CN101931363B - 带电压电流反馈的vvvf直流无刷电机控制方法 - Google Patents

带电压电流反馈的vvvf直流无刷电机控制方法 Download PDF

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Abstract

一种带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法，本发明在传统的VVVF控制的基础上，检测电机直流母线电压和相电流作为反馈信号实现系统的闭环控制。在整个压缩机运行过程中，根据频率（转速）给定值调制定子电压空间矢量，调节电压空间矢量的幅值和旋转速度，保持定子旋转磁场的幅值稳定，调节定子旋转磁场和转子磁场之间的夹角，实现电机输出转矩适应压缩机负载转矩变化，省去了电机转子位置和转速测量。本控制方法无需安装速度和位置传感器，控制系统简单易于实现，能使直流无刷电机起动与运行可靠性大大提高，压缩机可以在较大范围内平滑调速和稳定运行。

Description

带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，涉及180°直流变频空调压缩机用直流无刷电机的一种带电压电流反馈的VVVF控制方法。
背景技术
目前，180°直流变频空调压缩机控制大都采用磁场定向矢量控制（FOC），其思想是通过电机磁场定向将定子电流分别分解为激磁分量和转矩分量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性，实现类似直流电机的调速控制。直流变频空调压缩机采用电机和压缩机一体化密封结构，无法安装位置或速度传感器。无位置FOC采用速度和位置观测器技术可以克服无传感器的限制。在压缩机中、高速稳定运行时转子位置观测值准确度较高，控制性能好，可以满足实际运行要求。但在低速或者起动过程中，由于压缩机的噪音、压缩机与制冷介质盘管系统之间的机械谐振带来震动等问题使转子位置观测值误差很大，使压缩机起动失败和低速性能不好。
传统的VVVF控制主要是针对交流异步电机的，属于一种开环调速系统，没有应用于直流无刷电机和180°直流变频空调压缩机。
发明内容
为了解决180°直流变频空调压缩机的高可靠性起动和运行以及简化控制系统问题，本发明提出一种带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法。该方法在VVVF控制的基础上增加直流母线电压和相电流的反馈控制环节，根据频率（或转速）设定值确定定子电压空间矢量调制系数和定子磁场旋转速度，实现空调压缩机的高可靠性起动和控制。具体方法包括：
（一）压缩机起动阶段的处理：
a. 确定空调压缩机的机械谐振频率点范围：用VVVF直流无刷电机控制方法起动压缩机，按3Hz/S的加速度增加频率，寻找相电流有效值波动很大且机械震动非常明显的频率，视为机械谐振频率点f H 。并获得机械谐振的频率范围，一般是f H ±(2~3)Hz。f H 会随压缩机运行时间长短和冷却介质温度变化而略有改变。
b. 获得压缩机谐振频率范围以后，正常运行时，按照3Hz/S增加运行频率，起动压缩机。计算电压空间矢量的幅值和相位角，利用电压电流反馈调节其幅值。当增加频率到机械谐振频率点f H 附近，以15Hz/S的速率增加运行频率，穿越机械谐振频率范围（在机械谐振频率范围内，定子电压空间矢量幅值保持穿越机械谐振频率范围前的电压不变）。之后在此范围外附近某一频率点，恒定速度运行7～10S直至相电流有效值基本不变，再按1Hz/S增加频率直至最终达到预设的运行频率。
（二）将直流母线电压和相电流有效值作为反馈控制信号来调节直流无刷电机定子电压，实现VVVF的闭环调速。
所述计算电压空间矢量幅值和相位角方法为：
a. 由频率给定值f R ，根据                                                
Figure 524960DEST_PATH_IMAGE001
（调制系数初值1，变化范围0.5～1.5，调制系数
Figure 379783DEST_PATH_IMAGE003
初值5，变化范围0～10）计算定子电压空间矢量的幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
b.根据电压空间矢量脉宽调制周期T和频率给定值f R ，计算一个周期T定子旋转磁场旋转的角度
Figure 533422DEST_PATH_IMAGE005
。计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，从而确定定子电压空间矢量的相位角为：
Figure 866314DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为前一个周期末时刻的相位角。
所述电压电流反馈方法为：
 首先计算电压空间矢量的幅值
Figure 556053DEST_PATH_IMAGE004
和相位角
Figure 817663DEST_PATH_IMAGE009
，再将电压空间矢量分解为静止两相坐标系统下的两个分量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 960063DEST_PATH_IMAGE011
，由
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，计算得到。 、
Figure 132790DEST_PATH_IMAGE011
经过空间矢量调制环节得到驱动三相全桥逆变器PWM波形的半周期脉冲宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。由电流检测电路得到三相电流
Figure 762485DEST_PATH_IMAGE015
，任取一相计算其相电流有效值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，同时利用电阻分压检测直流母线电压
Figure 938645DEST_PATH_IMAGE017
，采用直流母线电压
Figure 399713DEST_PATH_IMAGE017
和相电流有效值
Figure 829558DEST_PATH_IMAGE016
作为反馈信号来调节调制系数
Figure 8866DEST_PATH_IMAGE002
和值，其中，调制系数
Figure 301362DEST_PATH_IMAGE002
由直流母线电压调节，调制系数由相电流有效值调节。
所述的相电流有效值计算方法：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中I为相电流有效值， 
Figure 240816DEST_PATH_IMAGE019
为修正系数（0.8～1.2），f R 为频率给定值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为PWM周期，N为一个周期相电流的采样点数（采样频率为10kHz，N=10000/
Figure 257314DEST_PATH_IMAGE021
,N取整，如果给定频率在0-10Hz内N=1000），，
Figure 194439DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
分别为第2k-1、2k次采样点的相电流采样值，
Figure 903769DEST_PATH_IMAGE025
为k=0时相电流采样值，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为k=N/2时相电流采样值。
采用本发明的带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法，使180°直流变频空调压缩机起动与运行的可靠性大大提高，压缩机可以在较大范围内平滑调速运行，控制系统简单且易于实现。
附图说明
图1 带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制系统原理框图；
图2 定子旋转磁场位置角计算示意图；
图3 空调压缩机起动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法的系统框图如图1所示：由频率给定值f R ，计算表达式
                                       （1）
计算定子电压空间矢量的幅值
Figure 48498DEST_PATH_IMAGE004
，同时结合电压空间矢量脉宽调制的PWM周期T确定相位角，由两者计算得到电压空间矢量在静止两相坐标系统中的两个分量 、 ，再经过空间矢量调制环节得到驱动三相全桥逆变器PWM波形的半周期脉冲宽度
Figure 77448DEST_PATH_IMAGE014
，由ARM处理器芯片STM32F103B输出调宽触发脉冲触发三相全桥逆变器，输出调制的三相正弦波电压给直流无刷电机三相定子绕组。电网220V的交流电源经单相桥式整流模块，通过电容滤波后得到直流母线电压
Figure 487700DEST_PATH_IMAGE017
。经电流检测电路得到三相电流，再任取一相计算其相电流的有效值，同时利用电阻分压检测直流母线电压
Figure 115801DEST_PATH_IMAGE017
，采用直流母线电压
Figure 114981DEST_PATH_IMAGE017
和相电流有效值
Figure 337015DEST_PATH_IMAGE016
作为反馈信号来调节式(1)的调制系数和
Figure 213759DEST_PATH_IMAGE003
值（系数
Figure 395341DEST_PATH_IMAGE002
初值1，变化范围0.5～1.5，
Figure 522697DEST_PATH_IMAGE003
初值5，变化范围0～10）。
1. 压缩机起动过程
根据空调压缩机的额定参数，定空调压缩机的机械谐振频率点范围。用VVVF直流无刷电机控制方法起动压缩机，按3Hz/S的加速度增加频率，确定电压空间矢量，寻找相电流有效值波动很大且机械震动非常明显的频率，视为机械谐振频率点f H ；并获得机械谐振的频率范围，一般是f H ±(2~3)Hz。确定压缩机运行的机械谐振频率后，在起动阶段，按照频率给定值f R 计算空间电压矢量幅值
Figure 360203DEST_PATH_IMAGE004
和相位角
Figure 926314DEST_PATH_IMAGE009
：在非机械谐振频率范围内，按式(1)计算，且在未到达机械谐振频率范围前单位时间内频率的增加量为固定值3Hz/S；在机械谐振频率范围内定子电压空间矢量幅值
Figure 165665DEST_PATH_IMAGE004
为穿越机械谐振频率范围前频率点的电压值，且保持不变，但单位时间内频率的增加量为15Hz/S；快速越过该谐振频率范围后，在机械谐振频率范围外某一频率点以恒定速度运行10S直至相电流有效值大小不变,接着以单位时间内频率增加量为1Hz/S运行并逐渐增加到3Hz/S。最终达到预设的运行频率70Hz，完成起动过程。
2.     相电流有效值计算
        
