变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现.docx
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变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现
中南大学
硕士学位论文
变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现
姓名:
陈文祥
申请学位级别:
硕士
专业:
电子科学与技术
指导教师:
陈宁
20110519
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理式中,p表示微分算子p=丢,永磁同步电机的电角速度q=%。
q（%为电机极对数,q为电机机械角速度。
由式（2.14和（2.15计算得到:
‰=R‘屯+厶‘p‘一致‘厶。
毛（2-16
“g=R’‘+厶‘pig+吐’厶’‘+吐‘l吩（2-17
从式（2.16和（2.17可以近似得出永交、直轴电压的等效电路图,如图2.6和图2.7所示。
.
图2-6永磁同步电机直轴等效电路
+
图2.7永磁同步电机交轴等效电路
将PMSM的电压方程与磁链方程经Cl盯ke变换从三相坐标系ABC经过坐标变换为两相坐标系口、∥,该坐标下的方程式也是常有的一种变换形式,是直接转矩控制的基础。
变换后得到电压方程:
‰=“+厶鲁+%鲁一∞吩s洫p坳=冠・‘+易鲁+%鲁+力盼sillp
（2・18
（2-19
西
西
.k.砀疋足一一%%R且==%%程
方链磁
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理
式中,甜口、%为PMsM的两相口、∥坐标系下的定子电压分量;屯、知分别为口、∥坐标系下的定子电流分量;%、%为口、∥坐标系下的定子磁链分量。
其中,电感分量为:
I厶=（厶+厶/2+（厶一厶/2C0s2p
{%=（厶+厶/2一（厶一厶/2cos2汐（2-20l%=（厶一厶/2sin2护
2.3.2运动方程
永磁同步电机的电磁转矩方程137。
39】:
瓦=丢‘70’（%。
‘一%。
岛（2-21也可以变换为:
瓦=昙・~[吩・‘+（厶一厶・‘・‘]（2-22永磁同步电机的转矩平衡方程式为
.害+D.譬坼B:
互一瓦（2-23d2tdt’‘‘、。
其中,只为转子机械角度,.,为转动惯量,D为摩擦系数,K为扭矩系数。
永磁同步电机的运动方程:
丢・警呼瓦㈣2.4永磁同步电机控制策略
永磁同步电机作为电动机的一种,可以用于开环控制和闭环控制,实现转矩、转速和位置的控制。
下面主要阐述开环控制方法——VvVF控制和闭环控制方法——矢量控制的相关理论。
2.4.1永磁同步电机矢量控制方法
在不同的应用场合,永磁同步电机矢量控制策略可以根据不同的调速范围及性能要求可分为以下几种形式:
‘=0控制;最大电磁转矩/电流比控制;弱磁控制;最大输出功率控制。
加l等。
（1‘=O控制策略
当永磁同步电机定子电枢电流的直轴分量‘=O,永磁同步电机的电压方程简化为
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理蚴=吲%1
‰吨+警+功野,Q。
25’直轴电枢电流等于0,相当于等效直轴绕组开路不起作用。
如果不考虑定子直轴分量,只从交轴电压方程可以看出,永磁同步电机相当于一台他励直流电机,定子绕组电流中只有交流分量、永磁磁链。
永磁磁链为转子永磁极产生的磁链且大小不变,等效交轴绕组中的励磁电势与转子角度成正比1411。
因为定子磁动势空间矢量与转子永磁体磁场空间矢量相互垂直,所以电磁转矩与交轴电枢电流分量成正比关系,即:
Z=吾一pyr‘（2・26=ft2i%吩~【Z’26
此外,对于直轴电枢电流‘=0的控制策略,如果要提高功率因数,必须永磁同步电机的交轴电感参数厶要小,该功率因数表达式为
∞s矽:
下—擎竺马（2.27√（∞厶‘2+（B‘+缈少/2
其中,9为定子电压超前定子电流的功率因数角,由上式可以看出交轴电流额定时存在最大功率因数零转速,转速升高功率因数下降,但总的功率因数还是比较高的。
这种控制策略对于永磁同步电机来说,其转速只能在额定转速以下范围内运行,否则转子永磁磁场产生的感应电势就会等于甚至超过端电压,无法用于电动机运行。
直轴电流‘=0的控制策略简单但存在两个不足:
一方面永磁电机本身气隙磁阻不均匀,忽略了磁阻转矩的作用,使得单位电流电磁转矩不是最大;另一方面电机只能在额定转速以下工作。
（2最大电磁转矩/电流比控制策略
最大电磁转矩/电流比控制策略也称为单位电流电磁转矩最大控制策略142l。
如定义定子电流幅值空间矢量方向与直轴电枢电流分量的角度为见,则有关系式?
