变频器转子位置检测问题的探讨

李美英+屈栓柱

摘 要 目前，矢量变频技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上，并且变频技术所应用到的行业越来越广泛，和能源相关的行业都能用到，如：生活中空调，冰箱，洗衣机等，工业中的起重机等。文章主要阐述了变频技术在空调领域的应用中转子位置检测的一些问题。

关键词 变频；位置检测；失步；续流

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0082-03

1 概述

目前，国内家电行业主要通过研发新方法、新技术来降低能耗。在空调领域，目前国内外都推出了变频技术，即通过控制信号控制周期的变化，实现压缩机的转动频率的变化。变频控制主芯片发出PWM波来控制压缩机的转速，在正常运转阶段，INV板通过检测压机转子的位置信号进行PWM控制。如果转子的速度比目标指令快，就要减小占空比，以减小压机的扭矩；相反要增加占空比增大扭矩。速度的计算正式通过位置检测来实现的。变频控制方法又分为120度变频（方波变频）和180度变频（全波变频）。本文主要讨论的是120度变频控制方法，这种方法相对于180度变频控制方法而言更易于实现，在现阶段也是相对成熟的方法技术，不管是在硬件设计还是在软件程序控制上，都相对容易很多，因此，被众多厂家推广使用。

2 转子位置检测原理

2.1 位置检测回路介绍

120度控制方法中，经常使用的是反电动势法进行位置检测。通过检测UVW端子的电压和反电动势来实现。位置检测可以三路分开检测，也可以三路并为一路进行检测。

三路位置信号检测比较直观，噪声的干扰相对较小，但是其硬件外围回路比较复杂，相应的会提高硬件制作的成本。特别是在压机规格比较大的情况下，需要进行强/弱电的隔离，要使用快速光耦和相应的附加回路。

一路位置信号检测简化了硬件回路的复杂度，降低了成本。但是对硬件回路中的虑波和软件中的判断精度提高了要求。因一路的位置信号结合了三个端子的信号及噪声，而正常调制相对检测反电动势相产生的干扰也叠加在一起了。所以要尽量去掉端子电压之间的互扰，这对硬件设计提出了更高的要求。涉及到一些参数选择的问题要同时试验来确定。

2.2 三路位置检测原理

三路位置检测回路，检测示意图如图1。位置检测是通过三路分别实现的，每一路对应检测相应的端子电压分别进行检测，比较器的负输入端接基准电压，正输入端接端子电压。不同时刻根据不同相的端子电压进行位置判断。

其中，负相输入端的电压为：V-=Vdc*（4.7//4.7）/360+（4.7//4.7）+4.7//4.7=Vdc*2.35/364.7

正相输入端的电压为：V+=Vu*4.7/360+4.7=Vu*4.7/364.7

因为在不导通的期间内，端子电压是渐变的正弦波。在正弦波的上升沿或下降沿来检测位置信号，例如在检测U相的位置信号时，当U相端子的电压等于Vdc/2时，V-和V+的输入电压相等，如果反电动势是由大变小的，那么检测到的即是下降沿；相反，为上升沿。示意图见图2。

2.3 一路位置检测原理

根据一路位置信号检测的原理图（如图3），可以推导出：若P、N之间的电压为540 V，IPM导通的两相为U+、V-，也就是说U相端子接540 V（P），V相端子接地（N），W相的反电动势待检测。比较器负输入端子的电压为：

V-=540 V*（4.7+4.7//4.7）/（660+4.7+4.7//4.7） ≈5.707218 V

比较器正输入端回路可以等效为图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

图1 三路位置信号检测回路（不带隔离回路）

图2 控制信号与端子电压的关系（三路位置信号检测）

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

即当W相的端子电压=1.9811665/0.0069≈287 V的时候可以检测到正确的位置信号。但是在计算过程中可以发现，V+的输入端并非严格的4.7K和7.05K的分压，还存在与之并联的其他两项的分压电阻，虽然阻值都很大，但是在比较精确的位置信号检测的过程中还是存在很大的偏差，容易造成60度时间的不平衡，引起压机的振动。

值得注意的是虑波电容的选择，试验证实，在位置信号检测回路上的分压电阻两端要添加虑波电容，但是由于位置信号是快速信号，所以容值会对检测结果产生很大的影响。如果三路位置信号检测电路采用的是102的电容，则一路位置信号检测电路中，因涉及到光耦隔离等影响，采用同样规格的电容会把比较小的位置信号虑除掉，所以把电容调整为471左右。同样，芯片端口的虑波电容也要进行相应的调整。

