李美英+屈栓柱

摘 要 目前，矢量變頻技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上，并且變頻技術(shù)所應(yīng)用到的行業(yè)越來越廣泛，和能源相關(guān)的行業(yè)都能用到，如：生活中空調(diào)，冰箱，洗衣機等，工業(yè)中的起重機等。文章主要闡述了變頻技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用中轉(zhuǎn)子位置檢測的一些問題。

關(guān)鍵詞 變頻；位置檢測；失步；續(xù)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(nèi)家電行業(yè)主要通過研發(fā)新方法、新技術(shù)來降低能耗。在空調(diào)領(lǐng)域，目前國內(nèi)外都推出了變頻技術(shù)，即通過控制信號控制周期的變化，實現(xiàn)壓縮機的轉(zhuǎn)動頻率的變化。變頻控制主芯片發(fā)出PWM波來控制壓縮機的轉(zhuǎn)速，在正常運轉(zhuǎn)階段，INV板通過檢測壓機轉(zhuǎn)子的位置信號進行PWM控制。如果轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)，在現(xiàn)階段也是相對成熟的方法技術(shù)，不管是在硬件設(shè)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(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)。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(fù)雜，相應(yīng)的會提高硬件制作的成本。特別是在壓機規(guī)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(yīng)的附加回路。

一路位置信號檢測簡化了硬件回路的復(fù)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(jié)合了三個端子的信號及噪聲，而正常調(diào)制相對檢測反電動勢相產(chǎn)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(shè)計提出了更高的要求。涉及到一些參數(shù)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(xiàn)的，每一路對應(yīng)檢測相應(yīng)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(jù)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(dǎo)通的期間內(nèi)，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(jù)一路位置信號檢測的原理圖（如圖3），可以推導(dǎo)出：若P、N之間的電壓為540 V，IPM導(dǎo)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(guān)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(fā)現(xiàn)，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(lián)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(jié)果產(chǎn)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(guī)格的電容會把比較小的位置信號慮除掉，所以把電容調(diào)整為471左右。同樣，芯片端口的慮波電容也要進行相應(yīng)的調(diào)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(guān)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(zhuǎn)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(dǎo)致功率大，從而電流大?？刂菩盘栠M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(jīng)不存在相應(yīng)的導(dǎo)通回路，這時，只能通過續(xù)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(xù)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(zhuǎn)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(nèi)的載波個數(shù)為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內(nèi)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(xù)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(qū)，而續(xù)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(yīng)的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續(xù)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(xù)流的產(chǎn)生

續(xù)流現(xiàn)象又是如何產(chǎn)生的呢？我們聯(lián)系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導(dǎo)通V-調(diào)制向U+調(diào)制W-導(dǎo)通切換為例。

3.2.1 U+導(dǎo)通，V-調(diào)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(jīng)過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導(dǎo)通，V-調(diào)制電流方向

3.2.2 U+調(diào)制，W-導(dǎo)通

檢測到位置信號切換之后，U+調(diào)制，W-導(dǎo)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(jīng)過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經(jīng)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(xù)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(jīng)過V相正橋臂的續(xù)流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導(dǎo)通，W-調(diào)制電流及續(xù)流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續(xù)流現(xiàn)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(jié)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(dǎo)通的時間），而位置信號的檢測是在導(dǎo)通的時間內(nèi)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(jù)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(xiàn)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(nèi)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(yīng)增速的要求。

如果把調(diào)制階段的關(guān)斷時間也考慮在內(nèi)，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數(shù)據(jù)）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關(guān)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(guān)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(nèi)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(jié)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(shù)、轉(zhuǎn)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(shù)，以及參數(shù)調(diào)整所帶來的影響。無論前期設(shè)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(diào)節(jié)[M].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調(diào)節(jié)工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊[M].上海：同濟大學(xué)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(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)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(nèi)的載波個數(shù)為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內(nèi)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(xù)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(qū)，而續(xù)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(yīng)的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續(xù)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(xù)流的產(chǎn)生

續(xù)流現(xiàn)象又是如何產(chǎn)生的呢？我們聯(lián)系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導(dǎo)通V-調(diào)制向U+調(diào)制W-導(dǎo)通切換為例。

3.2.1 U+導(dǎo)通，V-調(diào)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(jīng)過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導(dǎo)通，V-調(diào)制電流方向

3.2.2 U+調(diào)制，W-導(dǎo)通

檢測到位置信號切換之后，U+調(diào)制，W-導(dǎo)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(jīng)過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經(jīng)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(xù)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(jīng)過V相正橋臂的續(xù)流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導(dǎo)通，W-調(diào)制電流及續(xù)流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續(xù)流現(xiàn)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(jié)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(dǎo)通的時間），而位置信號的檢測是在導(dǎo)通的時間內(nèi)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(jù)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(xiàn)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(nèi)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(yīng)增速的要求。

如果把調(diào)制階段的關(guān)斷時間也考慮在內(nèi)，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數(shù)據(jù)）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關(guān)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(guān)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(nèi)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(jié)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(shù)、轉(zhuǎn)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(shù)，以及參數(shù)調(diào)整所帶來的影響。無論前期設(shè)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(diào)節(jié)[M].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調(diào)節(jié)工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊[M].上海：同濟大學(xué)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(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)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(nèi)的載波個數(shù)為463/240≈1.93，由此可見，每個60度的時間內(nèi)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(xù)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(qū)，而續(xù)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(yīng)的屏蔽時間會減少，屏蔽時間的減少使我們繼續(xù)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(xù)流的產(chǎn)生

續(xù)流現(xiàn)象又是如何產(chǎn)生的呢？我們聯(lián)系實際的回路進行具體的分析一下。以U+導(dǎo)通V-調(diào)制向U+調(diào)制W-導(dǎo)通切換為例。

3.2.1 U+導(dǎo)通，V-調(diào)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(jīng)過V相負橋臂的IGBT到電容的負極。

圖7 U+導(dǎo)通，V-調(diào)制電流方向

3.2.2 U+調(diào)制，W-導(dǎo)通

檢測到位置信號切換之后，U+調(diào)制，W-導(dǎo)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(jīng)過U相正橋臂的IGBT，馬達U相和W相的線圈，再經(jīng)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(xù)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(jīng)過V相正橋臂的續(xù)流二極管，U相正橋臂的IGBT，流回馬達的U相線圈。

圖8 U+導(dǎo)通，W-調(diào)制電流及續(xù)流方向

3.3 高頻失步的解決措施

因為續(xù)流現(xiàn)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(jié)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(dǎo)通的時間），而位置信號的檢測是在導(dǎo)通的時間內(nèi)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(jù)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(xiàn)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(nèi)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(yīng)增速的要求。

如果把調(diào)制階段的關(guān)斷時間也考慮在內(nèi)，我們以103 Hz時占空比為98%（實際運行中的數(shù)據(jù)）來計算，則100 Hz時的占空比為98%/103×100≈95.15%，關(guān)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(guān)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(nèi)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(jié)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(shù)、轉(zhuǎn)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(shù)，以及參數(shù)調(diào)整所帶來的影響。無論前期設(shè)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(diào)節(jié)[M].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，2003.

[2]鄭愛平.空氣調(diào)節(jié)工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]陳沛霖，岳孝.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊[M].上海：同濟大學(xué)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(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)處理等工作。endprint