二,=二}（2瑚‘=i,siIlyl
P一7将式（2-28代入式（2-22,则有单位电流转矩关于角度Z的函数关系
詈=言~（厶一厶‘shl2y+吾~I吩siIl7=厂（7（2-29为了求取单位电流转矩最大时刻可对函数/（7求导,即
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理型:
o（2.30ay
可知当单位电流转矩最大时电枢电流空间矢量幅值与相位角度关系
‘=晶删
l=——————_=——————————一IZ—jI-4
（厶一厶cos2厂、。
消去变量五,屯,最终得到电枢电流电磁转矩最大条件下电磁转矩与交轴电流分量的关系为
乙一=三%‘[√刃+4（厶一厶2薯+吩】（2-32由式（2-32可以看出,对于厶=厶的隐极式永磁同步电机来说,最大控制策略与屯=o控制策略完全一样。
而对于厶≠厶的凸极同步电机来说,如果厶<厶,直轴电枢电流分量小于O,电枢反应起去磁作用,这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以削弱转子励磁磁场,提高电机功率因数的方法来提高单位电流电磁转矩的,也即弱磁控制方式,可以扩大调速范围。
相反,如果厶>厶,直轴电枢电流分量大于O,电枢反应起助磁作用,这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以增强励磁磁场,提高电机功率因数的方法来提高单位电流电磁转矩的。
如果电机转速超过额定转速将无法满足电动机形式运行。
（3弱磁控制策略
所谓的弱磁控制就是在电压达到极限值时,为了使电机能以更高的转速运行,必须维持反电动势等于额定状态时的大小而反电动势与转速和气隙磁通的乘积成正比,因此必须使转速与气隙磁通的乘积保持不变,即要使气隙磁通随转速增大而减小。
弱磁控制永磁同步电机通常以凸极内埋式居多‘捌。
在永磁同步电机运行过程中,电压可以达到极限值（设允许最大值‰,那么其电压极限曲线在电压相平面上表示如图2.8所示。
电压极限曲线的方程为以+《=“三“（2-33忽略定子电枢绕组电阻,那么根据电压方程式（2.15可以得到电流极限曲线方程（吩+厶‘2+（厶‘2=（竺手2（2_34当转子的转速超过额定转速时,为了维持电流不超过极限值,在增大直轴去磁电流的同时应减小交轴电流,转速与去磁电流满足关系I删
』
国=‰【（吩+厶‘+厶屯（吩+厶‘一厶‘+（厶k2】2（2-35
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理因此,当直轴最大去磁电流分量和对应的交轴电流分量分别为‘=一孥时,‘q
能达到的最高转速为
q懈2
弱磁控制的控制曲线如图2-8所示。
（2-36
图2-8弱磁控制曲线图
（4最大输出功率控制
定义p=厶/厶,称之为凸极系数,由弱磁控制原理可知永磁同步电机的电磁功率和直轴磁链的关系
气
尸堋=丢70‘q【（1一p%+户吩】‘（2・37而交轴电流与直轴磁链关系.