图3 一路位置信号检测回路（带隔离回路）

图4 一路位置信号检测的端子电压等效电路

图5 控制信号与端子电压的关系（一路位置信号检测）

图6 控制信号（淡蓝），检测到的电流（绿）和位置检测信号（紫）

3 高速运转中的位置检测

3.1 高频失步问题

压缩机高频运行的过程中，由于负载大，导致功率大，从而电流大。控制信号进行换相控制的时候，马达线圈上的电流不会瞬间消失，而IGBT已经不存在相应的导通回路，这时，只能通过续流二极管来消耗剩余的能量。负载越大则电流越大，剩余的能量就越多，续流的时间也就越长。使用6极马达，在高频的情况下，60度的时间比较短，例如在120 Hz运转的情况下：endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一个载波周期为240 us，则60度电气角度内的载波个数为463/240≈1.93，由此可见，每个60度的时间内只有不到2个的载波。位置检测的屏蔽角度为45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而实际测试的续流时间最长可达360 us，也就是说，会有13 us左右的时间进入有效的位置信号的检测区，而续流引起的信号，与要检测的位置信号一致，这样就误检测到了位置信号。因为错误的位置信号比正确的位置信号是超前的，所以程序计算出的速度也会增大，同时45度屏蔽角度对应的屏蔽时间会减少，屏蔽时间的减少使我们继续检测到错误的位置信号。当然，程序中得出的错误的检测速度比目标速度大的时候，就会减小占空比，从而使电流减小，但是，由于屏蔽时间太短，所以仍然会检测到错误的位置信号。如图6所示。

3.2 续流的产生

续流现象又是如何产生的呢？我们联系实际的回路进行具体的分析一下。以U+导通V-调制向U+调制W-导通切换为例。

3.2.1 U+导通，V-调制

此时电流的流向如图7中虚线线条所示，即电流从电容的正极流过U相正桥臂的IGBT，马达U相和V相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT到电容的负极。

图7 U+导通，V-调制电流方向

3.2.2 U+调制，W-导通

检测到位置信号切换之后，U+调制，W-导通，电流的流向如图8中蓝色线条所示，即电流从电容的正极流出，经过U相正桥臂的IGBT，马达U相和W相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT流回电容的负极。同时，马达线圈V相上的剩余能量通过续流二极管释放出去，电流的流向如图8中红色线条所示，即电流从马达的V相线圈流出，经过V相正桥臂的续流二极管，U相正桥臂的IGBT，流回马达的U相线圈。

图8 U+导通，W-调制电流及续流方向

3.3 高频失步的解决措施

因为续流现象是客观存在的，而且马达的能力要求也决定了一定会流过比较大的电流，所以目前为止都无法从硬件上来解决这一问题。只能通过增加前面所述的屏蔽时间（如：屏蔽时间由原来的45度电气角度改换为55度电气角度）来减小检测错误信号的可能性，但是这样做的结果也减小了检测正确位置信号的时间，这时必须考虑到减小检测时间对位置检测及增速造成的影响。

对于位置检测，因为高频下的占空比很大，基本上达到了最大值98%（2%的时间是避免IPM上下桥臂同时导通的时间），而位置信号的检测是在导通的时间内进行检测，所以很容易检测到位置信号。

同样，对于增速的影响也可以根据上面的位置信号进行计算的，因为可以及时检测到位置信号，所以可以实现增速的要求。例如在55度时进行位置检测，则增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是说速度为100 Hz时可以检测到109hz（100×12/11）的速度，速度的计算是200 ms计算一次，则1s内的增速量为100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以适应增速的要求。

如果把调制阶段的关断时间也考虑在内，我们以103 Hz时占空比为98%（实际运行中的数据）来计算，则100 Hz时的占空比为98%/103×100≈95.15%，关断期间为（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度电气角度的时间为1000000/100/18=555.55（us），关断时间所占60度的角度为11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信号的有效检测时间为5°el，所以至少存在的增速率为{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz时1 s内检测到的速度可以达到100×1.38=138 Hz，完全满足1 Hz/s的增速要求，同时也为负载急剧变化留下了的空间。

4 结束语

对于不同硬件回路的位置检测，需要考虑的影响因素有所不同。即使是相同位置检测回路，考虑到负载、元器件参数、转速等因素的影响，也要通过实际验证才能确定每个步骤的参数，以及参数调整所带来的影响。无论前期设计还是后期试验的过程，都会遇到很多问题，要从多方面、多角度的进行分析，从而探求解决问题的最佳方案。

参考文献

[1]王鹏英.新编空气调节[M].上海：上海工程技术大学机械工程学院，2003.

