SVPWM变频空调永磁同步压缩机控制系统
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Key words： permanent magnet synchronous compressor； MN103SFE4G； speed sensor-less； vector control
收稿日期： 2010 － 04 － 12 基金项目： 黑龙江省自然科学基金（ F2007－ 09） ； 黑龙江省教育厅科学技术研究项目（ 11531058 ） ； 哈尔滨市科技创新人才研究专项资金
MAN Chun-tao， ZHANG ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱai-bo， JIN Zhen-yi， HE Jin-song
（ School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）
Abstract： To overcome some disadvantages in traditional Inverter Air-Conditioner Controller for railway vehicles，such as limited storage volume，lack of train communication and humdrum speed regulation mode，a new type of Variable-Frequency Control System for Air Conditioning Compressor is developed by choosing MN103SFE4G as its main control chip and using speed sensorless vector control in Permanent Synchronous Compressor． The project design including main circuit，communication circuit，stator current detection，and rotor angular speed estimation are presented in this paper． The speed-current double closed loop vector control method in id = 0 to control the permanent magnetism synchronous machine is used． The simulation model of the permanent magnetism synchronous machine vector control based on the MATLAB / SIMULINK software platform is built． The simulation results prove the accuracy and the validity of the speed sensorless vector control system model designed in this article． The system response is fast and steady with small overshoot and quick response speed． It provides the basis for system hardware realization．
空调机组采用 AC380V 交流电机，电源主电路 主要包括整流滤波电路、三相全桥逆变电路两部分． 整流滤波电路的作用是把输入的 380V 的交流电经 过整流、电抗、电解电容滤波后变为平滑的 540V 的
图 1 空调压缩机控制系统主电路框图
逆变电路采用三菱公司的智能功率模块（ Intelligent Power Module-IPM） 6MBP25RA120，它由高速、 低耗的 IGBT（ 绝缘栅双极型晶体管） 芯片和优化的 门极驱动以及多种保护电路构成． IPM 具有 GTR 的 高电 流 密 度、低 饱 和 电 压 和 耐 高 压 的 优 点，以 及 MOSFET 的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率 的优点，内部集成了过流、短路、控制电压欠压和过 热保护电路，可以对芯片进行双重保护． 1. 2 空调电源通讯方案设计
轴分量； Ld、Lq 定子绕组 dq 轴电感； Rs 定子绕组的
电阻； pn 电机转子极对数； ωr 转子电角速度； Tem 电
机电磁转矩．
对于隐极式转 子 结 构，Ld = Lq，不 存 在 磁 阻 转 矩，所以表面式永磁同步电机的电磁转矩正比于交
轴电流分量 iq． 内埋式永磁同步电动机的电磁转矩 基本上取决于定子交轴电流分量 iq 和直轴电流分 量 id． 在转矩控制中，如果使得 id = 0，此时电磁转矩 将同样正比于交轴的电流 iq，用最小的电流幅值获 得最大的输出转矩，此时电机模型可以看作是一台 直流电机［3 － 4］．
