磁场定向控制在三相永磁同步微型风扇电机中的应用研究

王毅杰，路林吉

磁场定向控制在三相永磁同步微型风扇电机中的应用研究

王毅杰，路林吉

制冷业在国家节能减排的目标下，传统的微型风扇电机大多使用单相异步结构，存在执行效率低，噪音和力矩脉动大等诸多缺点。故近年来人们开始使用三相永磁同步电机和梯形波驱动方式来替代单相异步电机。在使用了三相交流永磁同步电机作为微型风扇电机后，效率、力矩脉动和转速等诸多方面都有了大幅度的提高，但其梯形波控制方式过于简单，使三相电机在360°周期内根据传感器反馈信号以6拍形式实现自然换相，产生梯形波电流信号，从而近似地模拟电机的正弦特性。这种控制方式使得相电流在换相中变化过大，并有零电流状态，使电机仍存在较大的力矩脉动，并且在效率等方面仍存在改善空间。此课题是研究和分析使用磁场定向控制替代梯形波控制方式，在相同被控对象和负载的情况下，可显著提高电机效率并改善转矩脉动。

磁场定向控制；空间向量PWM；微型三相永磁同步电机；PID；磁场等效变换

0 引言

随着国家节能减排政策的落实，冰箱冷柜中的风扇电机驱动技术日显落后，虽然已开始从罩极式电机向永磁同步电机过渡，但驱动方式大多还使用简单的梯形波控制。

本文的背景为与半导体厂商合作，利用 DSP芯片的高性能和灵活性实现算法，再进行硬件芯片固化算法及定制。本文根据实际情况对磁场定向控制进行分析和研究，目的是提高风扇电机的效率和降低因换相引起的力矩脉动。

1 总体设计方案

方案设计输入为DC+12V电压，通过三相全桥逆变器将直流输入电压逆变为三相平衡的交流电流，控制三相永磁同步电机，如图1所示：

图1 控制系统框图

该三相全桥逆变器结构与现有的梯形波控制方式结构相同，将控制部分用磁场定向控制代替梯形波控制。使用位置传感器监测转子位置，保证启动的可靠性。设计最后将与梯形波控制方式做相同被控电机的对比。

2 硬件平台与控制原理

2.1 硬件平台

硬件平台使用6个低压MOSFET组成三相全桥逆变器结构，主控芯片和预驱芯片为 TI公司产品，主控芯片为TMS320F28035，使用集成三相的预驱动芯片DRV8303作为门极驱动电路[1]，如图2所示：

图2 硬件结构框图

采集三相交流系统的2相相电流，通过DRV8303内部的运放进行放大处理后，反馈给主控芯片进行ADC输入。

本系统使用了 3个霍尔传感器作为电机转子的位置检测器，3个霍尔传感器在相位上互差120°，3等分均匀安装在定子铁心槽的中间空隙处，正面感应区域正对转子。

有别于用于伺服电机的位置编码器，以及梯形波控制方式的霍尔传感IC器件，霍尔传感器输出为模拟量差分信号。每个霍尔传感器有2个输出引脚，2个输出信号幅值相等，相位相反。对于微型电机的风扇驱动应用，无法安装例如伺服电机的位置编码器。对于梯形波控制方式所使用的霍尔传感IC器件，则只能产生高电平或低电平。霍尔传感器则可以很好的以模拟量信号显示当前转子的实时电角度，主控芯片只需以AD采样霍尔传感器的输出信号，加以查表处理，即可得到所需变量。另外霍尔传感器的信号差分输出方式，还具有抗干扰能力强，时序定位准确等优点。

2.2 空间向量PWM

硬件上电源逆变器使用了典型的 3相全桥的逆变器结构，如图3所示：

图3 逆变器结构框图

系统供电电压为VDC，3路上桥MOS栅极控制信号为a、b和c，3路下桥MOS栅极控制信号a’、b’和c’为3路上桥控制信号的互补信号。电机定子线圈三相相线端为A、B和C，三相Y型线圈中心点为N。

由于该三相电源逆变器的上桥控制信号a、b和c，只有“开”和“关”两种信号状态，可分别记为1和0，则上述逆变器共有8种可能的开关模式。对应控制信号a、b、c操作功率管的开关组合，除了 2种零向量(000)和(111)的全部关闭状态以外，有效的开关组合共有6种，也就是说，在一个电周期内，共进行6次开关切换，梯形波驱动方式即依靠这种基本的六拍制进行换相，并产生一个正六边形的磁链轨迹。以该正六边形每个方向定义一个矢量，即得到的基本空间向量如图4所示：