Figure 965387DEST_PATH_IMAGE018
             （2）
其中I为相电流有效值， 
Figure 352506DEST_PATH_IMAGE019
为修正系数（0.8～1.2），f R 为频率给定值，
Figure 659991DEST_PATH_IMAGE020
为PWM周期，N为一个周期相电流的采样点数，采样频率为10kHz，N=1000，
Figure 550587DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 285324DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 831843DEST_PATH_IMAGE024
分别为第2k-1、2k次采样点的相电流采样值，
Figure 441554DEST_PATH_IMAGE025
为k=0时相电流采样值，
Figure 452235DEST_PATH_IMAGE026
为k=N/2时相电流采样值。
3. 电压空间矢量的给定与计算
电压空间矢量的幅值由式(1)得到，系数
Figure 357875DEST_PATH_IMAGE002
的值由直流母线电压调节，系数的值由相电流有效值调节；电压空间矢量旋转的电角速度基本与给定的频率同步。如图2所示根据电压空间矢量脉宽调制周期T及频率给定值f R ，计算一个周期T定子旋转磁场旋转的角度
Figure 103294DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为：
Figure 906165DEST_PATH_IMAGE006
，从而确定定子电压空间矢量的相位角为：
Figure 484170DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 67598DEST_PATH_IMAGE008
为前一个周期末时刻的相位角。给定的电压空间矢量分解为静止两相坐标下的两个分量
Figure 254997DEST_PATH_IMAGE012
，。
空调压缩机的参数如表1所示，压缩机型号为DH130X1C-20FZ1的压缩机，确定f H =32Hz，且机械谐振频率范围在30Hz～34Hz之间，如图3所示，按照此方式起动，频率给定值f R 在0Hz～30Hz，计算其定子电压空间矢量幅值，以3Hz/S的加速度增加频率到30Hz，当频率给定值f R 在30Hz～34Hz之间运行时，以15Hz/S的加速度快速越过该段区域，
Figure 932338DEST_PATH_IMAGE004
大小保持为30Hz时的电压值。在加速越过谐振点的抖动区域后，让压缩机在34Hz平稳运行10S，等待相电流稳定，之后以1Hz/S的加速度上升到40Hz，然后再以3Hz/S继续增加频率，最终使速度上升为70Hz。
实施例用的变频空调参数如表1所示。
表1  变频空调参数
压缩机型号 DH130X1C-20FZ1
压缩机的形式 旋转式直流变频压缩机
额定频率范围 18～120S-1
总重量 （包括冷冻机油）9.9kg
使用冷媒 R22
电机的形式 直流无刷电动机（转速可变型）
极数 4极
卷线阻抗 （20°C时）0.71W
输入功率 700±5%W
电流 4.15±5%A