描述如下：
ud
=
dψd dt
－
ωrψq
+
Rsid
（ 1）
uq
=
dψq dt
－
ωrψd
+
Rsiq
（ 2）
ψq = Lqiq
（ 3）
ψd = Ldid + ψf
（ 4）
Tem = pm（ ψd iq － ψq id ） = pn［ψf iq + （ Ld － Lq ） id iq ］ （ 5）
式中： id、iq 定子电流 dq 轴分量； ψd、ψq 定子磁链 dq
本文对永磁同步电机的调速系统采用 id = 0 转 子磁场定向矢量控制方法． 控制系统分为以下几
部分：
1） 定子电流检测． 本文采用霍尔传感器对电机
相电流进行检测．
2） 位置与转速检测． 要实现对永磁同步电机正
确的运行控制，就必须实时检测转子的位置信号，从
而对电枢绕组进行正确的换相操作． 在实际系统中，
1 变频空调设计方案
变频空调主要由室内机和室外机两部分组成， 室内机作为上位机主要实现检测室内温度、给室外 机发送控制指令等功能． 它与室外机采用异步串行 通讯． 本文主要进行室外机电路的设计，室外机电路 主要包括： 整流滤波电路、逆变电路、控制电路等部 分． 室外机采用松下公司专为电机控制而设计的 32 位数字信号处理器 MN103SFE4G DSP，为核心控制 器，该芯片能够承担大量的实时计算，运算速度快， 片内外设资源丰富，简化了接口电路的设计，易于实 现对电机的灵活、实时控制． 1. 1 控制系统主电路方案设计
图 2 电源控制电路与上位机之间的通讯电路
1. 3 基于 MN103SFE4G 的矢量控制系统设计 1. 3. 1 矢量控制的基本原理
取永磁同步电机永磁体的磁极轴线为 d 轴，逆
84
哈尔滨理工大学学报
第 16 卷
时针方向旋转 90°电角度为 q 轴，建立两相旋转 d －
q 坐标系，永磁同步电机在 d － q 坐标系的数学模型
基于以上分析，永磁同步电机矢量控制的基本
思想就是在普通三相交流电机上模拟直流电机转矩
控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分
解成产生磁通的励磁电流分量 id 和产生转矩的转 矩电流分量 iq，并使两分量互相垂直，彼此独立，通 过电动机外部的控制系统，实现电机的转矩控制．
1. 3. 2 矢量控制系统的基本组成
（ 2008RFXXG009） ． 作者简介： 满春涛（ 1965—） ，男，博士，教授，E-mail： mct68@ hrbust． edu． cn；
张凯博（ 1986—） ，男，硕士研究生； 金祯伊（ 1987—） ，女，硕士研究生．
第4 期
0引言
满春涛等： SVPWM 变频空调永磁同步压缩机控制系统
空调工作过程中，上位机需要和电源控制板之 间进行运行模式、换热器盘管温度、压缩机运行频率 等数据传递，通过通讯单元完成． 通讯的准确率和实 时性对于整个空调系统的工作性能起着很重要的作 用． 由于轨道客车车内布线复杂，普通的硬件连接式 通讯方式传输数据量有限，而且在车内复杂的电磁 环境下抗干扰能力不强，容易发生传输错误，影响空 调机组运行稳定性． 针对这种情况，为了保证通讯单 元的信号接收、发送的高准确率，在比较目前较为常 用的各种通讯电路后，选用电源线载波式方法，采用 485 通讯协议进行通讯． 这种结构的通讯电路稳定 性好，抗干扰能力强． 上位机和空调电源控制板之间 的通讯为电流环通讯，通过采用电流环光耦隔离的 强电通讯来消除电磁干扰对通讯的影响． 其具体实 现如图 2 所示．
满春涛， 张凯博， 金祯伊， 何进松
（ 哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080）
摘 要： 针对目前轨道车辆变频空调控制器存储容量有限，不能支持列车通信，风速调节模式 单一的问题，开发了一种以 MN103SFE4G 芯片为主要控制芯片，采用无速度传感器矢量控制方法 对永磁同步压缩机进行控制的新型变频空调压缩机控制系统，提出了系统主电路、通讯电路、定子 相电流检测和转子角速度估计的设计方案． 选择 id = 0 的速度电流双闭环矢量控制方法对永磁同 步电机进行控制，基于 MATLAB / SIMULINK 软件平台搭建了永磁同步电机矢量控制的仿真模型， 仿真结果证明了本文所设计的无速度传感器矢量控制系统模型的正确性和有效性，系统响应快速 且平稳，具有超调量小，响应速度快等优点，为系统的硬件实现提供了理论依据．
机每转 60°就需要换相一次，每转一转需要换相六 次（ 针对一对磁极的无刷直流电动机） ，所以需要六 个换相信号［5］． 每相的反电动势都有两个过零点， 三相共有六个． 只要能够检测到这六个过零点，再将 其延迟 30°，就可以获得六个换相信号． 但是，由于 无法直接检测绕组中性点的电位，绕组的反电动势 就难以直接获得，本文采用变通的方式，通过检测绕 组端电压，间接实现对反电动势过零点的检测．
由于传感器的存在使系统的可靠性降低，在空调压
