空调用风机控制技术
一．前言
现在全球世界都在加紧电动机节能化的研究，据报道日本国内电能的一半以上是由电动机所消耗的（见图1所示）。假如电动机的耗能减少百分之1的话，就可以减少一座原子能发电站；所以为了降低全球环境负荷，电动机必须节能。现在空调用的电动机，不仅是压缩机电动机也包括风机，正在从以往用感应电动机改用高效率无刷直流电动机(brushless dc motei：
以下简称为无刷电动机)。
但是，无刷电动机虽然高效，却需要根据电动机转子驹磁极位置的来驱动（如图2所示），仅仅用一般的换流器电路是不行的，必须要专用的无利电动机驱动电路。就像fa用的ac的服电动机那样用编码器或者电流传感器等才能达到高性能控制。从成本上考虑民用产品大部分采用霍尔元件作磁极位置传感器，进行矩形波驱动。这种矩形波驱动不仅振动噪音大，如下面所述驱动电压的超前角度如控制不合适就难以维持高效率。由于使用不方便，目前市场上无法普及。
对于空调风机，人们普遍都希望能采用低振动、低噪音、低成本的正弦波驱动方式，无须进行超前角度控制，始终维持高效率运转。
本文就这种低成本的正弦波驱动和自动进行超前角度控制的开发，实现低振动、低噪音，在无须调整的条件下达到高效率运转等技术问题作一介绍。
二．用正弦波驱动实现低振动、低噪音化
至今民用产品从成本上考虑，所用无刷电动机的驱动仍用霍尔元件检出三相磁极位置信号（cs信号）如图3所示，主流方式仍是120度矩形波同步驱动。这种矩形波驱动，切换时由于会发生振动、噪音，所以空调用风机必须采取防振措施。
为了降低振动，单纯地把通电电气角度从120度扩大为150度，如图4所示，相电压初看上去很接近正弦波形，但是与理想波形闻的偏差部分反而造成了转矩纹波的增大。因此如图4右图所示，如果采用广角正弦波驱动，相电压和理想正弦波形的偏差减小，就能够大大减少力矩的纹波。这种广角正弦波驱动的驱动电压波形和-相p正弦波驱动的思路一样，与一般的三相pwm正弦波驱动相比，由于在极性不变区间设置了1／3转换，这样不仅能降低开关损耗，还能使电压的利用率提高约百分之十五。
在这里，我们来看一看包含了高频成分的驱动波形对力矩产生的影响；电动机的平均输出力矩只取决于正弦波状磁通分布的基本波成分；面在矩形波驱动时造成波形失真有百分之24.6是由于5次和7次高频谐波成分产生的力矩纹波，这对平均输出力矩的影响不大。
由于这种广角正弦驱动不含有5次和7次高频成分，所以从原理上讲可以大幅减少力矩的纹波。另外，这种台形波驱动的失真率是百分之4. 4，所以从理论上台形波驱动更为有利。
为了确认这种广角正弦波驱动的效果可以对比一下以下两种波形，图5是以往的120度矩形波驱动空调风机的电流波形，图6是广角正弦波驱动的电流波形。
如图所示，采用广角正弦波驱动可以用低成本实现正弦波驱动电流，与以往的矩形波驱动相比可降低噪音5-l0db，同时降低振动，所以电动机装配部分的的防振构造可以省去。
三。用自动超前角控制实现高效率化
如前所述，无刷电动机的驱动，必须要同回转子的磁极位置同步，原理上讲只有当电动机的感应电压和线圈电流的相位一致时，才能产生****力矩、达到****效率。特别是正弦波驱动的情况下，由于不存在一个像矩形波驱动那样的不通电区间，感应电压和线圈电流的相位偏差会引起效率的严重低下。
但是，实际上控制输入的驱动电压和线圈电流的关系受线圈感抗的影响，如图7所示相位是不一致的，特别是电动机转速越高这种相位差越大。所以，即使用霍尔元件等检测出感应电压和驱动电压的相位一致，如与线圈电流的相位不一致，不仅仅会使效率低下，由于在高速区不能产生足够的力矩，所以电动机在高速区域不能旋转。由此要设法检测出线圈电流的信息，使线圈电流和感应电压的相位一致。即必须控制图7中的驱动电压相位，使相位差ψ为0。通常为了检测出线圈电流必须使用高成本的电流传感器 |
