CN101001075A - 一种直流变频压缩机转矩控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种直流变频压缩机转矩控制装置和方法，涉及空调技术和变频控制技术领域，解决现有技术中由于压缩机在运转过程中不能时刻保持力矩平衡而产生振动的缺陷。本发明包括电流采样部和控制部，采用180度正弦波直流变频方式，能够实时检测压缩机转子的位置，并通过对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制，从而实时调节压缩机的输出转矩，使压缩机在运转过程中能时刻保持力矩平衡，降低压缩机的振动，改善直流变频空调的低频特性。

Description

一种直流变频压缩机转矩控制装置和方法

技术领域

本发明涉及空调技术和变频控制技术领域，尤其是涉及一种直流变频压缩机转矩控制装置和方法。

背景技术

目前，直流变频空调因为良好的节能性、精确控温、超低温启动、快速制热等特点而越来越受到消费者的喜爱。而直流变频空调主要的能量消耗在压缩机上，所以提高压缩机的性能是直流变频空调节能的重点。压缩机的工作过程分为吸气、压缩和排气三个阶段，在每个阶段中转子所受的阻力矩并不相同，如果转子的驱动力矩不随着转子所受阻力矩的变化而进行相应的调整，在转子上就会产生受力不平衡，特别是在单转子压缩机系统上，受力不平衡更加突出。转子受力不平衡最明显的表现就是压缩机会产生振动，频率越低振动越厉害，压缩机的振动对直流变频空调的使用性能会产生很大的影响。

现在空调行业一般采用两种方法解决直流压缩机的振动问题：一种方法是限制空调的最低频率，另一种方法是力矩补偿法。限制空调的最低频率就是把压缩机的最低运行频率限制在一个较高的水平，因为压缩机在高频运行时振动较小，所以采用该方法可以将压缩机的振动控制在一个较小的范围内。力矩补偿法通过分析压缩机上几周期的受力特点，对下一阶段的受力趋势进行预测，并对压缩机的驱动力矩进行相应的补偿。采用该方法对压缩机的低频振动有明显改善，单转子直流变频空调的最低运行频率可以由30赫兹降到20赫兹。图1和图2分别是采用力矩补偿法前和采用力矩补偿法后120度控制压缩机电流波形图。

然而，采用限制空调的最低频率的方法会降低用户的舒适度。因为压缩机根据室内温度的变化进行调速，从而控制空调的运行功率，保持室内的温度。而采用该方法后，空调的可运行频率范围变窄，降低了空调的温度控制精度，使直流变频空调的优势得不到发挥。采用力矩补偿法时，由于目前直流变频压缩机在控制方法上都采用120度通电方式，不能实时检测转子的位置，控制器预测力矩有较大误差，而且对力矩变化反应不够及时，所以压缩机还有较大的振动。现在直流变频压缩机都采用直流无刷电动机，该电动机通过三相电源进行驱动，在驱动控制时需要时刻检测转子的位置。120度控制方式就是每相每180度电角度中，60度不通电，120度通电。因为每相之间的间隔是相同的，所以在每个时刻都有一相不通电，该方法通过检测不通电相的反电动势判断压缩机转子的位置，即该控制方式每60度检测一次压缩机转子位置，并调整一次压缩机的输出转矩。该方法一个周期内只能进行6次输出转矩的调整，不能实时地调节压缩机的输出转矩以适应负载的变化，造成压缩机在运转过程中不能时刻保持力矩平衡，从而引起压缩机的振动。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种直流变频压缩机转矩控制装置和方法，以克服现有技术中由于压缩机在运转过程中不能时刻保持力矩平衡而产生振动的缺陷。

本发明提供一种直流变频压缩机转矩控制装置，其特征在于，包括：电流采样部，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；控制部，根据电流采样部采集的母线电流，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

按照本发明的一个方面，电流采样部通过采样电阻对压缩机直流电源的母线电流进行采样。

按照本发明的另一个方面，控制部进一步包括：电流检测部，根据电流采样部采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；位置、力矩计算和变频控制部，根据电流检测部计算的三相电流和压缩机的参数，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

按照本发明的再一个方面，所述位置、力矩计算和变频控制部进一步包括：3/2转换模块，输入为电流检测部计算的三相电流和目标角度，输出为γδ坐标系电流；速度计算模块，输入为目标角速度和实际角速度，输出为目标力矩；力矩计算调整模块，输入为目标力矩和实际角速度，输出为dq坐标系电流；电流计算模块，输入为dq坐标系电流、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为dq坐标系电压；2/3转换模块，输入为dq坐标系电压和目标角度，输出为三相电压；无传感器速度误差计算模块，输入为dq坐标系电压、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为磁通量误差；角度误差计算模块，输入为磁通量误差、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为角度误差；速度位置计算模块，输入为角度误差，输出为目标角度和实际角速度。

