CN102594254A - 降低永磁同步电机噪音的系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种降低永磁同步电机噪音的系统，包括永磁同步电机，其分别连接有转子位置编码器和PWM功率驱动单元，永磁同步电机与PWM功率驱动单元之间连接有电流传感器和abc/dq坐标变换模块，PWM功率驱动单元依次连接有SVPWM模块和dq/abc坐标变换模块。其控制方法包括采集永磁同步电机的定子电流信号，检测永磁同步电机的转子位置，计算其电角度和电角速度，计算d、q轴电流分量，建立电流环控制方程组，对永磁同步电机进行矢量控制，通过调节电流环的PI调节器比例控制参数K_P和积分控制参数K_I的取值，放宽永磁同步电机3的速度波动范围，从而降低永磁同步电机所产生的噪音。本发明具有设计简单合理、制作成本低、电机的工作噪音低的特点。

Description

降低永磁同步电机噪音的系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用在空调器室外机的永磁同步电机，具体是一种降低永磁同步电机噪音的系统及控制方法。

背景技术

永磁同步电机矢量控制的关键在于有效控制定子电流。转子磁场定向矢量控制(FOC)是目前永磁同步电机较常用的控制方式，其原理是通过同步旋转坐标变换，将永磁同步电机的三相绕组电流分解到以转子磁场定向的同步旋转坐标轴系上，继而分解得到永磁同步电机的d轴激磁电流和q轴转矩电流。在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系上，对永磁同步电机的d轴激磁电流和q轴转矩电流进行解耦控制，使永磁同步电机具有直流电机的运行性能。

在高精度伺服控制系统中，不但要求被控的永磁同步电机对应于每个脉冲当量的定位精度高，而且对电机的转速波动和动态响应速度有定量指标的要求，因此在对永磁同步电机进行转子磁场定向矢量控制(FOC)时，需要严格按电机的矢量控制模型对d轴激磁电流和q轴转矩电流进行实时计算和控制，如图2所示，其为高精度伺服系统电机相电流的波形示意图。如中国专利文献号CN101753091A于2010年6月23日公开了一种永磁同步电机的电流环控制方法，该方法包括采集该电机定子电流信号；检测该电机的转子位置，计算其电角速度和电角度；将该电机定子电流信号进行坐标变换得到该电机定子电流的d、q轴分量；建立稳态方程组；建立电流环控制方程组；经坐标变换后得到该电机运行的开关信号。其实质就是针对高精度伺服电机控制系统而提出的。应用于伺服电机控制系统的矢量控制方法计算工作量大，对CPU和数据采集模块的性能要求高。

近年来用永磁同步电机(或无刷直流电机)取代交流感应电机以提高系统的能效成为一种趋势，永磁同步电机的转子磁场定向矢量控制(FOC)也被广泛应用于家电产品等领域的调速系统中，如空调室内外风扇的正弦波控制其实就是永磁同步电机无HALL位置检测的转子磁场定向矢量控制调速系统。在家电产品调速系统中，对永磁同步电机的定位精度、动态响应速度等没有伺服系统要求高，但要求控制系统的硬件低成本和高可靠性，尤其是对电机系统的噪音要求很高，例如某款空调室内风扇的噪音要求不超过42dB。

在家电产品用永磁电机取代交流电机时，原本没有噪音问题的调速系统往往出现了异音。产生这种现象的初步原因是交流风扇电机是一种开环的调速系统，其转速可以随负载的波动而波动，系统即使有噪音也比较柔和，而对永磁同步电机调速系统的控制是一种闭环控制，控制的目标是使转速不受负载波动的影响而维持恒定，而这种速度闭环控制正是产生系统异音的原因。因此，需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、制作成本低、可有效降低电机工作噪音的降低永磁同步电机噪音的系统及控制方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种降低永磁同步电机噪音的系统，包括永磁同步电机，其结构特征是永磁同步电机分别连接有转子位置编码器和PWM功率驱动单元，永磁同步电机与PWM功率驱动单元之间连接有用于检测三相定子电流的电流传感器和abc/dq坐标变换模块，PWM功率驱动单元依次连接有产生空间矢量脉宽调制信号的SVPWM模块和dq/abc坐标变换模块。

所述永磁同步电机的调速范围为200～1500转/分。

一种降低永磁同步电机噪音的控制方法，其特征是该方法包括采集永磁同步电机的定子电流信号，检测永磁同步电机的转子位置，计算其电角度和电角速度，计算d、q轴电流分量，建立电流环控制方程组，对永磁同步电机进行矢量控制；

电流环的PI调节器比例控制参数K_P＝P_max/I_max，P_max为功率驱动单元的最大输出功率，I_max为线性范围内最大电流值；

积分控制参数K_I＝(K_p+K)²/(4*A)，A为电路系统的等效惯量参数，K为等效阻尼参数；

通过调节电流环的PI调节器比例控制参数K_P和积分控制参数K_I的取值，放宽永磁同步电机的速度波动范围，从而降低永磁同步电机所产生的噪音。

所述该方法包括以下步骤：

a)、通过电流传感器采集永磁同步电机的三相定子电流信号I_sabc；；

b)、通过转子位置编码器检测永磁同步电机的转子位置θ及转速ω_r，根据θ及ω_r的值计算其电角速度ω和电角度θ_e，其中，ω＝pω_r，θ_e＝pθ，p为该电机的极对数；

c)、将采集得到的定子三相电流信号I_sabc经abc/dq的旋转坐标变换后，得到在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的定子电流d、q轴分量i_d和i_q；

d)、建立永磁同步电机在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的稳态电压方程组，其为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_{\mathrm{ds}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

