吳敏， 盧慧芬， 張兵， 胡菲凡， 陳樂玲

(1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.加西貝拉壓縮機(jī)有限公司，浙江 嘉興 314006)

0 引言

近年來，隨著人們對(duì)于環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，變頻技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的各個(gè)行業(yè)，特別是在冰箱、空調(diào)等家電行業(yè)中，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。冰箱壓縮機(jī)對(duì)于效率和噪聲的要求很高，永磁無刷電機(jī)廣泛應(yīng)用于冰箱壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，矢量控制和無位置傳感器控制技術(shù)是其主流的控制技術(shù)[1-2]。一般情況下，冰箱壓縮機(jī)工作電壓維持在額定值，但是在一些特殊應(yīng)用場合，例如印度等電網(wǎng)質(zhì)量較差的應(yīng)用市場，電壓波動(dòng)劇烈[3]，特別是在輸入電壓比額定值低很多時(shí)，壓縮機(jī)不能正常工作，為此，設(shè)計(jì)特殊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，增加直流母線電壓調(diào)節(jié)電路，在輸入電壓低于額定值時(shí)，維持直流母線電壓，使冰箱壓縮機(jī)在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常運(yùn)行。

針對(duì)上述需求，本文基于TI公司C2000系列MCU，設(shè)計(jì)了集成直流母線電壓調(diào)節(jié)和電機(jī)控制于一體的寬電壓范圍運(yùn)行壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，在90 V～300 V交流輸入電壓范圍內(nèi)均能滿足壓縮機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行的性能需求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主控電路與輔助電源設(shè)計(jì)

主控芯片采用型號(hào)為TMS320F28035的微控制器(microcontroller unit，MCU)，該芯片除了有一顆主頻達(dá)60 MHz的DSP運(yùn)算核心外，還有一顆協(xié)處理器核心——控制律加速器(control law accelerator, CLA)。利用這一特點(diǎn)，可以將系統(tǒng)的運(yùn)算任務(wù)分配給這兩個(gè)核心，從而使兩部分任務(wù)單獨(dú)運(yùn)行而不互相干擾。本文利用CLA協(xié)處理器處理升壓電路控制算法，DSP核心處理電機(jī)控制算法與系統(tǒng)整體的調(diào)配任務(wù)。除此之外，該款MCU具有豐富的外設(shè)資源，包括16路12位高精度ADC，12路增強(qiáng)型PWM模塊，SCI串行通信模塊等，可以滿足系統(tǒng)的需求。

穩(wěn)定的輔助電源是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保障，分析本系統(tǒng)可知系統(tǒng)所需電源共有兩個(gè)電壓等級(jí)，分別是MCU等芯片的電源電壓3.3 V和IGBT與MOS管驅(qū)動(dòng)電壓15 V。為了盡量減小系統(tǒng)的靜態(tài)損耗，提高效率，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的反激式開關(guān)電源，該電源以5 V為基準(zhǔn)電壓，3.3 V電源由5 V電壓通過線性穩(wěn)壓芯片AMS1117轉(zhuǎn)換得到。開關(guān)電源以士蘭微電子公司生產(chǎn)的SDH8633芯片為核心設(shè)計(jì)，該芯片集成了開關(guān)管與控制電路，減小了設(shè)計(jì)難度，具有較低的靜態(tài)功耗。

1.2 升壓電路設(shè)計(jì)

升壓電路采用Boost電路拓?fù)?，使用該拓?fù)洳粌H可以實(shí)現(xiàn)升壓作用，還可以利用該電路實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正的作用，提高驅(qū)動(dòng)板的功率因數(shù)[4]。該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。交流電壓經(jīng)二極管整流后經(jīng)小電容濾波，得到全波整流電壓；通過控制開關(guān)管的占空比，可以使電路的輸出電壓穩(wěn)定在給定電壓。為了減小電感L的體積，需要適當(dāng)提高開關(guān)頻率，本文采用的開關(guān)頻率為200 kHz，電感量為300 μH，采用高頻電感專用鐵粉芯磁環(huán)繞制。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路

逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其輸入直流電壓為升壓電路的輸出電壓。準(zhǔn)確獲取電機(jī)的相電流信息是電機(jī)矢量控制的關(guān)鍵，對(duì)于小功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來說，一般采用電阻采樣的方法來獲取電機(jī)相電流，為保證電流采樣的穩(wěn)定性，本文采用雙電阻采樣的方法[5]，采集Rs1和Rs2兩個(gè)采樣電阻兩端的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后可得到電機(jī)的相電流。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 升壓電路控制

升壓電路的控制方法如圖4所示，采用電壓與電流雙閉環(huán)控制方法，電壓外環(huán)參考電壓為直流母線電壓給定值Vcmd，與反饋電壓Vout比較得到的差值作為PI控制器的輸入。電壓環(huán)PI控制器的輸出與交流輸入電壓Vin經(jīng)整流得到的電壓波形,計(jì)算得出電流內(nèi)環(huán)的給定值icmd，該給定值與Vin具有相同的相位，其與電感中實(shí)測的電流iL進(jìn)行比較得到的差值作為PI控制器的輸入，該P(yáng)I控制器的輸出為開關(guān)管的PWM占空比。通過MCU的PWM外設(shè)將具有該占空比的PWM波形輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片后驅(qū)動(dòng)MOS管。通過上述控制方法，不僅可以使電路輸出電壓穩(wěn)定在給定電壓，同時(shí)還使輸入電流與輸入電壓保持同相位，提高了電路的功率因數(shù)。