本发明提供一种直流变频压缩机转矩控制方法，其特征在于，包括：电流采样过程，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；控制过程，根据电流采样部采集的母线电流，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

按照本发明的再一个方面，控制过程进一步包括：电流计算过程，根据电流采样部采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；位置、力矩计算和变频控制过程，根据电流检测部计算的三相电流和压缩机的参数，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

按照本发明的再一个方面，控制过程采用180度正弦波直流变频方式，检测转子位置时不需要不导通相。

按照本发明的再一个方面，位置、力矩计算和变频控制过程进一步包括：根据电流检测部计算的三相电流和目标角度，利用3/2转换模块计算γδ坐标系电流；根据目标角速度和实际角速度，利用速度计算模块计算目标力矩；根据目标力矩和实际角速度，利用力矩计算调整模块计算dq坐标系电流；根据dq坐标系电流、γδ坐标系电流和实际角速度，利用电流计算模块计算dq坐标系电压；根据dq坐标系电压和目标角度，利用2/3转换模块计算三相电压；根据dq坐标系电压、γδ坐标系电流和实际角速度，利用无传感器速度误差计算模块计算磁通量误差；根据磁通量误差、γδ坐标系电流和实际角速度，利用角度误差计算模块计算角度误差；根据角度误差，利用速度位置计算模块计算目标角度和实际角速度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够实时检测压缩机转子的位置，并通过对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制，从而实时调节压缩机的输出转矩，使压缩机在运转过程中能时刻保持力矩平衡，降低压缩机的振动，改善直流变频空调的低频特性。

进一步，本发明的控制过程采用180度正弦波直流变频方式，检测转子位置时不需要不导通相，提高压缩机的使用效率，

附图说明

图1是无力矩补偿的120度控制压缩机电流波形图。

图2是有力矩补偿的120度控制压缩机电流波形图。

图3是本发明的系统结构图。

图4是本发明控制部的结构图。

图5是本发明电流检测部的一种时序图。

图6是采用本发明的压缩机的一种电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

本发明的系统结构如图3所示。该系统包括一个电流采样部，一个控制部，一个直流电源V，一个智能变频模块和一个压缩机。直流电源V通过智能变频模块变频后，驱动压缩机的运转；电流采样部对智能变频模块的母线电流进行采样，然后将采样电流Idc送到控制部进行检测；控制部向智能变频模块发出控制信号，对压缩机的驱动电压进行控制。控制部还包括电流检测部与位置、力矩计算和变频控制部。电流检测部对采样电流Idc进行检测，计算出三相电流Iu、Iv、Iw，并将三相电流送到位置、力矩计算和变频控制部。智能变频模块还包括一个过流保护装置和6个IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管)UP、VP、WP、UN、VN和WN。

电流采样部由与智能变频模块母线串连的采样电阻构成，该电阻对母线电流Idc进行实时采样，并将Idc信息传送至电流检测部。

控制部的结构如图4所示，该部又包括电流检测部与位置、力矩计算和变频控制部。

电流检测部根据母线电流Idc计算驱动压缩机的三相电流Iu、Iv、Iw。电流检测部的一种时序如图5所示。上部为与U、V、W三相相关的IGBT的开关状态，中部为母线电流Idc，下部为驱动压缩机的三相电流Iu、Iv、Iw，该时序中还包括A和B两个区间。各个IGBT的状态分别对应于0，Iu，Iv，Iw，-Iu，-Iv，-Iw的值。根据图3可以得出：

