變頻器轉子位置檢測問題的探討

李美英+屈栓柱

摘 要 目前，矢量變頻技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上，并且變頻技術所應用到的行業越來越廣泛，和能源相關的行業都能用到，如：生活中空調，冰箱，洗衣機等，工業中的起重機等。文章主要闡述了變頻技術在空調領域的應用中轉子位置檢測的一些問題。

關鍵詞 變頻；位置檢測；失步；續流

中圖分類號：TN773 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0082-03

1 概述

目前，國內家電行業主要通過研發新方法、新技術來降低能耗。在空調領域，目前國內外都推出了變頻技術，即通過控制信號控制周期的變化，實現壓縮機的轉動頻率的變化。變頻控制主芯片發出PWM波來控制壓縮機的轉速，在正常運轉階段，INV板通過檢測壓機轉子的位置信號進行PWM控制。如果轉子的速度比目標指令快，就要減小占空比，以減小壓機的扭矩；相反要增加占空比增大扭矩。速度的計算正式通過位置檢測來實現的。變頻控制方法又分為120度變頻（方波變頻）和180度變頻（全波變頻）。本文主要討論的是120度變頻控制方法，這種方法相對于180度變頻控制方法而言更易于實現，在現階段也是相對成熟的方法技術，不管是在硬件設計還是在軟件程序控制上，都相對容易很多，因此，被眾多廠家推廣使用。

2 轉子位置檢測原理

2.1 位置檢測回路介紹

120度控制方法中，經常使用的是反電動勢法進行位置檢測。通過檢測UVW端子的電壓和反電動勢來實現。位置檢測可以三路分開檢測，也可以三路并為一路進行檢測。

三路位置信號檢測比較直觀，噪聲的干擾相對較小，但是其硬件外圍回路比較復雜，相應的會提高硬件制作的成本。特別是在壓機規格比較大的情況下，需要進行強/弱電的隔離，要使用快速光耦和相應的附加回路。

一路位置信號檢測簡化了硬件回路的復雜度，降低了成本。但是對硬件回路中的慮波和軟件中的判斷精度提高了要求。因一路的位置信號結合了三個端子的信號及噪聲，而正常調制相對檢測反電動勢相產生的干擾也疊加在一起了。所以要盡量去掉端子電壓之間的互擾，這對硬件設計提出了更高的要求。涉及到一些參數選擇的問題要同時試驗來確定。

2.2 三路位置檢測原理

三路位置檢測回路，檢測示意圖如圖1。位置檢測是通過三路分別實現的，每一路對應檢測相應的端子電壓分別進行檢測，比較器的負輸入端接基準電壓，正輸入端接端子電壓。不同時刻根據不同相的端子電壓進行位置判斷。

其中，負相輸入端的電壓為：V-=Vdc*（4.7//4.7）/360+（4.7//4.7）+4.7//4.7=Vdc*2.35/364.7

正相輸入端的電壓為：V+=Vu*4.7/360+4.7=Vu*4.7/364.7

因為在不導通的期間內，端子電壓是漸變的正弦波。在正弦波的上升沿或下降沿來檢測位置信號，例如在檢測U相的位置信號時，當U相端子的電壓等于Vdc/2時，V-和V+的輸入電壓相等，如果反電動勢是由大變小的，那么檢測到的即是下降沿；相反，為上升沿。示意圖見圖2。

2.3 一路位置檢測原理

根據一路位置信號檢測的原理圖（如圖3），可以推導出：若P、N之間的電壓為540 V，IPM導通的兩相為U+、V-，也就是說U相端子接540 V（P），V相端子接地（N），W相的反電動勢待檢測。比較器負輸入端子的電壓為：

V-=540 V*（4.7+4.7//4.7）/（660+4.7+4.7//4.7） ≈5.707218 V

比較器正輸入端回路可以等效為圖4所示。

可以推算出：

V+=V++V+”

=（UPN+UWN）*（4.7/a）*[a//660//660]/[ （a//660//660）+660]

