分辨率為8位，波特率57.6k BPS，I/O的數(shù)量最大23。

3.3 系統(tǒng)原理介紹

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)控制中，其控制引擎是基于硬件永磁交流電機(jī)效率基礎(chǔ)上，通過(guò)正弦無(wú)位置傳感器來(lái)控制計(jì)算的，從而可以方便實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。并且在系統(tǒng)中，還將會(huì)應(yīng)用三/兩相空間矢量P、三通道模擬輸出PWM、以及嵌入式8位高速單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻空調(diào)靈活的I/O配置以及人機(jī)交互控制。如圖2所示便是該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)圖。

圖2 IRMCF343系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)圖

在該系統(tǒng)中，還將會(huì)通過(guò)JTAG編程端口，進(jìn)行仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻空調(diào)的有效控制。用戶通過(guò)該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以調(diào)整和定制每個(gè)應(yīng)用程序，很容易地評(píng)估變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，確保變頻壓縮機(jī)在寬電壓，寬溫區(qū)內(nèi)均可正常運(yùn)行。

4.應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)變頻空調(diào)的影響

應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)控制的變頻壓縮機(jī)，不僅可以提高變頻空調(diào)的性能，降低空調(diào)噪音，同時(shí)也可以提高變頻空調(diào)的使用壽命。

4.1 提高制冷制熱效果，使用更舒適

變頻空調(diào)中應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)房間冷（熱）量的需求智能調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，使室溫可以迅速上升或下降到所調(diào)定的溫度，快速實(shí)現(xiàn)制冷（熱）效果。同時(shí)當(dāng)室溫接近設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)可以保持在低頻運(yùn)行，保持室溫恒定于設(shè)定溫度，因此可以避免因傳統(tǒng)定速空調(diào)的頻繁開(kāi)停而導(dǎo)致的室溫劇烈變化，避免因此而引起的不適。更加省電電力資源。

4.2 降低空調(diào)使用噪音，使用更安靜

變頻壓縮機(jī)的PMSM驅(qū)動(dòng)控制中采用180度正弦波無(wú)位置傳感器電機(jī)矢量控制技術(shù)，通過(guò)速度前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)力矩補(bǔ)償功能，可以有效提高力矩輸出穩(wěn)定性，使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，改善機(jī)械噪音和振動(dòng)。

通過(guò)對(duì)PWM載波頻率、速度環(huán)帶寬、電流環(huán)帶寬、最小脈沖限制等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使輸出的正弦電流波形變得更加平滑，可以有效減少電磁噪音的產(chǎn)生。

4.3 寬電壓寬溫區(qū)控制，應(yīng)用范圍更廣

變頻空調(diào)控制系統(tǒng)選用高精度開(kāi)關(guān)電源和智能PFC控制，可以提高對(duì)供電電壓的適應(yīng)性，變頻空調(diào)可在150V-264V的電壓下進(jìn)行啟動(dòng)。同時(shí)，壓縮機(jī)采用預(yù)加熱技術(shù)，可以降低對(duì)環(huán)境溫度的要求，確保壓縮機(jī)在零下15度時(shí)仍能夠正常啟動(dòng)。另外，在惡劣工況時(shí)，可以通過(guò)試驗(yàn)室驗(yàn)證過(guò)的多項(xiàng)保護(hù)措施提前降頻運(yùn)行，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 減少頻繁開(kāi)啟，提高使用壽命

采用PMSM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)的變頻壓縮機(jī)，可以根據(jù)冷（熱）量的需求隨時(shí)調(diào)節(jié)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，確保壓縮機(jī)不會(huì)頻繁開(kāi)啟，從而延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命，降低壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)對(duì)電網(wǎng)的耗能，節(jié)約能源。

5.結(jié)論

綜上所述，在變頻空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，不僅可以使空調(diào)設(shè)備以最佳性能進(jìn)行工作，還可以提高變頻空調(diào)的工作平穩(wěn)性，降低工作噪聲，因此具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。其次，在變頻空調(diào)中應(yīng)用PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅可以抑制輸入的諧波電流，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流母線電壓，提高對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的控制效益，在變頻空調(diào)生產(chǎn)中值得推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：王新民（1976—），男，山東曹縣人，廣東科龍空調(diào)器有限公司副主任工程師。