Claims (2)

1.一种带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a. 确定空调压缩机的机械谐振频率点范围：用VVVF直流无刷电机控制方法起动压缩机，按3Hz/S的加速度增加频率，寻找相电流有效值波动很大且机械震动非常明显的频率，视为机械谐振频率点f H ，并获得机械谐振的频率范围f H ±(2~3)Hz；
b. 获得机械谐振频率范围以后，按照3Hz/S增加运行频率，起动压缩机，计算电压空间矢量的幅值和相位角，利用电压反馈、电流反馈调节电压幅值，当增加频率接近机械谐振频率点f H ，以15Hz/S的速率增加运行频率，穿越机械谐振频率范围，加速时段内定子电压空间矢量幅值保持穿越机械谐振频率范围前的电压不变，超越机械谐振频率后，恒定速度运行7～10S直至相电流有效值不变，再按1Hz/S增加频率直至最终达到预设的运行频率；
所述计算电压空间矢量幅值和相位角方法为：
（1）. 由频率给定值f R ，根据                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，计算定子电压空间矢量的幅值
Figure 291012DEST_PATH_IMAGE002
；式中调制系数初值为1，变化范围为0.5～1.5，调制系数
Figure 332786DEST_PATH_IMAGE004
初值为5，变化范围0～10；
（2）.根据电压空间矢量脉宽调制周期T和频率给定值f R ，计算一个周期T定子旋转磁场旋转的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为：，从而确定定子电压空间矢量的相位角为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中为前一个周期末时刻的相位角；
所述电压电流反馈方法为：
 先按（1）和（2）计算电压空间矢量的幅值
Figure 509056DEST_PATH_IMAGE002
和相位角
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，再将电压空间矢量分解为静止两相坐标系统下的两个分量
Figure 456152DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 171353DEST_PATH_IMAGE010
、 经过空间矢量调制环节得到驱动三相全桥逆变器PWM波形的半周期脉冲宽度
Figure 895912DEST_PATH_IMAGE014
，由电流检测电路得到三相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，任取一相计算其相电流有效值
Figure 774875DEST_PATH_IMAGE016
；同时利用电阻分压检测直流母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，采用直流母线电压
Figure 574204DEST_PATH_IMAGE017
和相电流有效值
Figure 159906DEST_PATH_IMAGE016
作为反馈信号来调节调制系数
Figure 652068DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 956010DEST_PATH_IMAGE004
值，其中，调制系数
Figure 316888DEST_PATH_IMAGE003
由直流母线电压调节，调制系数
Figure 22676DEST_PATH_IMAGE004
由相电流有效值调节；
相电流有效值计算公式为：
Figure 357842DEST_PATH_IMAGE018
其中I为相电流有效值， 
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为修正系数，取值范围为0.8～1.2，为频率给定值，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为PWM周期，N为一个周期相电流的采样点数，，，
Figure 912823DEST_PATH_IMAGE024
分别为第2k-1、2k次采样点的相电流采样值，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为k=0时相电流采样值，为k=N/2时相电流采样值。
2.根据权利要求1所述的带电压电流反馈的VVVF直流无刷电机控制方法，其特征在于：采样频率为10kHz，一个周期相电流的采样点数N为1000。
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