对方程（2-37求导并求极值,得到电磁转矩功率在极大值时的直轴磁链为:
巫塑匠巫二2丝4（1一p（2-38（2-39
此时的电磁功率最大,但有约束条件,即直轴磁链必须大于等于零。
电磁功率最大点对应于电压极限环与电流极限环的交点如图2.8所示。
2.4.2永磁同步电机VvVF控制方法
永磁同步电机开环调速驱动系统,不需要安装位置和速度传感器,改变供电
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理
电源的频率即定子频率,就可以实现电机转速的调节。
对于永磁同步电机来说,定子频率不能改变太快。
如果要求永磁同步电机转速升高,那么定子频率必须增大。
在频率调节过程中,若定子磁场的频率上升太快,则定子磁场转速增加就很快,因为转子惯量转速来不及改变,使得定转子磁场之间的相位差迅速增大,电磁转矩增大;如果相位差超过永磁同步电机稳定运行范围后,电磁转矩反而减小。
只有电磁转矩始终大于负载转矩,那么定转子磁场之间的相位差最终还是会恢复到稳定运行的范围内,永磁同步电机转速能正常运行。
如果随着相位差增大,发生电磁转矩小于负载转矩的情况,那么电机转子不仅得不到加速,反而会减速,造成转子跟不上定子磁场而出现失步现象。
这样定转子磁场之间的相位差由于转子减速将进一步增大,电磁转矩也由驱动变为制动,导致电磁转矩在以后的360度电角度周期内的平均值等于0,因为负载转矩作用转子不断减速,最终永磁同步电机停止运行,调速失败。
变压变频控制即V”阡控制116Il删。
根据电机学原理,异步电动机的同步转速是由电源频率和电机极对数决定的,在改变供电电源频率时,电机的同步转速也相应的改变。
同样地,当永磁同步电机在负载条件下运行时,电机转速低于电机的同步转速,两者的差值就是转差,转差的大小与电机的负载有关。
电机定子每相感应的电动势的有效值为.E=4.44ZMK丸（2-40式中,E为气隙磁通在定子每相中感应的电动势有效值（V;Z为定子频率
（Hz:
Ⅳf为定子每相绕组串连匝数;K。
为基波绕组系数;丸为每极气隙磁通（呐。
由异步电机的T型等效电路,异步电机端电压与感应电动势的关系式为玑=E+R‘（2-41式中,足,‘分别为定子绕组阻抗及其流过的电流。
在电机控制过程中,使每极磁通九保持为额定值不变是关键的一环。
磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;若增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。
在永磁同步电机和交流异步电机中,磁通丸是定子和转子磁动势合成产生的,因此由式（2-40可知,只要同时协调控制巨和Z,就可以达到控制,并使之恒定的目的。
当定子频率Z较高时,感应电动势的值要远大于式中第二项,因此可以忽略定子阻抗压降和感抗压降,认为定子相电压玑≈巨,则得
,
九=墨二}（2_42l
改变定子侧的输入电压,即可调节电动机的频率,这就是恒压频比（V/F的控制方式I蚓。
这是额定频率下的调速方式,当超过额定频率时,定子侧输入电压不变,
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理
随着频率的上升,磁通将下降,相当于直流电机里面的弱磁升速。
如果定子频率Z较低时,定子阻抗压降和感抗压降作用明显,感应电动势E。
较小,磁通丸不饱和,因此会带来电磁转矩的影响,如果要使电磁转矩在低速下与负载转矩平衡则需引入低频电磁转矩补偿,具体的补偿原理将在后面章节中详细描述。
VWF方法实现起来简单,便于控制在调速性能要求不是很高的场合较为适用。
由于是开环控制,所以对整个系统的控制不是特别的精确。
2.5SVPWM技术原理
空间矢量调制就是根据确定位置的有限个空间矢量组合作用来产生满足任意位置和一定幅值范围需要的空间矢量的过程。
空间矢量调制技术在电压源逆变器供电的情况下,就是以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准。
通过逆变器开关状态的选择产生PWM波形,使得实际磁链逼近圆形磁链轨迹,而且可以较好地改善电源电压的利用效率14“8】。
定义星型连接的定子三相绕组上的相电压瞬时值分别表示为“删、‰和‰,那么任意时刻的电压空间矢量可表示为
’.
“心=M铀+向s,=詈（”删+口甜肼+口2“cⅣ（2.43式中,单位复矢量为口=P-,2棚.