[2]郑爱平.空气调节工程[M].北京：科学出版社，2002.

[3]陈沛霖，岳孝.空调与制冷技术手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

作者简介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程师，主要从事仪器设备维修、维护及数据处理等工作。endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一个载波周期为240 us，则60度电气角度内的载波个数为463/240≈1.93，由此可见，每个60度的时间内只有不到2个的载波。位置检测的屏蔽角度为45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而实际测试的续流时间最长可达360 us，也就是说，会有13 us左右的时间进入有效的位置信号的检测区，而续流引起的信号，与要检测的位置信号一致，这样就误检测到了位置信号。因为错误的位置信号比正确的位置信号是超前的，所以程序计算出的速度也会增大，同时45度屏蔽角度对应的屏蔽时间会减少，屏蔽时间的减少使我们继续检测到错误的位置信号。当然，程序中得出的错误的检测速度比目标速度大的时候，就会减小占空比，从而使电流减小，但是，由于屏蔽时间太短，所以仍然会检测到错误的位置信号。如图6所示。

3.2 续流的产生

续流现象又是如何产生的呢？我们联系实际的回路进行具体的分析一下。以U+导通V-调制向U+调制W-导通切换为例。

3.2.1 U+导通，V-调制

此时电流的流向如图7中虚线线条所示，即电流从电容的正极流过U相正桥臂的IGBT，马达U相和V相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT到电容的负极。

图7 U+导通，V-调制电流方向

3.2.2 U+调制，W-导通

检测到位置信号切换之后，U+调制，W-导通，电流的流向如图8中蓝色线条所示，即电流从电容的正极流出，经过U相正桥臂的IGBT，马达U相和W相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT流回电容的负极。同时，马达线圈V相上的剩余能量通过续流二极管释放出去，电流的流向如图8中红色线条所示，即电流从马达的V相线圈流出，经过V相正桥臂的续流二极管，U相正桥臂的IGBT，流回马达的U相线圈。

图8 U+导通，W-调制电流及续流方向

3.3 高频失步的解决措施

因为续流现象是客观存在的，而且马达的能力要求也决定了一定会流过比较大的电流，所以目前为止都无法从硬件上来解决这一问题。只能通过增加前面所述的屏蔽时间（如：屏蔽时间由原来的45度电气角度改换为55度电气角度）来减小检测错误信号的可能性，但是这样做的结果也减小了检测正确位置信号的时间，这时必须考虑到减小检测时间对位置检测及增速造成的影响。

对于位置检测，因为高频下的占空比很大，基本上达到了最大值98%（2%的时间是避免IPM上下桥臂同时导通的时间），而位置信号的检测是在导通的时间内进行检测，所以很容易检测到位置信号。

同样，对于增速的影响也可以根据上面的位置信号进行计算的，因为可以及时检测到位置信号，所以可以实现增速的要求。例如在55度时进行位置检测，则增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是说速度为100 Hz时可以检测到109hz（100×12/11）的速度，速度的计算是200 ms计算一次，则1s内的增速量为100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以适应增速的要求。

如果把调制阶段的关断时间也考虑在内，我们以103 Hz时占空比为98%（实际运行中的数据）来计算，则100 Hz时的占空比为98%/103×100≈95.15%，关断期间为（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度电气角度的时间为1000000/100/18=555.55（us），关断时间所占60度的角度为11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信号的有效检测时间为5°el，所以至少存在的增速率为{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz时1 s内检测到的速度可以达到100×1.38=138 Hz，完全满足1 Hz/s的增速要求，同时也为负载急剧变化留下了的空间。

4 结束语

对于不同硬件回路的位置检测，需要考虑的影响因素有所不同。即使是相同位置检测回路，考虑到负载、元器件参数、转速等因素的影响，也要通过实际验证才能确定每个步骤的参数，以及参数调整所带来的影响。无论前期设计还是后期试验的过程，都会遇到很多问题，要从多方面、多角度的进行分析，从而探求解决问题的最佳方案。

参考文献

[1]王鹏英.新编空气调节[M].上海：上海工程技术大学机械工程学院，2003.

[2]郑爱平.空气调节工程[M].北京：科学出版社，2002.