缩机中，电机要浸没在液体里运行，机械装配等因素
使得安装转子位置传感器是不现实的，因此，本文采
用无位置传感器的永磁同步电机，利用反电动势检
测转子的位置． 变频模块每次导通两个功率开关管，
使其中的两相线圈通以直流电，驱动转子运转，另一
相线圈不通电，但是它会产生反电动势． 永磁同步电
关键词： 永磁同步压缩机； MN103SFE4G； 无速度传感器； 矢量控制 中图分类号： TM464 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 2683（ 2011） 04－ 0082－ 04
SVPWM Control System of Variable-frequency Air Conditioning Compressor
DOI:10.15938/j.jhust.2011.04.019
第 16 卷 第 4 期 2011 年 8 月
哈尔滨理工大学学报
JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 16 No. 4 Aug． 2011
SVPWM 变频空调永磁同步压缩机控制系统
鉴于此，本文设计了一种基于电压矢量脉宽调制 （ SVPWM） 技术的直流变频空调永磁同步压缩机控制 系统，提出了系统主电路、通讯电路、定子相电流检测 和转子角速度估计的设计方案，并进行了软件流程的 设计． 在 MATLAB / SIMULINK 环境下搭建了永磁同 步电机矢量控制的仿真模型，验证了控制系统设计的 可行性，为系统的硬件实现提供了理论依据．
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直流电，接入三相全桥逆变模块，逆变为交流后驱动 变频压缩机［2］． 主电路框图如图 1 所示．
随着科技不断发展、社会不断进步，人们对舒适 的生活品质和环境越来越重视，要求也越来越高，不 仅对室内温度、湿度提出了较高要求，也希望室内环 境趋于自然． 人们对空调器的要求已经从初期的仅 仅满足制冷、制热的简单功能，发展到追求舒适、享 受的多种功能，从而使得高效节能、高舒适度的直流 变频空调成为空调器的发展方向． 直流变频空调器 的发展具有巨大的社会经济效益，可以节约供电量， 减轻供电压力，同时可以带动一大批相关产业的发 展． 空调的压缩机是空调的主要耗能部分，也是整个 空调系统的控制核心． 传统变频空调一般采用三相 异步电机作为其压缩机，三相异步电机的效率只有 85% 左右． 而永磁同步电机的效率要比三相异步电 机高 7% ～ 10% ． 随着对全球能源危机和环境保护 问题越来越多的关注，开发以永磁同步电机为压缩 机电机的直流变频空调系统也就显得尤为重要［1］．
收稿日期： 2010 － 04 － 12 基金项目： 黑龙江省自然科学基金（ F2007－ 09） ； 黑龙江省教育厅科学技术研究项目（ 11531058 ） ； 哈尔滨市科技创新人才研究专项资金
MAN Chun-tao， ZHANG ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱai-bo， JIN Zhen-yi， HE Jin-song
（ School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）
Abstract： To overcome some disadvantages in traditional Inverter Air-Conditioner Controller for railway vehicles，such as limited storage volume，lack of train communication and humdrum speed regulation mode，a new type of Variable-Frequency Control System for Air Conditioning Compressor is developed by choosing MN103SFE4G as its main control chip and using speed sensorless vector control in Permanent Synchronous Compressor． The project design including main circuit，communication circuit，stator current detection，and rotor angular speed estimation are presented in this paper． The speed-current double closed loop vector control method in id = 0 to control the permanent magnetism synchronous machine is used． The simulation model of