图4 基本空间向量图

梯形波控制方式以图4中拍为基础进行换相，得到的相电流受电机感抗影响变形为梯形波形态，故称为梯形波控制。在360°周期内每隔60°换相一次，60°之内不做任何动作，而转子却还随定子磁场吸引进行旋转，故而在旋转过程中大多数时间并非最佳效率点。

空间向量PWM调制技术的目的，是以图4的基本空间向量为基础，利用逆变器的开关组合，去近似得到一个合成的定子参考电压向量UOUT。这个定子参考电压向量UOUT在2个相邻的基本空间向量之间，即可将正六边形的磁链轨迹变为正多边形的磁链轨迹，当正多边形的边越多，该磁链轨迹就可越近似的得到圆形旋转磁场。

2.3 磁场定向控制

磁场定向控制理论的目的，是通过一系列的坐标变换，将多变量、非线性、强耦合的三相交流系统，等效变换为类似于直流电机的磁场结构。这样就可将三相交流系统中，定子上无法分辨的励磁电流和负载电流，像对直流电机的励磁电流和负载电流那样分别进行独立的控制[2]。这样一来，对三相交流系统的调速和控制性能，就可以得到类似于对直流电机的控制性能了。最后通过空间向量PWM技术，逆变为三相平衡并互差120°的交流电流，并在定子线圈上形成圆形磁场。

由于三相交流系统难以直接等效变换为两相直流系统，所以需设一个两相交流系统作为过渡阶段。

两相交流系统结构类似于三相交流系统，两相绕组在空间上互差90°，两相平衡的交流电流在相位上也互差90°，则类似于三相交流系统，两相交流系统也可在空间上形成一个旋转的圆形磁场。如三相交流系统和两相交流系统产生的磁场强度等各变量均相同，也即当这两种不同系统产生的旋转圆形磁场完全相同，即可认为三相交流系统和两相交流系统所产生的磁场是可以互相等效的。

但对于类似于直流电机的磁场系统而言，由于通入的是直流电流，所以这个恒定磁场是静止并不旋转的。现假设绕组A和绕组B，空间上互差90°垂直，则其会在空间上合成一个静止的合成磁场。现假设绕组A和绕组B，在结构与相对位置不变的情况下，借助外力让它们同时以两个绕组正交交点为圆心旋转起来，它们的合成磁场也就旋转了起来。当这个合成磁场绕圆旋转了一周，也就形成了一个圆形磁场。如此时这个被外力带动的圆形磁场强度等各变量与上述介绍的三相和两相交流系统的圆形磁场均相同，也即当这三种不同系统产生的旋转圆形磁场完全相同，即可认为三相交流系统、两相交流系统和旋转的两相直流系统，这三种系统所产生的磁场是可以互相等效的。

一般称三相交流系统向两相交流系统的变换为三/二变换，或称为Clark变换。两相交流系统向三相交流系统的变换，称为二/三变换，或成为反Clark变换。两相交流系统变换为旋转的直流系统，称为交/直变换，或称为Park变换。旋转的直流系统变换为两相交流系统的变换，称为直/交变换，或称为反Park变换。

3 软件设计

3.1 Clark变换

根据三相交流电流互差120°的特性可得式（1）：

并且三相交流系统电流平衡，即式（2）：

本文不使用经典的三相电流矩阵换算方法，而是简单的通过三角函数和差角公式，可将式（1）中的b项分解，得到式（3）：

设三相交流系统坐标系的a与两相交流系统坐标系α重合，并幅值相同，即 =α，并有两相交流系统公式如式（4）：

将（4）代入（3），整理得Clark变换式（5）：

并可用相同方法反推，得到反Clark变换式（6）：

3.2 Park变换

如图5所示：

图5 两相静止直流绕组旋转示意图

设两相静止的交流系统有αβ坐标系，设两相直流绕组旋转体系统有DQ旋转坐标系。其中，DQ坐标系以定子电流角频率ωs的速度在旋转，D轴与α轴的夹角记为θ，由于DQ坐标系是旋转的，所以θ是随时间变化的。设Is是定子电流矢量，Is分别在DQ坐标系和αβ坐标系上都有投影。IαIβ由Clark变换已知，θ为霍尔角度，则需要坐标变换来求得ID和IQ。通过图中增加的辅助线和三角函数关系，可得到式（7）：