[3]陈沛霖，岳孝.空调与制冷技术手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

作者简介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程师，主要从事仪器设备维修、维护及数据处理等工作。endprint

T60°el=1000000（us）/120（Hz）/18≈463（us）。

通常一个载波周期为240 us，则60度电气角度内的载波个数为463/240≈1.93，由此可见，每个60度的时间内只有不到2个的载波。位置检测的屏蔽角度为45度，T45°el=463 us×45/60≈347 us。

而实际测试的续流时间最长可达360 us，也就是说，会有13 us左右的时间进入有效的位置信号的检测区，而续流引起的信号，与要检测的位置信号一致，这样就误检测到了位置信号。因为错误的位置信号比正确的位置信号是超前的，所以程序计算出的速度也会增大，同时45度屏蔽角度对应的屏蔽时间会减少，屏蔽时间的减少使我们继续检测到错误的位置信号。当然，程序中得出的错误的检测速度比目标速度大的时候，就会减小占空比，从而使电流减小，但是，由于屏蔽时间太短，所以仍然会检测到错误的位置信号。如图6所示。

3.2 续流的产生

续流现象又是如何产生的呢？我们联系实际的回路进行具体的分析一下。以U+导通V-调制向U+调制W-导通切换为例。

3.2.1 U+导通，V-调制

此时电流的流向如图7中虚线线条所示，即电流从电容的正极流过U相正桥臂的IGBT，马达U相和V相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT到电容的负极。

图7 U+导通，V-调制电流方向

3.2.2 U+调制，W-导通

检测到位置信号切换之后，U+调制，W-导通，电流的流向如图8中蓝色线条所示，即电流从电容的正极流出，经过U相正桥臂的IGBT，马达U相和W相的线圈，再经过V相负桥臂的IGBT流回电容的负极。同时，马达线圈V相上的剩余能量通过续流二极管释放出去，电流的流向如图8中红色线条所示，即电流从马达的V相线圈流出，经过V相正桥臂的续流二极管，U相正桥臂的IGBT，流回马达的U相线圈。

图8 U+导通，W-调制电流及续流方向

3.3 高频失步的解决措施

因为续流现象是客观存在的，而且马达的能力要求也决定了一定会流过比较大的电流，所以目前为止都无法从硬件上来解决这一问题。只能通过增加前面所述的屏蔽时间（如：屏蔽时间由原来的45度电气角度改换为55度电气角度）来减小检测错误信号的可能性，但是这样做的结果也减小了检测正确位置信号的时间，这时必须考虑到减小检测时间对位置检测及增速造成的影响。

对于位置检测，因为高频下的占空比很大，基本上达到了最大值98%（2%的时间是避免IPM上下桥臂同时导通的时间），而位置信号的检测是在导通的时间内进行检测，所以很容易检测到位置信号。

同样，对于增速的影响也可以根据上面的位置信号进行计算的，因为可以及时检测到位置信号，所以可以实现增速的要求。例如在55度时进行位置检测，则增速的余量是（T60°el-T55°el）/T60°el=5/60=1/12，也就是说速度为100 Hz时可以检测到109hz（100×12/11）的速度，速度的计算是200 ms计算一次，则1s内的增速量为100×（12/11）5≈154 Hz，而既定的增速率是1 Hz/s，完全可以适应增速的要求。

如果把调制阶段的关断时间也考虑在内，我们以103 Hz时占空比为98%（实际运行中的数据）来计算，则100 Hz时的占空比为98%/103×100≈95.15%，关断期间为（1-95.15%）×240（us）=11.64（us），100 Hz的60度电气角度的时间为1000000/100/18=555.55（us），关断时间所占60度的角度为11.64/555.55×60°el=1.26°el，而位置信号的有效检测时间为5°el，所以至少存在的增速率为{60/[60-（5-1.26）]}5≈1.38，即在100 Hz时1 s内检测到的速度可以达到100×1.38=138 Hz，完全满足1 Hz/s的增速要求，同时也为负载急剧变化留下了的空间。

4 结束语

对于不同硬件回路的位置检测，需要考虑的影响因素有所不同。即使是相同位置检测回路，考虑到负载、元器件参数、转速等因素的影响，也要通过实际验证才能确定每个步骤的参数，以及参数调整所带来的影响。无论前期设计还是后期试验的过程，都会遇到很多问题，要从多方面、多角度的进行分析，从而探求解决问题的最佳方案。

参考文献

[1]王鹏英.新编空气调节[M].上海：上海工程技术大学机械工程学院，2003.

[2]郑爱平.空气调节工程[M].北京：科学出版社，2002.

[3]陈沛霖，岳孝.空调与制冷技术手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

作者简介

李美英（1981-），河北涿州人，助理工程师，主要从事仪器设备维修、维护及数据处理等工作。endprint