高效直流電機的應用控制技術

高效直流無刷電機控制技術簡介

家電智能與節(jié)能技術研究所變頻技術研究室2009-06目錄1.直流無刷永磁電機的根本知識2.電機控制技術的開展3.永磁直流無刷電機控制技術4.變頻技術應用5.空調市場狀況6.鳴謝直流變頻控制技術簡介1.1常規(guī)直流電機的原理

1.直流無刷永磁電機的根本知識1.2直流無刷永磁電機的原理

1.直流無刷永磁電機的根本知識1.3直流無刷永磁電機轉子永磁體嵌入的形式

1.直流無刷永磁電機的根本知識1.3直流無刷永磁電機轉子永磁體嵌入的形式

1.直流無刷永磁電機的根本知識1.3定子的旋轉磁場

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZo1.直流無刷永磁電機的根本知識

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

1.3三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600o1.直流無刷永磁電機的根本知識工頻：旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù)p=1時0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ1.直流無刷永磁電機的根本知識1.直流無刷永磁電機的根本知識1.3電機磁場參考系

2.1交流電機的控制技術控制技術開展的三個階段2.2直流電機及控制技術2.電機控制技術的開展2.1.1第一階段： 二十世紀八十年代初日本學者提出了根本磁通軌跡的電壓空間矢量〔或稱磁通軌跡法〕。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。2.電機控制技術的開展2.1.1第一階段：電壓空間矢量2.電機控制技術的開展2.1.1第一階段的延續(xù)開展： 引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差2.電機控制技術的開展2.1.1第一階段的延續(xù)開展： 基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，由此估算出磁鏈幅值，并通過反響控制來消除低速時定子電阻對性能影響。2.電機控制技術的開展2.1.1第一階段的延續(xù)開展： 將輸出電壓、電流進行閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現(xiàn)快速的加減速。2.電機控制技術的開展2.1.2第二階段： 矢量控制，也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉矩、磁場獨立控制的內在本質。2.電機控制技術的開展2.1.2矢量控制原理

將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按定子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1。其中Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流。然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。2.電機控制技術的開展2.1.2矢量控制原理克拉克變換〔CLARKE〕：

帕克(PARK)變換：2.電機控制技術的開展2.電機控制技術的開展2.1.2第二階段：矢量控制系統(tǒng)框圖

2.電機控制技術的開展2.1.2第二階段：矢量控制系統(tǒng)框圖

2.1.2矢量控制的難點 由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以到達理想分析的結果,這是矢量控制技術在實踐上的缺乏。2.電機控制技術的開展2.1.2矢量控制的關鍵點必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便，近年開展出無傳感器算法，為矢量控制擴展了應用范圍。高速DSP運算的能力。2.電機控制技術的開展2.1.3第三階段： 1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論〔DirectTorqueControl簡稱DTC〕。2.電機控制技術的開展直接轉矩控制原理 直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。2.電機控制技術的開展直接轉矩控制的優(yōu)越性： 轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。2.電機控制技術的開展直接轉矩控制算法 依賴于精確的電機數(shù)學模型和對電機參數(shù)的自動識別〔ID)，通過ID運行，自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的Band－Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。2.電機控制技術的開展直接轉矩控制算法

2.電機控制技術的開展直接轉矩控制算法

2.電機控制技術的開展對于永磁直流無刷電機來說，轉子磁通的位置與轉子機械位置相同，通過檢測和估計轉子實際位置就可以得到轉子磁通位置。可見，PMSM矢量變換控制的實質就是對定子電流空間矢量的控制。將該定子電流在坐標上分解成互相垂直，彼此獨立的矢量id〔勵磁電流分量〕和iq〔轉矩電流分量〕。當永磁體轉子確定之后，電機的轉矩就可以通過id和iq來調節(jié)，這就變得和普通的直流有刷電機一樣易于控制了。但由于該算法涉及到坐標轉換和逆變換、PI調解、轉速和位置估計以及SVPWM等諸多模塊，軟件設計上有較大的難度，對微處理器件、開發(fā)人員及開發(fā)周期都要求較高。2.電機控制技術的開展2.2直流無刷電機及控制技術永磁直流電機交流感應電機2.2永磁直流無刷電機2.電機控制技術的開展由于電機的效率的提高，因此，采用永磁直流無刷電機替代常規(guī)電機，必將帶來節(jié)能20%以上的節(jié)能、減排效果，為器具能效的提高，起到直接的作用。2.2.1永磁直流無刷電機的效率2.電機控制技術的開展 鐵氧體 分布卷永磁直流電機 稀土類〔壓縮機〕 鐵氧體 集中卷 稀土類2.電機控制技術的開展2.2.2采用永磁直流無刷電機的直流變頻壓縮機集中卷分布卷2.2.2采用永磁直流無刷電機的直流變頻壓縮機

