变频空调室外机驱动控制系统设计

摘要：根据室外机双永磁同步电机的无传感器矢量控制和数字功率因数校正控制的要求，提出母线电压、电机定子电流、功率因数校正电流的采样策略和如何在单个MCU上实现控制的方法。针对整个系统控制的要求对MCU的PWM、ADC控制外设进行了优化设计，定制了一款采用通用控制处理单元加专用控制加速器的双核MCU。
关键词：数字功率因数校正；永磁同步电机；无速度传感器；双核MCU

引言
随着《房间空气调节器能效限定值及能效等级》强制性国家标准的正式实施，对变频空调整体性能的要求越来越高，低成本、低噪声、高性能已成为变频空调的发展趋势。而作为变频空调核心部件的压缩机及其室外控制器是提升整机性能的关键。由于永磁同步电动机具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率密度高等优点，且采用正弦波控制方式可提高力矩输出的稳定性和降低噪声，因此被广泛应用在压缩机和风机中。
传统变频空调的室外控制器由功率因数校正(PFC)、压缩机驱动控制、风机驱动控制等电路构成。其中PFC驱动采用模拟的专用控制芯片，压缩机与系统控制采用MCU来实现无传感器矢量控制及系统控制，而室外风机采用有霍尔传感器的驱动芯片或者专门的MCU来实现无传感器的矢量控制。采用多个芯片实现室外机控制，增加了成本，同时降低了系统的可靠性。
本文根据变频空调产品控制系统高性能和低成本的特点，针对PFC和电机驱动的要求优化了室外机控制器的外设，定制了一款通用控制处理单元加专用控制加速器的双核MCU，实现了变频空调的功率因数校正、压缩机和风机的无位置传感器矢量控制、冷媒控制等功能，同时分析了PWM产生，电流、电压等信号的采样方法，提高了室外机控制系统的可靠性、稳定性。

1 变频空调室外机驱动控制系统
本文提出的应用于变频空调室外机控制系统主要由一个具有功率因数校正的整流器、两个三相逆变器以及其他控制电路组成，整个系统由定制的双核MCU进行控制。其中两个三相逆变器用于驱动压缩机永磁同步电机及风机永磁同步电机，一个功率因数校正电路用于实现母线电压的主动控制，其他控制电路用于控制冷媒、环境温度和室内机通信等。
1．1 压缩机、风机驱动控制系统
在家用变频空调中，压缩机永磁同步电机处于高温、高压、密封的环境中，必须采用无位置传感器矢量控制。其位置和转速估算算法主要是基于假定旋转坐标系，如图1所示。

将假定坐标系下的电机方程式与旋转坐标系下的电压方程相减可得离散化的方程如下：

由于采样周期较短，误差被放大，还需要对估算转速进行滤波处理。