式（2.43中包含两个坐标系统,即将三相瞬时值”州、‰和zh变换到两相瞬时值‰和‰。
式（2-43中的瞬时值“删、材删和‰还可以表示为:
材删副^叫Ⅳ1
‰=‰一‰}（2-44‰=%一材ⅣJ
由1+口+口2=O关系式可简化式（2铂得
P
G
‰=詈（‰+绷占+口2%图2.9三相电源逆变器C
（2-45
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理
图2.9为三相电压源逆变器的原理图。
将逆变器的六个开关状态用邑、&和昂表示,规定逆变器的上桥臂导通时开关状态为l,则下桥臂导通的开关状态为0。
将这种开关状态进行排列组合,可以得到（000（001（010（011（100（101（110和（111的8个开关状态（只品&的组合,如果直流母线电压等于屹,并且将接地端作为零电压参考点,那么每相电压瞬时值与开关状态邑、品、&和%的关系为
%=%邑l
‰=%品}（2—46%=%&J
将式（2.46代入电压空间矢量计算式（2・45,电压空间矢量可写成开关状态邑、品和&与的函数表达式:
‰（邑&品=÷魄（只+码+口2&（2-47J
根据8种逆变器的开关状态可以计算不同开关状态下的电压空间矢量,如表2.1所示:
袁2.1逆变器工作方式与三相输出电压关系
由表2.1的计算结果可以画出相应的定子电压空间矢量,如图2・10所示。
这8种开关状态有两个状态所对应的电压空间矢量幅值为零,分别是（111和
中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理
（000这两个状态,即零电压矢量。
其余六种状态的电压矢量幅值相同,都为2%/3,这些电压矢量是均匀分布的,在整个复平面内划分为六个扇区区域,这六个扇区进行编号I、II、Ⅲ、Ⅳ、V和Ⅵ,后面章节将进一步分析这6个扇区的划分问题。
2.6本章小结
图2.10逆变器输出的电压空间矢量
本章主要介绍了永磁同步电机的矢量控制和WⅦ控制理论。
首先描述永磁同步电机在三相静止和两相旋转坐标系下数学模型,对其运动方程也做了分析,列出了永磁同步电机的输出转矩方程,进一步分析影响转矩输出的因素,为同步电机的控制提供数学理论基础。
在永磁同步电机数学模型的基础上,详细介绍了永磁同步电机的矢量控制方法和V叭,F控制方法,并对矢量控制的几种控制方法进行了比较和分析,对各自的优缺点进行了讨论。
最后介绍了电压空间矢量调制的原理,为后面的软件部分提供理论依据。
中南大学硕士学位论文第三章永磁同步电机FOC方法第三章永磁同步电机FOC方法
在直流无刷电机的传统矢量控制为方波驱动定子,即给一对绕组通电直到转子达到下一个位置,然后电机换相到下一步,而这种方波控制容易产生转矩。
早期的定频和变频空调（第二代空调——频率在30Hz~90H.z的矢量控制基本采取方波控制原理。
当空调压缩机运行在中高频阶段时由于转子的惯性作用使得转矩波动不明显,如果空调压缩机运用于30Hz以下频率,由于负载始终处于动态变化中,且在低频运转下转子惯性作用不明显,此时方波控制的转矩波动就会使电磁转矩和负载转矩无法平衡,故而方波矢量控制很难满足低频运行要求。
此外,由于全封闭的压缩机无法安装位置或速度传感器,更加剧了方波控制的难度。
磁场定向控制（FOG-FieldOrientedCo腑01是当代变频调速技术的突破,无位置传感器FOC技术可以利用PMSM转子上的永磁体所产生的恒定转子磁场,可以直接对转矩进行有效控制,能较好的处理动态负载变化,因此FOC凭借其在控制上的技术优势在空调业界中被广泛运用。
180度正弦波驱动方式就是采用FOC技术与SVPWM技术。
3.1永磁同步电机FOC控制算法
永磁同步电机的FOC技术归根结底是通过坐标变换技术把永磁同步电机（实际是交流电机中的一种的定子电流分解为转矩分量和励磁分量,从而实现类似直流电机来控制电机的输出转矩及磁通,使电机控制的动态性能和精度大大提高I捌。
一般地,电机的转速是由电机的转矩来控制的,从永磁同步电机的转矩方程式（2.21可以看出,转矩则是由电流的直轴分量‘和交轴分量乞共同决定的。
对于表面贴装式永磁同步电机,由于厶=厶,式（2.22中的结构转矩部分为零,只有对交轴电流部分,对交轴电流的控制就相当于对直流电机的电枢电流的控制,可以很容易通过调节交轴电流来控制输出转矩。
对于内埋式永磁同步电机由于厶≠厶,就可以通过控制交轴电流和直轴电流来分别控制电机的转矩和磁链,不仅有效的利用了结构转矩提高了转矩的输出能力,还可以通过控制直轴电流来改变磁链,实现弱磁控制。
图3.1为典型的FOC控制原理图,由以下几个模块组成:
（1空间矢量调制模块。
决定逆变器3个桥臂开通与关断的时刻;
（2三相相电流电采集与读取模块。
通过精密电阻与放大电路测量三相定子电流;
（3转子速度/位置反馈模块。
转子位置和角速度信息一般可以采用霍尔传
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