the permanent magnetism synchronous machine vector control based on the MATLAB / SIMULINK software platform is built． The simulation results prove the accuracy and the validity of the speed sensorless vector control system model designed in this article． The system response is fast and steady with small overshoot and quick response speed． It provides the basis for system hardware realization．
空调机组采用 AC380V 交流电机，电源主电路 主要包括整流滤波电路、三相全桥逆变电路两部分． 整流滤波电路的作用是把输入的 380V 的交流电经 过整流、电抗、电解电容滤波后变为平滑的 540V 的
图 1 空调压缩机控制系统主电路框图
逆变电路采用三菱公司的智能功率模块（ Intelligent Power Module-IPM） 6MBP25RA120，它由高速、 低耗的 IGBT（ 绝缘栅双极型晶体管） 芯片和优化的 门极驱动以及多种保护电路构成． IPM 具有 GTR 的 高电 流 密 度、低 饱 和 电 压 和 耐 高 压 的 优 点，以 及 MOSFET 的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率 的优点，内部集成了过流、短路、控制电压欠压和过 热保护电路，可以对芯片进行双重保护． 1. 2 空调电源通讯方案设计
轴分量； Ld、Lq 定子绕组 dq 轴电感； Rs 定子绕组的
电阻； pn 电机转子极对数； ωr 转子电角速度； Tem 电
机电磁转矩．
对于隐极式转 子 结 构，Ld = Lq，不 存 在 磁 阻 转 矩，所以表面式永磁同步电机的电磁转矩正比于交
轴电流分量 iq． 内埋式永磁同步电动机的电磁转矩 基本上取决于定子交轴电流分量 iq 和直轴电流分 量 id． 在转矩控制中，如果使得 id = 0，此时电磁转矩 将同样正比于交轴的电流 iq，用最小的电流幅值获 得最大的输出转矩，此时电机模型可以看作是一台 直流电机［3 － 4］．
描述如下：
ud
=
dψd dt
－
ωrψq
+
Rsid
（ 1）
uq
=
dψq dt
－
ωrψd
+
Rsiq
（ 2）
ψq = Lqiq
（ 3）
ψd = Ldid + ψf
（ 4）
Tem = pm（ ψd iq － ψq id ） = pn［ψf iq + （ Ld － Lq ） id iq ］ （ 5）
式中： id、iq 定子电流 dq 轴分量； ψd、ψq 定子磁链 dq
本文对永磁同步电机的调速系统采用 id = 0 转 子磁场定向矢量控制方法． 控制系统分为以下几
部分：
1） 定子电流检测． 本文采用霍尔传感器对电机
相电流进行检测．
2） 位置与转速检测． 要实现对永磁同步电机正
确的运行控制，就必须实时检测转子的位置信号，从
而对电枢绕组进行正确的换相操作． 在实际系统中，
1 变频空调设计方案
变频空调主要由室内机和室外机两部分组成， 室内机作为上位机主要实现检测室内温度、给室外 机发送控制指令等功能． 它与室外机采用异步串行 通讯． 本文主要进行室外机电路的设计，室外机电路 主要包括： 整流滤波电路、逆变电路、控制电路等部 分． 室外机采用松下公司专为电机控制而设计的 32 位数字信号处理器 MN103SFE4G DSP，为核心控制 器，该芯片能够承担大量的实时计算，运算速度快， 片内外设资源丰富，简化了接口电路的设计，易于实 现对电机的灵活、实时控制． 1. 1 控制系统主电路方案设计
图 2 电源控制电路与上位机之间的通讯电路
1. 3 基于 MN103SFE4G 的矢量控制系统设计 1. 3. 1 矢量控制的基本原理
取永磁同步电机永磁体的磁极轴线为 d 轴，逆
84
哈尔滨理工大学学报
第 16 卷
时针方向旋转 90°电角度为 q 轴，建立两相旋转 d －
q 坐标系，永磁同步电机在 d － q 坐标系的数学模型
基于以上分析，永磁同步电机矢量控制的基本
思想就是在普通三相交流电机上模拟直流电机转矩
控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分
解成产生磁通的励磁电流分量 id 和产生转矩的转 矩电流分量 iq，并使两分量互相垂直，彼此独立，通 过电动机外部的控制系统，实现电机的转矩控制．
1. 3. 2 矢量控制系统的基本组成
（ 2008RFXXG009） ． 作者简介： 满春涛（ 1965—） ，男，博士，教授，E-mail： mct68@ hrbust． edu． cn；
张凯博（ 1986—） ，男，硕士研究生； 金祯伊（ 1987—） ，女，硕士研究生．
