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

【摘要】對于變頻空調(diào)設(shè)計中，應(yīng)用PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)，通過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，可以有效實現(xiàn)對變頻空調(diào)中壓縮機轉(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)的運行效率。

【關(guān)鍵詞】變頻空調(diào);PMSM驅(qū)動控制;無傳感器;功率因數(shù)校正

1.引言

隨著我國科技的發(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)動控制系統(tǒng)，不僅可以提升變頻空調(diào)的性能，同時也可以實現(xiàn)快速制冷制熱、提高變頻空調(diào)能效、延長使用壽命優(yōu)勢，大大提升變頻空調(diào)的運行效率。以下介紹在變頻空調(diào)中對PMSM驅(qū)動控制系統(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，國家對其能效有所限定，不僅要提高對變頻空調(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，而這也漸漸成為當(dāng)前變頻空調(diào)的發(fā)展趨勢[1]。在變頻空調(diào)設(shè)計中，應(yīng)用無位置傳感器PMSM驅(qū)動控制技術(shù)，不僅可以提高變頻壓縮機工作頻率范圍，還可以增大變頻空調(diào)對環(huán)境的適應(yīng)能力，確保空調(diào)在寬溫范圍內(nèi)保持良好的調(diào)節(jié)效果;同時還可以解決因電網(wǎng)電壓不穩(wěn)而造成的空調(diào)器運行不穩(wěn)難題，應(yīng)用空調(diào)壓縮機驅(qū)動技術(shù)，有效避免頻繁地開開停停對空調(diào)壽命的影響，降低耗電量，實現(xiàn)高效節(jié)能目的。

3.變頻空調(diào)中PMSM驅(qū)動控制系統(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)室外機控制系統(tǒng)中，核心驅(qū)動IRMCF343有微處理器MCU單元、電機控制引擎MCE單元、信號處理引擎ASE單元三部分組成。電機控制專用引擎MCE集成了豐富的電機控制外設(shè)，包含有低損耗PWM模塊，單電阻電流采樣，電機電流重構(gòu)等。將會基于硬件算法集成，從而控制變頻調(diào)速壓縮機。IRMCF343是專用高性能馬達控制驅(qū)動，具有低成本、高性能的控制優(yōu)勢，在IRMCF343中集成無傳感器永磁馬達控制的運動控制引擎（MCE）以及8位高速MCU（8051），都是該系統(tǒng)中重要的計算引擎。IRMCF343驅(qū)動控制中，通過將運動控制引擎（MCE）以及MCU（8051）計算引擎集成到一個芯片中，并且對于該MCE中，還將會包含一系列的控制元素的比例加積分，旋轉(zhuǎn)矢量，角估計，乘法/除法，低損耗SVPWM。用戶可編程的運動控制算法，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現(xiàn)。另外還提供了獨特的模擬/數(shù)字電路和算法完全支持單電阻電流重構(gòu)。8051單片機采用2個周期的指令執(zhí)行。MCE與8051單片機之間通過雙端口RAM實現(xiàn)過程信號監(jiān)測和命令輸入。對于MCE先進的編譯器是無縫集成到Matlab/Simulink環(huán)境，而第三方JTAG仿真器工具便于實現(xiàn)8051的開發(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)部時鐘（SYSCLK）頻率可以達到128兆赫，其無傳感器控制計算時間為11秒，MCETM計算的數(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8K字節(jié)的數(shù)據(jù)，PWM載波頻率計數(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

對于該運動控制中，其控制引擎是基于硬件永磁交流電機效率基礎(chǔ)上，通過正弦無位置傳感器來控制計算的，從而可以方便實現(xiàn)功率因數(shù)校正。并且在系統(tǒng)中，還將會應(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，實現(xiàn)對變頻空調(diào)靈活的I/O配置以及人機交互控制。如圖2所示便是該系統(tǒng)的驅(qū)動平臺圖。

圖2 IRMCF343系統(tǒng)驅(qū)動平臺圖

在該系統(tǒng)中，還將會通過JTAG編程端口，進行仿真調(diào)試，實現(xiàn)對變頻空調(diào)的有效控制。用戶通過該驅(qū)動控制系統(tǒng)，可以調(diào)整和定制每個應(yīng)用程序，很容易地評估變頻空調(diào)壓縮機的驅(qū)動控制，確保變頻壓縮機在寬電壓，寬溫區(qū)內(nèi)均可正常運行。

4.應(yīng)用PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)對變頻空調(diào)的影響

應(yīng)用PMSM驅(qū)動控制技術(shù)控制的變頻壓縮機，不僅可以提高變頻空調(diào)的性能，降低空調(diào)噪音，同時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，快速實現(xiàn)制冷（熱）效果。同時當(dāng)室溫接近設(shè)定溫度時，壓縮機可以保持在低頻運行，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

變頻壓縮機的PMSM驅(qū)動控制中采用180度正弦波無位置傳感器電機矢量控制技術(shù)，通過速度前饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)力矩補償功能，可以有效提高力矩輸出穩(wěn)定性，使壓縮機運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，改善機械噪音和振動。

通過對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)選用高精度開關(guān)電源和智能PFC控制，可以提高對供電電壓的適應(yīng)性，變頻空調(diào)可在150V-264V的電壓下進行啟動。同時，壓縮機采用預(yù)加熱技術(shù)，可以降低對環(huán)境溫度的要求，確保壓縮機在零下15度時仍能夠正常啟動。另外，在惡劣工況時，可以通過試驗室驗證過的多項保護措施提前降頻運行，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

4.4 減少頻繁開啟，提高使用壽命

采用PMSM驅(qū)動控制技術(shù)驅(qū)動的變頻壓縮機，可以根據(jù)冷（熱）量的需求隨時調(diào)節(jié)空調(diào)壓縮機運轉(zhuǎn)速度，確保壓縮機不會頻繁開啟，從而延長空調(diào)使用壽命，降低壓縮機開啟時對電網(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)計中，應(yīng)用PMSM驅(qū)動控制技術(shù)，不僅可以使空調(diào)設(shè)備以最佳性能進行工作，還可以提高變頻空調(diào)的工作平穩(wěn)性，降低工作噪聲，因此具有實際的應(yīng)用價值。其次，在變頻空調(diào)中應(yīng)用PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)，不僅可以抑制輸入的諧波電流，還可以通過調(diào)節(jié)直流母線電壓，提高對系統(tǒng)運行的控制效益，在變頻空調(diào)生產(chǎn)中值得推廣應(yīng)用。

參考文獻

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作者簡介：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。