其中：u_ds、u_qs、i_ds、i_qs分别为永磁同步电机的定子电压、电流d、q轴分量；L_d、L_q分别为d、q轴等效电感；r为电机绕组的相电阻值；ψr为转子永磁体磁链；

e)、建立永磁同步电机电流环的控制方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q^{*}+{\mathrm{ri}}_d^{*}+\mathrm{\ω}{L}_q\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)\\ u_q=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_d^{*}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_q^{*}-\mathrm{\ω}{L}_d\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)\end{array}\right.$

其中：u_d为电流环PI_q的d轴电压控制量；u_q为电流环PI_d的q轴电压控制量；分别为控制系统d、q轴的瞬时值，PI_iq为q轴电流环PI_q调节器输出值，PI_id为d轴电流环PI_d调节器输出值；

f)、将电流环控制方程组中d、q轴的电压控制量u_d、u_q，通过dq/abc的旋转坐标变换后，得到矢量脉宽调制信号的SVPWM模块所需的定子三相电压控制信号u_a、u_b、u_c，在此基础上计算矢量脉宽调制信号的SVPWM模块的占空比信号S_a、S_b、S_c；

g)、两个或两个以上的循环过程与上述a)到f)步骤的技术要求相同。

本发明针对应用在对永磁同步电机转速波动值要求不高的某些家电产品，如应用在空调器室外机的风扇电机，在系统稳定性允许的情况下，电流环PI调节器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I取尽可能大的值，适当放宽被控对象的速度波动范围，从而降低永磁同步电机的噪音。其设计简单合理、制作成本低、电机的工作噪音低。

附图说明

图1为本发明一实施例永磁同步电机矢量控制的原理示意图。

图2为高精度伺服系统电机相电流的波形示意图。

图3为放宽永磁同步电机速度波动范围时电机相电流的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1和图3，本降低永磁同步电机噪音的系统，包括永磁同步电机3，其分别连接有转子位置编码器4和PWM功率驱动单元1，永磁同步电机3与PWM功率驱动单元1之间连接有用于检测三相定子电流的电流传感器2和abc/dq坐标变换模块5，PWM功率驱动单元1依次连接有产生空间矢量脉宽调制信号的SVPWM模块7和dq/abc坐标变换模块6。

所述永磁同步电机3的调速范围为200～1500转/分。

一种降低永磁同步电机噪音的控制方法，其特征是该方法包括采集永磁同步电机3的定子电流信号，检测永磁同步电机3的转子位置，计算其电角度和电角速度，计算d、q轴电流分量，建立电流环控制方程组，对永磁同步电机3进行矢量控制；

通常情况下，电流环的PI调节器比例控制参数K_P＝P_max/I_max，P_max为功率驱动单元的最大输出功率，I_max为线性范围内最大电流值；

积分控制参数K_I＝(K_p+K)²/(4*A)，A为电路系统的等效惯量参数，K为等效阻尼参数。

本控制方案通过修改电流环控制参数可以降低电机的噪音，即在系统稳定性允许的情况下，电流环的PI调节器比例控制参数K_P和积分控制参数K_I取到常规参数的1.5～2倍，这样可以放宽永磁同步电机3的速度波动范围，从而降低永磁同步电机3所产生的噪音。如果电流环的PI调节器比例控制参数K_P和积分控制参数K_I取得太大，如超过常规参数的5倍，电机可能失步，无法进行正常的调速。

该方法包括以下步骤：；

a)、通过电流传感器2采集永磁同步电机3的三相定子电流信号I_sabc；；

b)、通过转子位置编码器4检测永磁同步电机3的转子位置θ及转速ω_r，根据θ及ω_r的值计算其电角速度ω和电角度θ_e，其中，ω＝pω_r，θ_e＝pθ，p为该电机的极对数；

c)、将采集得到的定子三相电流信号I_sabc经abc/dq的旋转坐标变换后，得到在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的定子电流d、q轴分量i_d和i_q；

d)、建立永磁同步电机3在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的稳态电压方程组，其为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_{\mathrm{ds}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

其中：u_ds、u_qs、i_ds、i_qs分别为永磁同步电机3的定子电压、电流d、q轴分量；L_d、L_q分别为d、q轴等效电感；r为电机绕组的相电阻值；ψ_r为转子永磁体磁链；

e)、建立永磁同步电机3电流环的控制方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q^{*}+{\mathrm{ri}}_d^{*}+\mathrm{\ω}{L}_q\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)\\ u_q=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_d^{*}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_q^{*}-\mathrm{\ω}{L}_d\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)\end{array}\right.$