≈ （UPN+UWN）*4.7/7.05*6.9025367/666.9025367

≈ （UPN+UWN）*0.0069

≈3.72605+UWN*0.0069

圖1 三路位置信號檢測回路（不帶隔離回路）

圖2 控制信號與端子電壓的關系（三路位置信號檢測）

其中：a=4.7+4.7//4.7=7.05；UPN=540 V

V+-V-=3.72605+UWN*0.0069-5.707218≈UWN*0.0069-1.9811665

即當W相的端子電壓=1.9811665/0.0069≈287 V的時候可以檢測到正確的位置信號。但是在計算過程中可以發現，V+的輸入端并非嚴格的4.7K和7.05K的分壓，還存在與之并聯的其他兩項的分壓電阻，雖然阻值都很大，但是在比較精確的位置信號檢測的過程中還是存在很大的偏差，容易造成60度時間的不平衡，引起壓機的振動。

值得注意的是慮波電容的選擇，試驗證實，在位置信號檢測回路上的分壓電阻兩端要添加慮波電容，但是由于位置信號是快速信號，所以容值會對檢測結果產生很大的影響。如果三路位置信號檢測電路采用的是102的電容，則一路位置信號檢測電路中，因涉及到光耦隔離等影響，采用同樣規格的電容會把比較小的位置信號慮除掉，所以把電容調整為471左右。同樣，芯片端口的慮波電容也要進行相應的調整。

圖3 一路位置信號檢測回路（帶隔離回路）

圖4 一路位置信號檢測的端子電壓等效電路

圖5 控制信號與端子電壓的關系（一路位置信號檢測）

圖6 控制信號（淡藍），檢測到的電流（綠）和位置檢測信號（紫）

3 高速運轉中的位置檢測

3.1 高頻失步問題

壓縮機高頻運行的過程中，由于負載大，導致功率大，從而電流大。控制信號進行換相控制的時候，馬達線圈上的電流不會瞬間消失，而IGBT已經不存在相應的導通回路，這時，只能通過續流二極管來消耗剩余的能量。負載越大則電流越大，剩余的能量就越多，續流的時間也就越長。使用6極馬達，在高頻的情況下，60度的時間比較短，例如在120 Hz運轉的情況下：endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一個載波周期為240 us，則60度電氣角度內的載波個數為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內只有不到2個的載波。位置檢測的屏蔽角度為45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而實際測試的續流時間最長可達360 us，也就是說，會有13 us左右的時間進入有效的位置信號的檢測區，而續流引起的信號，與要檢測的位置信號一致，這樣就誤檢測到了位置信號。因為錯誤的位置信號比正確的位置信號是超前的，所以程序計算出的速度也會增大，同時45度屏蔽角度對應的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續檢測到錯誤的位置信號。當然，程序中得出的錯誤的檢測速度比目標速度大的時候，就會減小占空比，從而使電流減小，但是，由于屏蔽時間太短，所以仍然會檢測到錯誤的位置信號。如圖6所示。

3.2 續流的產生

續流現象又是如何產生的呢？我們聯系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導通V-調制向U+調制W-導通切換為例。

3.2.1 U+導通，V-調制

此時電流的流向如圖7中虛線線條所示，即電流從電容的正極流過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和V相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導通，V-調制電流方向

3.2.2 U+調制，W-導通

檢測到位置信號切換之后，U+調制，W-導通，電流的流向如圖8中藍色線條所示，即電流從電容的正極流出，經過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT流回電容的負極。同時，馬達線圈V相上的剩余能量通過續流二極管釋放出去，電流的流向如圖8中紅色線條所示，即電流從馬達的V相線圈流出，經過V相正橋臂的續流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導通，W-調制電流及續流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續流現象是客觀存在的，而且馬達的能力要求也決定了一定會流過比較大的電流，所以目前為止都無法從硬件上來解決這一問題。只能通過增加前面所述的屏蔽時間（如：屏蔽時間由原來的45度電氣角度改換為55度電氣角度）來減小檢測錯誤信號的可能性，但是這樣做的結果也減小了檢測正確位置信號的時間，這時必須考慮到減小檢測時間對位置檢測及增速造成的影響。

對于位置檢測，因為高頻下的占空比很大，基本上達到了最大值98%（2%的時間是避免IPM上下橋臂同時導通的時間），而位置信號的檢測是在導通的時間內進行檢測，所以很容易檢測到位置信號。