同理，通过辅助线和三角函数关系，可知式（8）：

通过辅助线和三角关系可知：L3=L3′

从而推导出式（9）：：

将式（9）代入式（8）可得到第二个关系式如式（10）：

与第一个关系式（7）一起整理为式（11）：：

（12）即为反Park变换矩阵。

3.3 PID

本系统使用了PID中的位置式PID，并在基本的PID算法上，结合本系统和调试时的实际情况，增加了部分内容。如图6所示：

图6 PID原理图

其中在比例项中，对系统给定值增加了权重项Kr，在电机启动和加速阶段，可根据实际调试情况，增加Kr来放大偏差值如式（13）：

本系统中，由于输出具有最大饱和限制，所以为防止积分项过调，以及减少从饱和时退出的相应时间，积分项设有一个开关量w1，变量w1的值只有0和1两种情况，当w=时，可使积分项功能关闭。积分项如式（14）：

本系统增加了微分项权重Km，其构成方式与比例项权重Kr类似，这两个权重变量可分别独立控制。另外，微分项一般对噪声都会较敏感，系统在此处增加了一阶数字滤波器，公式如式（15）：

当比例项、积分项和微分项分别完成后，执行下式完成PID控制如式（16）：：

此外，为防实际输出过大产生错误，设定输出饱和系数Umx和Umn，控制最终结果如式（17）：

4 测试结果

测试电机共3种，由交流220V/50Hz驱动的单相异步电机，由梯形波控制的三相永磁同步电机，以及由磁场定向控制的三相永磁同步电机。其中，后两种控制方式不同，但被控电机各参数均完全相同。测试结果如图7所示：

图7 电机输入输出对比图

单相异步电机输入功率的平均值7.24W，梯形波控制的永磁同步电机平均输入功率为 3.44W，即在输出转速相同，误差3%的前提下，输入功率下降了50%左右。

使用磁场定向控制的永磁同步电机，在电机结构、定子和转子参数相同的情况下，平均输入功率为2.28W，即在输出转速相同和转速误差3%的前提下，输入功率比梯形波控制的相同电机下降了33%左右。

5 总结

随着风冷式冰箱在行业内越来越普及，微型风机因其数量的庞大性，使得功耗的下降对国家关于白电行业节能减排的政策具有重要的现实意义。

本文就磁场定向控制在微型风机的控制上进行了分析，并结合实际做了部分修改和验证了控制实现，并通过实际测试情况验证了控制的有效性。

[1] DRV8303EVM User's Guide (Rev. A)，[R]TI公司，2012年.

[2] 李永东等.交流电机数字控制系统[M].机械工业出版社，2002, 122-256.

[3] 王晓明等.电动机的DSP控制[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009, 100-18.

[4] 曾允文等.变频调速SVPWM技术的原理、算法与应用[M].北京: 机械工业出版社，2011.

Application of Field Oriented Control in Micro Fan of Three Phase PMSM

Wang Yijie,Lu Linji
(Automation Institute, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

The motor structure of classical refrigerator micro fan is single-phase asynchronous. Considering national energy saving policies, classical micro fan motor has a lot of drawbacks such as low efficiency, uncontrollability, unacceptable noise and torque ripple. So the classical single-phase asynchronous motor has been replaced by three-phase permanent magnet synchronous motor and trapezoidal waveform control technology developed in recent years. After using the new motor structure and control method, it has obtained the good effect in increase efficiency and reducing torque ripple. But the trapezoidal waveform control method istill on a rather simplistic level in the control of PMSM. According the feedback signals of rotor position sensor, the trapezoidal waveform control method generated six states in whole 360° commutating cycle. This makes the phase current turn into the trapezoidal waveform. The trapezoidal wave current still has a lot of torque ripple because of sudden change of phase current and zero current states. It’s still far from perfect in motor efficiency and torque ripple. Through the applied research of this giuen in, the trapezoidal waveform control method was replaced by the field oriented control method, and the motor efficiency and torque ripple haue been greatly improved.

Field Oriented Control, Space Vector PWM, Micro Three-phase PMSM, PID, Magnetic Equivalent Conversion

TP393

A

1007-757X(2016)09-0060-04

2016.06.20）

王毅杰（1981-），男，上海交通大学，自动化系，工程硕士研究生，研究方向：电机控制的研究，上海 200240

路林吉（1963-），男，上海交大，自动化系，副教授，研究方向：工业自动化系统设计、数字图像处理技术及应用，上海 200240