基于PE-PRO/V850IA4的变频空调无传感器过调制技术开发

摘要：  近年来，在空调压缩机系统中开始逐步使用控制性能更加优越的永磁同步电机，以取代无刷直流电机进行驱动。这种永磁同步电机处于高温密封的压缩机中，且充满强腐蚀性的高压制冷剂，无法安装转子位置传感器，因此，必须采用无传感器控制方法。另一方面，空调大多运行在中高速区。在压缩机调速系统中，由于电机的运行范围和带负载能力直接取决于逆变器输出电压的范围和品质。

关键字：  空调压缩机系统，  无刷直流电机，  无传感器控制

近年来，在空调压缩机系统中开始逐步使用控制性能更加优越的永磁同步电机，以取代无刷直流电机进行驱动。这种永磁同步电机处于高温密封的压缩机中，且充满强腐蚀性的高压制冷剂，无法安装转子位置传感器，因此，必须采用无传感器控制方法。另一方面，空调大多运行在中高速区。在压缩机调速系统中，由于电机的运行范围和带负载能力直接取决于逆变器输出电压的范围和品质。因此为了提高电机的性能，获得最大的输出电磁转矩，必须尽可能地提高逆变器的电压利用率。为了充分利用直流母线电压实现最大的输出电压，必须在逆变器控制中采用过调制技术，其上限情况即是六阶梯波工况(电压利用率0.78)。

本文根据永磁同步电机一压缩机系统在高速区运行时的要求和特点，介绍了无传感器过调制技术的基本原理，即单模式过调制算法和MRAS转速辨识算法，并将该方法应用于永磁同步电机的高速运行控制中，并在MyWay开发系统上进行了实验验证。

2 控制策略

(1)单模式过调制算法

本文采用了SVPWM线性调制和文献提出的单模式过调制两种策略。其中单模式过调制技术的基本原理如下：以空间矢量六边形的第1扇区为例对这种单模式过调制算法进行说明，如图1所示。设参考电压矢量ur的幅值和相位角分别为|ur|和θr。当|ur|小于六边形内切圆半径时，逆变器处于SVPWM线性调制区;随着|ur|的进一步增长，系统进入过调制区，此时需对参考电压矢量ur进行调整，使调整后逆变器输出的实际电压矢量落于六边形内。调整参考矢量的方法：将矢量的弧形轨迹等比例映射到六边形内的弧线部分(如图1中黑粗线所示)。当|ur|等于六边形外接圆半径时，逆变器进入六阶梯波工作状态，相应地电压利用率也达到理论上的最大值0.78。

(2)MRAS转速辨识算法

本文采用了文献提出的一种基于MRAS的电机矮速/位置辨识算法，选取永磁同步电机本身作为参考模型，永磁同步电机的电流方程作为可调模型。整个辨识算法的运算框图如图2所示。

3 PE-PRO/V850IA4实验系统平台

本实验是在Myway公司研制的电机控制开发系统PE-PRO/V850IA4上实现的。该开发系统由控制板PE-PRO/V850IA4与综合开发环境PE-VIEW8以及电力电子用PEOS构成。图3所示为PE-PRO/V850IA4系统结构图，整个系统按照功能可分为三个部分：主回路单元、DSP控制单元和微机编辑与显示单元。

主回路实现反馈信号的检测、开关器件的驱动以及对系统的保护。PE-PRO/V850IA4系统主回路中的开关器件采用智能模块IPM，同时主回路具有对欠压、过压、过流、过热的硬件保护。此外，主回路还检测逆变器直流母线电压、电机定子两相电流以用于控制。电压和电流的检测都是通过LEM霍尔元件实现的。

PE-PRO/V850IA4系统搭载使用的CPU是NEC生产的单一DSP芯片V805IA4。该CPU具有灵活的指令系统、灵活的内部操作和并行结构、高速性能和低功耗等优点。DSP控制单元的主要功能是实现整个控制系统的数据计算。主回路的采样信号(电机定子相电流、直流母线电压等)经过AD变换转化成的数字信号，在DSP控制单元中进行处理，实现转子位置和转速的估计及转速环、电流环的闭环控制，最后计算出的FDWM开关信号经逆变器控制板传输给逆变器的开关器件。此外，该控制单元还可实现DSP与微机及与主回路间的数据传输，主回路上电流和电压传感器采样得到的模拟信号经过A/D转换变为数字信号，通过DSP控制单元可以将有关变量数据在微机屏幕上显示，同时控制系统的指令可以由微机传递给DSP。