在A区间，UP、VP、WN导通，UN、VN、WP截止，所以A区间的母线电流Idc1＝-Iw；

在B区间，UP、VN、WN导通，VP、WP、UN截止，所以B区间的母线电流Idc2＝Iu；

又由于Iu、Iv、Iw的矢量和为零，即：Iu+Iv+Iw＝0，

所以Iu、Iv、Iw的值可以由下面的关系式求出：

Iu＝Idc2，Iv＝Idc1-Idc2，Iw＝-Idc1。

位置、力矩计算和变频控制部进一步包括：

3/2转换模块，该模块根据电流检测部计算的三相电流Iu、Iv、Iw和目标角度θ2，计算γδ坐标系电流Iγδ；

速度计算模块，该模块根据目标角速度ω1和实际角速度ω2，计算目标力矩T；

力矩计算调整模块，该模块根据目标力矩T和实际角速度ω2，计算dq坐标系电流Idq；

电流计算模块，该模块根据dq坐标系电流Idq、γδ坐标系电流Iγδ和实际角速度ω2，计算dq坐标系电压Vdq；

2/3转换模块，该模块根据dq坐标系电压Vdq和目标角度θ2，计算三相电压Vu、Vv、Vw；

无传感器速度误差计算模块，该模块根据dq坐标系电压Vdq、γδ坐标系电流Iγδ和实际角速度ω2，计算磁通量误差Δλ；

角度误差计算模块，该模块根据磁通量误差Δλ、γδ坐标系电流Iγδ和实际角速度ω2，计算角度误差θ1；

速度位置计算模块，该模块根据角度误差θ1，计算目标角度θ2和实际角速度ω2。

采用本发明的压缩机的一种电流波形如图6所示，在压缩机运转周期内，电流波形呈正弦特征，因此压缩机的输出转矩也呈正弦特征。本发明实时检测压缩机转子的位置，在压缩机运转过程的不同阶段实时地调整输出转矩，使压缩机在运转过程中能时刻保持力矩平衡，降低直流变频空调系统的低频振动，增大直流变频空调系统的变频范围，提高直流变频空调的性能。经过测试，应用本发明，单转子直流变频压缩机可以长期在10赫兹的低频阶段运行而无较大振动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种直流变频压缩机转矩控制装置，其特征在于，包括：

电流采样部，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；

控制部，根据电流采样部采集的母线电流，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

2、如权利要求1所述直流变频压缩机转矩控制装置，其特征在于，所述电流采样部通过采样电阻对压缩机直流电源的母线电流进行采样。

3、如权利要求1所述直流变频压缩机转矩控制装置，其特征在于，所述控制部进一步包括：

电流检测部，根据电流采样部采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；

位置、力矩计算和变频控制部，根据电流检测部计算的三相电流和压缩机的参数，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

4、如权利要求3所述直流变频压缩机转矩控制装置，其特征在于，所述位置、力矩计算和变频控制部进一步包括：

3/2转换模块，输入为电流检测部计算的三相电流和目标角度，输出为γδ坐标系电流；

速度计算模块，输入为目标角速度和实际角速度，输出为目标力矩；

力矩计算调整模块，输入为目标力矩和实际角速度，输出为dq坐标系电流；

电流计算模块，输入为dq坐标系电流、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为dq坐标系电压；

2/3转换模块，输入为dq坐标系电压和目标角度，输出为三相电压；

无传感器速度误差计算模块，输入为dq坐标系电压、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为磁通量误差；

角度误差计算模块，输入为磁通量误差、γδ坐标系电流和实际角速度，输出为角度误差；

速度位置计算模块，输入为角度误差，输出为目标角度和实际角速度。

5、一种直流变频压缩机转矩控制方法，其特征在于，包括：

电流采样过程，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；

控制过程，根据电流采样部采集的母线电流，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

6、如权利要求5所述直流变频压缩机转矩控制方法，其特征在于，所述控制过程进一步包括：

电流计算过程，根据电流采样部采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；

位置、力矩计算和变频控制过程，根据电流检测部计算的三相电流和压缩机的参数，计算压缩机转子的位置和力矩，并对驱动压缩机的电动机中施加的驱动电压进行实时控制。

7、如权利要求5或6所述直流变频压缩机转矩控制方法，其特征在于，所述控制过程采用180度正弦波直流变频方式，检测转子位置时不需要不导通相。

8、如权利要求6所述直流变频压缩机转矩控制方法，其特征在于，所述位置、力矩计算和变频控制过程进一步包括：

根据电流检测部计算的三相电流和目标角度，利用3/2转换模块计算γδ坐标系电流；

根据目标角速度和实际角速度，利用速度计算模块计算目标力矩；

根据目标力矩和实际角速度，利用力矩计算调整模块计算dq坐标系电流；

根据dq坐标系电流、γδ坐标系电流和实际角速度，利用电流计算模块计算dq坐标系电压；

根据dq坐标系电压和目标角度，利用2/3转换模块计算三相电压；

根据dq坐标系电压、γδ坐标系电流和实际角速度，利用无传感器速度误差计算模块计算磁通量误差；

根据磁通量误差、γδ坐标系电流和实际角速度，利用角度误差计算模块计算角度误差；

根据角度误差，利用速度位置计算模块计算目标角度和实际角速度。

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