第4 期
0引言
满春涛等： SVPWM 变频空调永磁同步压缩机控制系统
空调工作过程中，上位机需要和电源控制板之 间进行运行模式、换热器盘管温度、压缩机运行频率 等数据传递，通过通讯单元完成． 通讯的准确率和实 时性对于整个空调系统的工作性能起着很重要的作 用． 由于轨道客车车内布线复杂，普通的硬件连接式 通讯方式传输数据量有限，而且在车内复杂的电磁 环境下抗干扰能力不强，容易发生传输错误，影响空 调机组运行稳定性． 针对这种情况，为了保证通讯单 元的信号接收、发送的高准确率，在比较目前较为常 用的各种通讯电路后，选用电源线载波式方法，采用 485 通讯协议进行通讯． 这种结构的通讯电路稳定 性好，抗干扰能力强． 上位机和空调电源控制板之间 的通讯为电流环通讯，通过采用电流环光耦隔离的 强电通讯来消除电磁干扰对通讯的影响． 其具体实 现如图 2 所示．
满春涛， 张凯博， 金祯伊， 何进松
（ 哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080）
摘 要： 针对目前轨道车辆变频空调控制器存储容量有限，不能支持列车通信，风速调节模式 单一的问题，开发了一种以 MN103SFE4G 芯片为主要控制芯片，采用无速度传感器矢量控制方法 对永磁同步压缩机进行控制的新型变频空调压缩机控制系统，提出了系统主电路、通讯电路、定子 相电流检测和转子角速度估计的设计方案． 选择 id = 0 的速度电流双闭环矢量控制方法对永磁同 步电机进行控制，基于 MATLAB / SIMULINK 软件平台搭建了永磁同步电机矢量控制的仿真模型， 仿真结果证明了本文所设计的无速度传感器矢量控制系统模型的正确性和有效性，系统响应快速 且平稳，具有超调量小，响应速度快等优点，为系统的硬件实现提供了理论依据．
机每转 60°就需要换相一次，每转一转需要换相六 次（ 针对一对磁极的无刷直流电动机） ，所以需要六 个换相信号［5］． 每相的反电动势都有两个过零点， 三相共有六个． 只要能够检测到这六个过零点，再将 其延迟 30°，就可以获得六个换相信号． 但是，由于 无法直接检测绕组中性点的电位，绕组的反电动势 就难以直接获得，本文采用变通的方式，通过检测绕 组端电压，间接实现对反电动势过零点的检测．
由于传感器的存在使系统的可靠性降低，在空调压
缩机中，电机要浸没在液体里运行，机械装配等因素
使得安装转子位置传感器是不现实的，因此，本文采
用无位置传感器的永磁同步电机，利用反电动势检
测转子的位置． 变频模块每次导通两个功率开关管，
使其中的两相线圈通以直流电，驱动转子运转，另一
相线圈不通电，但是它会产生反电动势． 永磁同步电
关键词： 永磁同步压缩机； MN103SFE4G； 无速度传感器； 矢量控制 中图分类号： TM464 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 2683（ 2011） 04－ 0082－ 04
SVPWM Control System of Variable-frequency Air Conditioning Compressor
DOI:10.15938/j.jhust.2011.04.019
第 16 卷 第 4 期 2011 年 8 月
哈尔滨理工大学学报
JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 16 No. 4 Aug． 2011
SVPWM 变频空调永磁同步压缩机控制系统
鉴于此，本文设计了一种基于电压矢量脉宽调制 （ SVPWM） 技术的直流变频空调永磁同步压缩机控制 系统，提出了系统主电路、通讯电路、定子相电流检测 和转子角速度估计的设计方案，并进行了软件流程的 设计． 在 MATLAB / SIMULINK 环境下搭建了永磁同 步电机矢量控制的仿真模型，验证了控制系统设计的 可行性，为系统的硬件实现提供了理论依据．
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直流电，接入三相全桥逆变模块，逆变为交流后驱动 变频压缩机［2］． 主电路框图如图 1 所示．
随着科技不断发展、社会不断进步，人们对舒适 的生活品质和环境越来越重视，要求也越来越高，不 仅对室内温度、湿度提出了较高要求，也希望室内环 境趋于自然． 人们对空调器的要求已经从初期的仅 仅满足制冷、制热的简单功能，发展到追求舒适、享 受的多种功能，从而使得高效节能、高舒适度的直流 变频空调成为空调器的发展方向． 直流变频空调器 的发展具有巨大的社会经济效益，可以节约供电量， 减轻供电压力，同时可以带动一大批相关产业的发 展． 空调的压缩机是空调的主要耗能部分，也是整个 空调系统的控制核心． 传统变频空调一般采用三相 异步电机作为其压缩机，三相异步电机的效率只有 85% 左右． 而永磁同步电机的效率要比三相异步电 机高 7% ～ 10% ． 随着对全球能源危机和环境保护 问题越来越多的关注，开发以永磁同步电机为压缩 机电机的直流变频空调系统也就显得尤为重要［1］．