同樣，對于增速的影響也可以根據上面的位置信號進行計算的，因為可以及時檢測到位置信號，所以可以實現增速的要求。例如在55度時進行位置檢測，則增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是說速度為100 Hz時可以檢測到109hz（100×12/11）的速度，速度的計算是200 ms計算一次，則1s內的增速量為100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以適應增速的要求。

如果把調制階段的關斷時間也考慮在內，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數據）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關斷期間為（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度電氣角度的時間為1000000/100/18=555.55（us），關斷時間所占60度的角度為11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信號的有效檢測時間為5°el，所以至少存在的增速率為{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz時1 s內檢測到的速度可以達到100×1.38=138 Hz，完全滿足1 Hz/s的增速要求，同時也為負載急劇變化留下了的空間。

4 結束語

對于不同硬件回路的位置檢測，需要考慮的影響因素有所不同。即使是相同位置檢測回路，考慮到負載、元器件參數、轉速等因素的影響，也要通過實際驗證才能確定每個步驟的參數，以及參數調整所帶來的影響。無論前期設計還是后期試驗的過程，都會遇到很多問題，要從多方面、多角度的進行分析，從而探求解決問題的最佳方案。

參考文獻

[1]王鵬英.新編空氣調節[M].上海：上海工程技術大學機械工程學院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調節工程[M].北京：科學出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調與制冷技術手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

作者簡介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程師，主要從事儀器設備維修、維護及數據處理等工作。endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一個載波周期為240 us，則60度電氣角度內的載波個數為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內只有不到2個的載波。位置檢測的屏蔽角度為45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而實際測試的續流時間最長可達360 us，也就是說，會有13 us左右的時間進入有效的位置信號的檢測區，而續流引起的信號，與要檢測的位置信號一致，這樣就誤檢測到了位置信號。因為錯誤的位置信號比正確的位置信號是超前的，所以程序計算出的速度也會增大，同時45度屏蔽角度對應的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續檢測到錯誤的位置信號。當然，程序中得出的錯誤的檢測速度比目標速度大的時候，就會減小占空比，從而使電流減小，但是，由于屏蔽時間太短，所以仍然會檢測到錯誤的位置信號。如圖6所示。

3.2 續流的產生

續流現象又是如何產生的呢？我們聯系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導通V-調制向U+調制W-導通切換為例。

3.2.1 U+導通，V-調制

此時電流的流向如圖7中虛線線條所示，即電流從電容的正極流過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和V相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導通，V-調制電流方向

3.2.2 U+調制，W-導通

檢測到位置信號切換之后，U+調制，W-導通，電流的流向如圖8中藍色線條所示，即電流從電容的正極流出，經過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT流回電容的負極。同時，馬達線圈V相上的剩余能量通過續流二極管釋放出去，電流的流向如圖8中紅色線條所示，即電流從馬達的V相線圈流出，經過V相正橋臂的續流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導通，W-調制電流及續流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續流現象是客觀存在的，而且馬達的能力要求也決定了一定會流過比較大的電流，所以目前為止都無法從硬件上來解決這一問題。只能通過增加前面所述的屏蔽時間（如：屏蔽時間由原來的45度電氣角度改換為55度電氣角度）來減小檢測錯誤信號的可能性，但是這樣做的結果也減小了檢測正確位置信號的時間，這時必須考慮到減小檢測時間對位置檢測及增速造成的影響。

對于位置檢測，因為高頻下的占空比很大，基本上達到了最大值98%（2%的時間是避免IPM上下橋臂同時導通的時間），而位置信號的檢測是在導通的時間內進行檢測，所以很容易檢測到位置信號。

同樣，對于增速的影響也可以根據上面的位置信號進行計算的，因為可以及時檢測到位置信號，所以可以實現增速的要求。例如在55度時進行位置檢測，則增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是說速度為100 Hz時可以檢測到109hz（100×12/11）的速度，速度的計算是200 ms計算一次，則1s內的增速量為100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以適應增速的要求。

如果把調制階段的關斷時間也考慮在內，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數據）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關斷期間為（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度電氣角度的時間為1000000/100/18=555.55（us），關斷時間所占60度的角度為11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信號的有效檢測時間為5°el，所以至少存在的增速率為{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz時1 s內檢測到的速度可以達到100×1.38=138 Hz，完全滿足1 Hz/s的增速要求，同時也為負載急劇變化留下了的空間。

