CN103532462A - 永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调控制技术。本发明针对转矩自动补偿前后所带来的转矩突变，提供永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，首先系统计算给定频率f₀和永磁同步电机运转的实际频率f之差，计为频率波动Δf，然后确定永磁同步电机转子的相位角度θ，再然后，当系统退出转矩补偿时，基于频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ，确定渐变转矩补偿量Δτ₁，最后基于渐变转矩补偿量Δτ₁确定永磁同步电机渐变的电流指令。本发明通过将转矩补偿量Δτ₁逐渐减小后加给转矩，使得在退出转矩补偿之后，转矩逐渐平滑过渡，从而使控制电流平滑过渡，消除了转矩补偿过渡过程噪音。适用于永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制技术。

Description

永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法

技术领域

本发明涉及空调控制技术，特别涉及永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法。

背景技术

电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。

其中，在永磁同步单转子直流电机（特别是单转子空调压缩机）的转子的运行的一个周期中，由于压缩机气缸内压力的变化，故而导致转子的重心发生偏移，从而使转子运行时遇到的负载转矩阻力随着转子的位置变化而变化。

由于在现有技术中，转子运行时遇到的负载转矩阻力随着转子的位置变化而变化，故而导致现有技术中存在着转子旋转速度出现波动的技术问题，尤其是在低频（比如：小于30HZ）时，波动会很剧烈，进而导致电动机存在着严重的振动噪声。

为解决这一问题，本人另一发明申请《一种转矩自动补偿方法及转矩自动补偿系统》（申请号为201310192638.5）中，对低频压缩机运行频率低于f₁时（比如30HZ），进行转矩的自动补偿，当压缩机运行频率高于f₁后，取消补偿，试验发现，补偿前后，压缩机的控制转矩τ_G有突变，补偿时为τ_G=τ+Δτ，取消补偿后，控制转矩τ_G=τ，造成压缩机运行的电流不平滑，瞬间增加了噪音，严重时，会出现控制失控，造成报故障停机等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术中，由于转矩自动补偿前后所带来的转矩突变，使得压缩机运行的电流不平滑，瞬间增加了噪音，严重时，会出现控制失控，造成故障停机等问题的缺点，提供永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，通过在退出转矩自动补偿时，将转矩补偿量Δτ渐变，使转矩τ_G从τ_G=τ+Δτ逐渐平滑过渡，慢慢切换到τ_G=τ，从而使控制电流平滑过渡，消除了转矩补偿过渡过程噪音。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统计算永磁同步电机给定频率f₀和永磁同步电机运转的实际频率f之差，计为频率波动Δf；

步骤二、系统确定永磁同步电机转子的相位角度θ；

步骤三、系统退出转矩补偿时，基于所述频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ,确定永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁；

步骤四、系统基于永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁确定永磁同步电机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。

具体的，所述步骤三中，退出转矩补偿时，系统根据频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ，确定永磁同步电机频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁,并根据频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，确定永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

进一步的，系统强制Δf=0，进而可知频率波动Δf与相位角度θ的余弦值cosθ的乘积，计为第一乘积Δfcosθ=0，频率波动Δf与相位角度θ的正弦值sinθ的乘积，计为第二乘积Δfsinθ=0，并对第一乘积Δfcosθ进行低通滤波运算，确定频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁，对所述第二乘积Δfsinθ进行低通滤波运算，确定频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，从而确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

进一步的，系统强制Δf=0，基于频率波动Δf和相位角度θ进行第一积分运算后再进行高通滤波运算，进而获得频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁以及频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，从而确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

再进一步的，系统对频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁以及频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，进行积分调节运算，积分运算输出渐变的a₁_τ和b₁_τ，系统基于积分运算输出渐变的a₁_τ和b₁_τ，确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁，计算公式如下所述:

Δτ₁=a₁_τcosθ+b₁_τsinθ

其中，θ为永磁同步电机转子的相位角度。

具体的，所述步骤四中，系统将所述渐变的转矩补偿量Δτ₁加到转矩给定值τ，确定新的渐变的转矩指令τ_G，所述τ_G=τ+Δτ₁，系统基于新的渐变的转矩指令τ_G，确定所述永磁同步电机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。

本发明的有益效果是，通过上述永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，能够使得在退出转矩补偿之后，转矩τ_G从τ_G=τ+Δτ逐渐平滑过渡，慢慢切换到τ_G=τ，从而使控制电流平滑过渡，消除了转矩补偿过渡过程噪音。