１０７分布卷集中卷轉速(s-1)綜合效率〔％〕綜合效率比較分布卷集中卷１３２◆線圈阻抗小◆用線少，重量輕◆高度降低◆效率更高◆結構緊湊◆低本錢2.2.2采用永磁直流無刷電機的直流變頻壓縮機國家大力推廣采用稀土元素的永磁直流無刷電機，成立了國家實驗室與示范工廠。日本采用高效直流無刷電機的直流變頻空調占了日本空調產量的95%。家用電器的能效水平的要求，促進了電機型家用電器采用直流無刷電機的需求。2.3永磁直流無刷電機國內外開展趨勢3.1120度驅動BLDC特點每一相的導通角度是120度；在每一相的導通時間內是使用PWM信號來調制的；有傳感器〔霍爾〕和無傳感器〔反電動勢BEMF〕是兩種不同的轉子位置反響方式。檢測到轉子的位置目的是為了實現(xiàn)換相。3.直流無刷電機控制重點3.直流無刷電機控制重點3.1120度驅動BLDC波形3.直流無刷電機控制重點反電動勢過零點超前于實際換相點30°一個電周期內，任一相反電動勢有兩次過零檢測反電動勢過零點等效于檢測實際換相點〔霍爾位置傳感器〕反電動勢檢測可以簡化為反電動勢過零檢測3.1120度驅動BLDC反電動勢特點3.直流無刷電機控制重點3.1120度驅動BLDC過零檢測3.直流無刷電機控制重點3.1120度驅動BLDC電流波形3.直流無刷電機控制重點3.1120度驅動BLDC電壓波形180度正弦波每一相的導通角為180度；輸出的信號為正弦波；無傳感器：從電流信號中檢測出轉子位置信息。3.直流無刷電機控制重點3.2180度驅動

特點3.直流無刷電機控制重點3.2180度驅動函數(shù)模型對電流分解有鼓勵電流〔D軸〕和轉矩電流〔Q軸〕D軸：一般為永磁體磁場方向；Q軸：電樞電流方向，滯后D軸90度。3.直流無刷電機控制重點3.2180度驅動參數(shù)分解3.直流無刷電機控制重點3.2180度驅動電流變換三相異步機變換方程3.直流無刷電機控制重點T1=TPWMxaxsin(π/3-θ)T2=TPWMxaxsin(θ)T0=1/2x(TPWM–T1-T2)3.2180度驅動矢量控制3.直流無刷電機控制重點3.2180度驅動電壓合成１２０°方波2相通電方式１８０°正弦波３相通電方式端子電壓線圈電流６０°１２０°６０°１２０°６０°

空閑區(qū)

通電區(qū)感應電壓基準電壓方波電流正弦波電壓正弦波電流

檢測位置3.直流無刷電機控制重點3.3比較

１２０°方波２相通電方式１８０°正弦波３相通電方式含諧波較多→噪聲大、振動大相位控制容易→最優(yōu)控制容易最高運行轉速低→轉速范圍窄含諧波較少→效率高含諧波較少→噪聲小、振動小相位控制難→最優(yōu)控制難最高運行轉速高→轉速范圍寬電路構成簡單→本錢低不必要高速運算→本錢低軟件控制簡單→本錢低電路構成復雜→本錢高需要高速運算→本錢高軟件控制很復雜→本錢高含諧波較多→效率低電機

性能變頻器式樣3.直流無刷電機控制重點4.變頻技術應用隨著各種復雜控制技術在變頻器中的應用，變頻器的性能不斷得到提高，而且應用范圍也越來越廣；目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中普遍應用，而且?guī)缀跻呀洈U展到了工業(yè)生產的所有領域，并且在空調、洗衣機、電冰箱等家電產品中也得到了廣泛的應用。節(jié)能、環(huán)保舒適－快速制冷、升溫－控溫精度高－噪聲低4.1變頻空調優(yōu)點4.2變頻空調分類 交流變頻空調變頻空調 方波 直流變頻空調 〔直流無刷BLDC〕 〔全直流〕 正弦波 4.3直流、交流變頻及定頻特點內容定頻空調交流變頻空調直流變頻空調能效2.83.23.6控溫精度1.510.5輸出能力3500W或0W不可調1500W～4200W連續(xù)可調1200W～4600W連續(xù)可調低溫制熱能力（-10度）2600W3500W3800W運行狀態(tài)開停運行連續(xù)運行連續(xù)運行技術含量簡單高很高空調使用舒適度一般好好設計成本低高20%高25%可靠性高有提高的空間有提高的空間環(huán)保一般一般較好使用410A制冷劑4.4定頻、變頻空調電器控制技術要求4.變頻技術應用4.4定頻、變頻空調電器控制技術要求項目定頻空調交流變頻空調直流變頻空調主控芯片8位24路I/O8、16位50路I/O16、32位50路I/O遙控芯片4位4、8位4、8位軟件簡單復雜很復雜壓縮機定速單相或三相交流變頻三相交流變頻三相直流無刷傳感器精度一般精度高精度高推動電路繼電器或接觸器IPMIPM整流電路無有見附圖1有見附圖1EMC電路無有見附圖2有見附圖2PFC電路無有有4.4直流變頻空調壓縮機驅動原理4.變頻技術應用4.4直流變頻空調壓縮機驅動原理4.變頻技術應用圖1－整流電路圖2－EMC電路4.變頻技術應用4.4直流變頻空調壓縮機驅動原理關鍵器件依賴進口 －MCU微處理器：16位、32位 －IPM模塊：15A～50A