4 結束語

對于不同硬件回路的位置檢測，需要考慮的影響因素有所不同。即使是相同位置檢測回路，考慮到負載、元器件參數、轉速等因素的影響，也要通過實際驗證才能確定每個步驟的參數，以及參數調整所帶來的影響。無論前期設計還是后期試驗的過程，都會遇到很多問題，要從多方面、多角度的進行分析，從而探求解決問題的最佳方案。

參考文獻

[1]王鵬英.新編空氣調節[M].上海：上海工程技術大學機械工程學院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調節工程[M].北京：科學出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調與制冷技術手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

作者簡介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程師，主要從事儀器設備維修、維護及數據處理等工作。endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一個載波周期為240 us，則60度電氣角度內的載波個數為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內只有不到2個的載波。位置檢測的屏蔽角度為45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而實際測試的續流時間最長可達360 us，也就是說，會有13 us左右的時間進入有效的位置信號的檢測區，而續流引起的信號，與要檢測的位置信號一致，這樣就誤檢測到了位置信號。因為錯誤的位置信號比正確的位置信號是超前的，所以程序計算出的速度也會增大，同時45度屏蔽角度對應的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續檢測到錯誤的位置信號。當然，程序中得出的錯誤的檢測速度比目標速度大的時候，就會減小占空比，從而使電流減小，但是，由于屏蔽時間太短，所以仍然會檢測到錯誤的位置信號。如圖6所示。

3.2 續流的產生

續流現象又是如何產生的呢？我們聯系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導通V-調制向U+調制W-導通切換為例。

3.2.1 U+導通，V-調制

此時電流的流向如圖7中虛線線條所示，即電流從電容的正極流過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和V相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導通，V-調制電流方向

3.2.2 U+調制，W-導通

檢測到位置信號切換之后，U+調制，W-導通，電流的流向如圖8中藍色線條所示，即電流從電容的正極流出，經過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經過V相負橋臂的IGBT流回電容的負極。同時，馬達線圈V相上的剩余能量通過續流二極管釋放出去，電流的流向如圖8中紅色線條所示，即電流從馬達的V相線圈流出，經過V相正橋臂的續流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導通，W-調制電流及續流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續流現象是客觀存在的，而且馬達的能力要求也決定了一定會流過比較大的電流，所以目前為止都無法從硬件上來解決這一問題。只能通過增加前面所述的屏蔽時間（如：屏蔽時間由原來的45度電氣角度改換為55度電氣角度）來減小檢測錯誤信號的可能性，但是這樣做的結果也減小了檢測正確位置信號的時間，這時必須考慮到減小檢測時間對位置檢測及增速造成的影響。

對于位置檢測，因為高頻下的占空比很大，基本上達到了最大值98%（2%的時間是避免IPM上下橋臂同時導通的時間），而位置信號的檢測是在導通的時間內進行檢測，所以很容易檢測到位置信號。

同樣，對于增速的影響也可以根據上面的位置信號進行計算的，因為可以及時檢測到位置信號，所以可以實現增速的要求。例如在55度時進行位置檢測，則增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是說速度為100 Hz時可以檢測到109hz（100×12/11）的速度，速度的計算是200 ms計算一次，則1s內的增速量為100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以適應增速的要求。

如果把調制階段的關斷時間也考慮在內，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數據）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關斷期間為（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度電氣角度的時間為1000000/100/18=555.55（us），關斷時間所占60度的角度為11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信號的有效檢測時間為5°el，所以至少存在的增速率為{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz時1 s內檢測到的速度可以達到100×1.38=138 Hz，完全滿足1 Hz/s的增速要求，同時也為負載急劇變化留下了的空間。

4 結束語

對于不同硬件回路的位置檢測，需要考慮的影響因素有所不同。即使是相同位置檢測回路，考慮到負載、元器件參數、轉速等因素的影響，也要通過實際驗證才能確定每個步驟的參數，以及參數調整所帶來的影響。無論前期設計還是后期試驗的過程，都會遇到很多問題，要從多方面、多角度的進行分析，從而探求解決問題的最佳方案。

參考文獻

[1]王鵬英.新編空氣調節[M].上海：上海工程技術大學機械工程學院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調節工程[M].北京：科學出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調與制冷技術手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

作者簡介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程師，主要從事儀器設備維修、維護及數據處理等工作。endprint