具体实施方式

下面结合实施例详细描述本发明的技术方案：

本发明是针对现有技术中，由于转矩自动补偿前后所带来的转矩突变，使得压缩机运行的电流不平滑，瞬间增加了噪音，严重时，会出现控制失控，造成报故障停机等问题的缺点，提出永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，包括：首先，系统计算给定频率f₀和永磁同步电机运转的实际频率f之差，计为频率波动Δf。然后，系统确定永磁同步电机转子的相位角度θ。其次，系统退出转矩补偿时，基于所述频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ,确定永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。最后，系统基于永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁确定永磁同步电机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。通过在退出转矩自动补偿时，将转矩补偿量Δτ渐变，使转矩τ_G从τ_G=τ+Δτ逐渐平滑过渡，慢慢切换到τ_G=τ，从而使控制电流平滑过渡，消除了转矩补偿过渡过程噪音。

实施例

本例中，当系统退出转矩补偿时，系统根据给定频率f₀和电机运转的实际频率f，计算出频率波动Δf，即Δf=f₀-f，并且将频率波动Δf与转子相位角度θ的余弦值cosθ的乘积Δfcosθ作为第一乘积，频率波动Δf与转子相位角度θ的正弦值sinθ的乘积作Δfsinθ为第二乘积值，并对第一乘积值Δfcosθ进行低通滤波运算，确定频率波动的渐变的基波余弦分量幅值a₁，对所述第二乘积值Δfsinθ进行低通滤波运算，确定频率波动的渐变的基波正弦分量幅值b1，本例在具体实施中，将所述低通滤波器离散化如下计算方法：

Y(n)=Y(n-1)+α（X-Y(n-1)）=αX+（1-α）Y(n-1)

其中，Y(n)表示本次计算输出值，Y(n-1)表示上次计算输出值，X为本次输入值，也就是前面的第一乘积值Δfcosθ或第二乘积值Δfsinθ，α表示0～1内的任意数。

其中，在所述X为Δfcosθ时，上述传递函数的输出Y(n)即为所述渐变的基波余弦分量幅值a₁；在所述X为Δfsinθ时，上述传递函数的输出Y(n)即为所述渐变的基波正弦分量幅值b₁。

从公式可见，当输入X为0时，Y(n)=（1-α）Y(n-1)，由于α<1,输出Y(n)逐渐减小，逐渐向0值靠拢，当输入X不为0时，Y(n)=αX+（1-α）Y(n-1)，由于α<1,输出Y(n)逐渐变化，两种情况下输出Y(n)均不会产生突变。

本例中还给出另一种计算渐变的基波余弦分量幅值a₁和渐变的基波正弦分量幅值b₁的方法，方法如下所示：

由于频率波动由于Δf为周期函数，故而可以展开为如下傅里叶级数：

$\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}[a_k\cos \left(\mathrm{k\&omega;t}\right)+b_k\sin \left(\mathrm{k\&omega;t}\right)]$

其中，k为常数，

Δf中包含的直流分量和各阶次交流分量分别对应如下公式：

$a_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)\mathrm{dt}$

$a_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)\cos \left(\mathrm{k\&omega;t}\right)\mathrm{dt}$

$b_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)\sin \left(\mathrm{k\&omega;t}\right)\mathrm{dt}$

其中，a₀为直流分量、a_k为交流余弦分量、b_k为交流正弦分量。

为了求出Δf波动的基波余弦波动分量a₁和基波正弦波动分量b₁,忽略波动的高阶级分量，采用如下计算公式：

$a_1=\frac{2}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\mathrm{dt}$

$b_1=\frac{2}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}\mathrm{\&Delta;f}\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\mathrm{dt}$

由于，a₁和b₁为积分运算，其积分运算由于积分起点不同，其结果就不同，加上积分周期不是严格按照一个周期等原因，计算会引入累计误差，相当于不定积分有一个不确定的常数，积分结果可能不会收敛，或者不是一个常数，故而需要将积分结果再通过高通滤波器滤波，滤除其常量部分。

由于高通滤波器的传递函数为：

$G_1\left(s\right)=\frac{a_{0}s}{s+b_0}$

积分的传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{c_0}{s}$

信号通过积分运算后再通过高通滤波器的传递函数为：

$G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)=\frac{c_0}{s}\frac{a_{0}s}{s+b_0}=\frac{a_0{c}_0}{s+b_0}=\frac{d_0}{s+b_0}$

正好为低通滤波的传递函数，可见，信号通过积分运算后再通过高通滤波器相当于信号直接通过低通滤波器运算。

系统对所述频率波动的渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动的渐变的基波正弦分量幅值b₁进行积分调节运算，积分运算输出渐变的a₁ τ和b₁ τ，系统基于积分运算输出渐变的a₁ τ和b₁ τ确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁，计算公式如下所述:

Δτ₁=a₁_τcosθ+b₁_τsinθ

其中，θ为永磁电动机的转子的相位角度。

系统将所述渐变的转矩补偿量Δτ₁加到转矩给定值τ，确定新的渐变的转矩指令τ_G，所述τ_G=τ+Δτ₁，系统基于新的渐变的转矩指令τ_G，确定所述永磁电动机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。首先采用能量不变坐标变换，得到如下公式：

$I_q=\frac{\mathrm{\&tau;}\_G}{p[K_E+(L_d-L_q)I_{d-1}]}$

再采用最大转矩控制方式，得到：

$I_d=-\frac{K_E}{2(L_d-L_q)}-\sqrt{{\left[\frac{K_E}{2(L_d-L_q)}\right]}^2+{\left(I_q\right)}^2}$

其中，I_d表示d轴电流指令值，I_q表示q轴电流指令值，I_d-1表示上一次d轴电流指令值，τ_G表示新的渐变的转矩指令，p表示永磁电动机当前功率，K_E表示感应电压常数，L_d表示d轴电感值，L_q表示q轴电感值。综上所述，通过本发明永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，低通滤波器的输出值会在原来输出的基础上逐渐改变，慢慢向0靠近，一定时间后，低通滤波器的输出值将恒定为0，渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动的渐变的基波正弦分量幅值b₁逐渐向0靠近，则其后的积分运算输出值a₁ τ和b₁ τ也会随着逐渐向0靠近，则渐变转矩补偿量Δτ₁也会逐渐向0靠近，新的转矩指令也将逐渐减小为补偿之前的转矩指令值，电机基于新的渐变的转矩指令τ_G，从而确定所述永磁电动机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。同理，当需要转矩补偿时，比如从高频进入低频阶段，即表示Δf=f₀-f不一定为0，可以同样求出幅值逐渐增大的渐变的基波余弦分量幅值与频率波动的渐变的基波正弦分量幅值，经过前述一系列计算后，求出转矩补偿量也逐渐变化，不会造成转矩的突变，同样达到转矩补偿量渐变的过程，达到压缩机在过渡阶段平稳运行的目的。圆满的解决了取消转矩补偿的过程和进入转矩补偿的过程中压缩机由于转矩突变造成的震动问题，压缩机在低频是运行平稳，极大的降低甚至消除了低频电机震动带来的低频震动噪声，转子电机特别市单转子永磁同步缩机由于运转时负载转矩阻力随着转子位置的变化造成的震动噪音问题，压缩机在低频以及进入/退出转矩补偿时运行均非常平稳，效果明显。

Claims (6)

1.永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、系统计算永磁同步电机给定频率f₀和永磁同步电机运转的实际频率f之差，计为频率波动Δf；

步骤二、系统确定永磁同步电机转子的相位角度θ；

步骤三、系统退出转矩补偿时，基于所述频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ,确定永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁；

步骤四、系统基于永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁确定永磁同步电机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，所述步骤三中，退出转矩补偿时，系统根据频率波动Δf及永磁同步电机转子的相位角度θ，确定永磁同步电机频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁,并根据频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁与频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，确定永磁同步电机转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，系统强制Δf=0，则频率波动Δf与相位角度θ的余弦值cosθ的第一乘积Δfcosθ=0，频率波动Δf与相位角度θ的正弦值sinθ的第二乘积Δfsinθ=0，并对第一乘积Δfcosθ进行低通滤波运算，确定频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁，对所述第二乘积Δfsinθ进行低通滤波运算，确定频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，从而确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

4.根据权利要求2所述的永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，系统强制Δf=0，，基于频率差Δf和相位角度θ进行第一积分运算后再进行高通滤波运算，进而获得频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁以及频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，从而确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁。

5.根据权利要求2、3或4所述的永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，系统对频率波动渐变的基波余弦分量幅值a₁以及频率波动渐变的基波正弦分量幅值b₁，进行积分调节运算，积分运算的输出为渐变的a₁_τ和b₁_τ，系统基于积分运算输出的渐变的a₁_τ和b₁_τ，确定转子的渐变转矩补偿量Δτ₁，计算公式如下所述:

Δτ₁=a₁_τcosθ+b₁_τsinθ

其中，θ为永磁同步电机转子的相位角度。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机低频转矩补偿过渡控制方法，其特征在于，所述步骤四中，系统将所述渐变的转矩补偿量Δτ₁加到转矩给定值τ，确定新的渐变的转矩指令τ_G，所述τ_G=τ+Δτ₁，系统基于新的渐变的转矩指令τ_G，确定所述永磁电动机渐变的d轴电流指令值I_d和渐变的q轴电流指令值I_q。