變頻空調室外機驅動控制系統設計

摘要：根據室外機雙永磁同步電機的無傳感器矢量控制和數字功率因數校正控制的要求，提出母線電壓、電機定子電流、功率因數校正電流的采樣策略和如何在單個MCU上實現控制的方法。針對整個系統控制的要求對MCU的PWM、ADC控制外設進行了優化設計，定制了一款采用通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU。
關鍵詞：數字功率因數校正；永磁同步電機；無速度傳感器；雙核MCU

引言
隨著《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》強制性國家標準的正式實施，對變頻空調整體性能的要求越來越高，低成本、低噪聲、高性能已成為變頻空調的發展趨勢。而作為變頻空調核心部件的壓縮機及其室外控制器是提升整機性能的關鍵。由于永磁同步電動機具有體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率密度高等優點，且采用正弦波控制方式可提高力矩輸出的穩定性和降低噪聲，因此被廣泛應用在壓縮機和風機中。
傳統變頻空調的室外控制器由功率因數校正(PFC)、壓縮機驅動控制、風機驅動控制等電路構成。其中PFC驅動采用模擬的專用控制芯片，壓縮機與系統控制采用MCU來實現無傳感器矢量控制及系統控制，而室外風機采用有霍爾傳感器的驅動芯片或者專門的MCU來實現無傳感器的矢量控制。采用多個芯片實現室外機控制，增加了成本，同時降低了系統的可靠性。
本文根據變頻空調產品控制系統高性能和低成本的特點，針對PFC和電機驅動的要求優化了室外機控制器的外設，定制了一款通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU，實現了變頻空調的功率因數校正、壓縮機和風機的無位置傳感器矢量控制、冷媒控制等功能，同時分析了PWM產生，電流、電壓等信號的采樣方法，提高了室外機控制系統的可靠性、穩定性。

1 變頻空調室外機驅動控制系統
本文提出的應用于變頻空調室外機控制系統主要由一個具有功率因數校正的整流器、兩個三相逆變器以及其他控制電路組成，整個系統由定制的雙核MCU進行控制。其中兩個三相逆變器用于驅動壓縮機永磁同步電機及風機永磁同步電機，一個功率因數校正電路用于實現母線電壓的主動控制，其他控制電路用于控制冷媒、環境溫度和室內機通信等。
1．1 壓縮機、風機驅動控制系統
在家用變頻空調中，壓縮機永磁同步電機處于高溫、高壓、密封的環境中，必須采用無位置傳感器矢量控制。其位置和轉速估算算法主要是基于假定旋轉坐標系，如圖1所示。

將假定坐標系下的電機方程式與旋轉坐標系下的電壓方程相減可得離散化的方程如下：

由于采樣周期較短，誤差被放大，還需要對估算轉速進行濾波處理。