2.2 永磁無刷電機(jī)控制

電機(jī)控制的軟件算法結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的高性能矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度信息至關(guān)重要，光電編碼器等位置傳感器可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的實(shí)時(shí)檢測，但是在壓縮機(jī)這類惡劣工作環(huán)境中，不能安裝位置傳感器，只能采用無位置傳感器算法，設(shè)計(jì)觀測器計(jì)算轉(zhuǎn)子角度。該觀測器根據(jù)電機(jī)的電流與電壓信息，通過自適應(yīng)觀測算法，可以準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制[6]。

2.3 系統(tǒng)整合控制

由于電機(jī)控制算法與升壓電路控制算法對(duì)運(yùn)算周期要求嚴(yán)格，而兩個(gè)算法的運(yùn)算周期不同，如果均由同一個(gè)運(yùn)算核心處理，會(huì)造成時(shí)間沖突。為此，利用MCU雙核心的特點(diǎn)，將升壓電路控制的運(yùn)算任務(wù)分配給CLA協(xié)處理器，而將電機(jī)控制以及系統(tǒng)調(diào)度等運(yùn)算任務(wù)分配給DSP主核心。

當(dāng)輸入電壓大于升壓電路啟動(dòng)上限電壓U1時(shí)，不啟動(dòng)升壓電路，直流母線電壓等于輸入電壓整流所得電壓；當(dāng)輸入電壓低于升壓電路啟動(dòng)下限電壓U2時(shí)，啟動(dòng)升壓電路，將直流母線電壓提升至目標(biāo)直流母線電壓Uref；當(dāng)輸入電壓在額定電壓220 V及以上時(shí)，為提高驅(qū)動(dòng)板整體效率，升壓電路不投入工作。因此設(shè)置上述U1=220 V，U2=210 V，低壓保護(hù)電壓設(shè)為U0=85 V，當(dāng)輸入電壓值低于該保護(hù)電壓時(shí)停止工作。由于Boost電路在占空比較小時(shí)穩(wěn)定性較差，因此設(shè)置直流母線電壓應(yīng)大于額定輸入電壓整流后的直流電壓值，設(shè)置Uref=350 V，保證系統(tǒng)在輸入電壓接近額定電壓時(shí)的穩(wěn)定性。當(dāng)交流輸入電壓在額定電壓220 V及以上或經(jīng)升壓后直流母線電壓達(dá)到350 V時(shí)，即啟動(dòng)電機(jī)并按照指定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與測試

試驗(yàn)使用的壓縮機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機(jī)性能參數(shù)

首先，測試穩(wěn)態(tài)性能。將電機(jī)連接測功機(jī)，施加額定負(fù)載，在運(yùn)行條件最惡劣時(shí)即電源電壓為最低值90 V，測試電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行的電流波形以及電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。啟動(dòng)過程中電機(jī)相電流波形如圖6所示?？梢钥闯?，電機(jī)啟動(dòng)電流較小，而且啟動(dòng)過程平滑。圖7為電機(jī)從靜止到最高轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波形，電機(jī)在2 s內(nèi)即可加速到2 400 r/min，保持此轉(zhuǎn)速15 s，使壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到充分潤滑后再以120 r·min-1·s-1的加速度加速到最大轉(zhuǎn)速。

表2為電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速指令值穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的實(shí)測轉(zhuǎn)速以及最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)偏差值，可以看出電機(jī)調(diào)速范圍達(dá)到1 200～4 500 r/min，最大轉(zhuǎn)速偏差不超過±10 r/min，調(diào)速范圍和運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性滿足要求。

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測試結(jié)果

其次，測試壓縮機(jī)的啟動(dòng)能力。壓縮機(jī)的帶負(fù)載啟動(dòng)能力是一個(gè)十分關(guān)鍵的性能指標(biāo)，由于壓縮機(jī)在低速時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)劇烈，容易造成啟動(dòng)失敗[7]，驅(qū)動(dòng)板的啟動(dòng)能力應(yīng)達(dá)到表1所示的壓力水平。測試啟動(dòng)能力時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣管和排氣管分別連接一定氣壓的儲(chǔ)氣罐，測試在不同吸排氣壓力下的啟動(dòng)能力，每種壓力狀態(tài)下測試6次，測試結(jié)果如表3所示。可以看出啟動(dòng)能力滿足要求。

4 結(jié)束語

本文基于C2000系統(tǒng)MCU，設(shè)計(jì)了寬輸入電壓范圍運(yùn)行的壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，利用主控芯片的兩個(gè)運(yùn)算核心分別獨(dú)立控制升壓電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。升壓電路為Boost電路拓?fù)?，采用電壓與電流雙閉環(huán)控制方法，在輸入電壓過低時(shí)穩(wěn)定直流母線電壓，保證在較寬的電壓范圍內(nèi)壓縮機(jī)能正常工作；設(shè)計(jì)了永磁無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子角度觀測器，實(shí)現(xiàn)了永磁無刷電機(jī)的高性能無位置傳感器矢量控制，滿足壓縮機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行需求。測功機(jī)試驗(yàn)和壓縮機(jī)整機(jī)試驗(yàn)測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)板調(diào)速范圍達(dá)到1 200～4 500 r/min，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差不超過±10 r/min，最大啟動(dòng)能力達(dá)到背壓0.5 MPa、平衡壓0.45 MPa，可以滿足壓縮機(jī)在寬電壓范圍內(nèi)的啟動(dòng)和運(yùn)行要求。