其中：u_d为电流环PI_q的d轴电压控制量；u_q为电流环PI_d的q轴电压控制量；

分别为控制系统d、q轴的瞬时值，PI_iq为q轴电流环PI_q调节器输出值，PI_id为d轴电流环PI_d调节器输出值；

f)、将电流环控制方程组中d、q轴的电压控制量u_d、u_q，通过dq/abc的旋转坐标变换后，得到矢量脉宽调制信号的SVPWM模块7所需的定子三相电压控制信号u_a、u_b、u_c，在此基础上计算矢量脉宽调制信号的SVPWM模块7的占空比信号S_a、S_b、S_c；

g)、两个或两个以上的循环过程与上述a)到f)步骤的技术要求相同。

本发明可应用于全直流变频空调器室外机的风扇电机，永磁同步电机3为风扇电机，即为被控对象。其中所用的风扇电机为8极，功率100瓦，调速范围300～1000转/分。对定子三相电流的检测为母线单电阻检测方式，对转子位置的检测采用基于电机反电势的无HALL位置检测方式。在系统稳定性允许的情况下，电流环PI调节器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I取尽可能大的值，这样可以适当放宽被控对象的速度波动范围，参见图3，其为本发明放宽永磁同步电机3速度波动范围时电机相电流的波形示意图。实验结果表明本发明可有效降低风扇电机的噪音，风扇电机的噪音由原先的56dB降为52dB，降幅超过7％，而且消除了在530～610转/分范围内的异响现象。

Claims (4)

1.一种降低永磁同步电机噪音的系统，包括永磁同步电机(3)，其特征是永磁同步电机(3)分别连接有转子位置编码器(4)和PWM功率驱动单元(1)，永磁同步电机(3)与PWM功率驱动单元(1)之间连接有用于检测三相定子电流的电流传感器(2)和abc/dq坐标变换模块(5)，PWM功率驱动单元(1)依次连接有产生空间矢量脉宽调制信号的SVPWM模块(7)和dq/abc坐标变换模块(6)。

2.根据权利要求1所述降低永磁同步电机噪音的系统，其特征是所述永磁同步电机(3)的调速范围为200～1500转/分。

3.根据权利要求1所述降低永磁同步电机噪音的控制方法，其特征是该方法包括采集永磁同步电机(3)的定子电流信号，检测永磁同步电机(3)的转子位置，计算其电角度和电角速度，计算d、q轴电流分量，建立电流环控制方程组，对永磁同步电机(3)进行矢量控制；

电流环的PI调节器比例控制参数K_P＝P_max/I_max，P_max为功率驱动单元的最大输出功率，I_max为线性范围内最大电流值；

积分控制参数K_I＝(K_p+K)²/(4*A)，A为电路系统的等效惯量参数，K为等效阻尼参数；

通过调节电流环的PI调节器比例控制参数K_P和积分控制参数K_I的取值，放宽永磁同步电机(3)的速度波动范围，从而降低永磁同步电机(3)所产生的噪音。

4.根据权利要求3所述降低永磁同步电机噪音的控制方法，其特征是所述该方法包括以下步骤：

a)、通过电流传感器(2)采集永磁同步电机(3)的三相定子电流信号I_sabc；

b)、通过转子位置编码器(4)检测永磁同步电机(3)的转子位置θ及转速ω_r，根据θ及ω_r的值计算其电角速度ω和电角度θ_e，其中，ω＝p ω_r，θ_e＝p θ，p为该电机的极对数；

c)、将采集得到的定子三相电流信号I_sabc经abc/dq的旋转坐标变换后，得到在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的定子电流d、q轴分量i_d和i_q；

d)、建立永磁同步电机(3)在转子磁场定向的同步旋转坐标轴系下的稳态电压方程组，其为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_{\mathrm{ds}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

其中：u_ds、u_qs、i_ds、i_qs分别为永磁同步电机(3)的定子电压、电流d、q轴分量；L_d、L_q分别为d、q轴等效电感；r为电机绕组的相电阻值；ψr为转子永磁体磁链；

e)、建立永磁同步电机(3)电流环的控制方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q^{*}+{\mathrm{ri}}_d^{*}+\mathrm{\ω}{L}_q\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)\\ u_q=-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_d^{*}-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_r+{\mathrm{ri}}_q^{*}-\mathrm{\ω}{L}_d\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{id}}\right)+r\left({\mathrm{PI}}_{\mathrm{iq}}\right)\end{array}\right.$

其中：u_d为电流环PI_q的d轴电压控制量；u_q为电流环PI_d的q轴电压控制量；

分别为控制系统d、q轴的瞬时值，PI_iq为q轴电流环PI_q调节器输出值，PI_id为d轴电流环PI_d调节器输出值；

f)、将电流环控制方程组中d、q轴的电压控制量u_d、u_q，通过dq/abc的旋转坐标变换后，得到矢量脉宽调制信号的SVPWM模块(7)所需的定子三相电压控制信号u_a、u_b、u_c，在此基础上计算矢量脉宽调制信号的SVPWM模块(7)的占空比信号S_a、S_b、S_c；

g)、两个或两个以上的循环过程与上述a)到f)步骤的技术要求相同。

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