－PFC模塊：15A～50A4.5變頻控制器關鍵器件4.變頻技術應用變頻控制芯片要求遙控器芯片4位、8位工作頻率： <=4MHzRAM： <256ROM： 4~8KLCD驅動： 64～128段A/D： 1路4.變頻技術應用室內控制芯片8位、16位工作頻率： >=4MHzRAM： >=256ROM： >=8KI/O： >=25LCD驅動： 64～128段或LED驅動4.變頻技術應用變頻控制芯片要求室內控制芯片A/D： >=2路PWM輸出： 6路〔變頻、風機控制〕UART： 1路高級語言支持4.變頻技術應用變頻控制芯片要求室外控制芯片16位、32位指令系統(tǒng)： CISC、RISC工作頻率： >16MHzRAM： >1kROM： >64K FLASHI/O: >454.變頻技術應用變頻控制芯片要求室外控制芯片A/D： 連續(xù)比較形式，10-Bit， >8-CHPWM輸出： >＝1個6路/2個6路定時器： 7，16位UART： >1支持高級語言變頻控制芯片要求4.變頻技術應用室外控制芯片可以自由設定的上/下計時的定時器：用于設定載波至少六路計數(shù)比較器輸出：用于產生驅動波形波形捕捉輸入：用于捕捉電機傳感器信號PPG波形發(fā)生器：用于產生可調占空比的脈寬信號4.變頻技術應用變頻控制芯片要求室外控制芯片高速的AD采樣：用于采集必要的電壓電流信號死區(qū)時間發(fā)生器：用于自動產生死區(qū)時間緊急停止輸入：用于在異常錯誤時自動緊急停止變頻控制芯片要求4.變頻技術應用室外控制芯片〔正弦波控制的BLDC〕指令執(zhí)行速度：一個周期一條指令32帶符號乘法：5個周期A/D轉換時間：1.2us，33MHz時4.變頻技術應用變頻控制芯片要求4.5.2IPM模塊IGBT結構UVWDriveCircuit

MFWDIGBTP-sideACN-side4.5.2IPM模塊IGBT結構M+

過壓檢測

驅動電路過流檢測

欠壓檢測控制電源Integratecontrolcircuitintoapowerinvertercircuittoprovidedrive,detectandprotectionfunctions.PowerStageControlStageIntelligentPowerModule-4.5.2IPM〔智能功率模塊〕IPM智能模塊內部集成了六個帶續(xù)流二極管的IGBT。從內部結構可以看出，上橋臂的三個IGBT分別由各自的電源供電，分別有三組結構相同的輸入，每一組包括電源輸入端、驅動輸入端、接地端。下橋臂的三個IGBT由同一個電源供電，電路有電源輸入端、三個驅動輸入端、接地端。FO管腳的作用是保護電路動作時下橋臂警報輸出。4.5.2IPM〔智能功率模塊〕特點IPM由高速低功耗的IGBT管芯和優(yōu)化的柵極驅動電路以及快速保護電路組成。即模塊內部不僅把IGBT功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還具有過電流和過熱等故障檢測電路，即使發(fā)生負載短路或過熱事故，也可以保護IPM不受損壞。4.5.2IPM〔智能功率模塊〕特點無光耦隔離驅動4.5.2IPM〔智能功率模塊〕驅動Ver.3SIP:3A/600VMini:5～15A/600VLarge:20～50A/600V4.5.2IPM〔智能功率模塊〕圖片4.5.3PFC〔功率因數(shù)調整〕整流器和輸入電容器使電源產生短脈沖(而不是純粹弦波)的輸入電流。僅當輸入電壓接近其峰值時，電容器才會充電，此時它會產生頂峰值電流。橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產生嚴重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，網(wǎng)側的功率因數(shù)不高。影響電能的利用效率。PFC方案完全不同于傳統(tǒng)的"功率因數(shù)補償"，它是針對非正弦電流波形而采取的提高線路功率因數(shù)、迫使AC線路電流