CN103780185A - 压缩机的力矩控制方法和力矩控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩机的力矩控制方法和力矩控制装置。力矩控制方法，包括：根据压缩机的目标转速和实际转速得到压缩机的目标控制力矩电流；根据压缩机的负载特性和压缩机的转子的实际位置对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流；利用Clark/Park逆变换将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；使用目标控制力矩电压控制压缩机的运转。本发明中的力矩控制方法，根据压缩机的转子所固有的负载特性，将检测到的转子的实际位置，通过前馈的方式对目标控制力矩电流进行补偿，从而解决了压缩机在低频运行时产生振动的问题，实施起来十分简单、有效。

Description

压缩机的力矩控制方法和力矩控制装置

技术领域

本发明涉及压缩机控制领域，特别是涉及一种压缩机的力矩控制方法和力矩控制装置。

背景技术

目前，直流变频空调因其节能效果好、舒适度好、噪音低等特点，越来越受到消费者的喜爱。因此，提高变频驱动的性能是直流变频空调性能提升的重点。

由于空调的压缩机的转子具有特殊的机械结构，因此，会导致压缩机在转动时，其转子的负载力矩在每个机械周期都是不一致的。然而，给定力矩的PID等模糊控制不能有效的实时跟踪负载力矩的变化，这样，会导致转子的角速度不稳，最终使压缩机发生振动。特别是在低频段，再加上转子惯性的作用，振动会更为明显。压缩机的振动会影响空调的使用性能、使用寿命，并会产生很大的噪音。

这解决这个问题，现有技术中普遍采用的方法是限制最低的运行频率。这是因为，压缩机在高频运行时的振动相对较小。显然，采用该方法，会限制空调的节能效果以及舒适效果。

现有技术中的另一种方法是，测量转速的变化，根据Te-Tl=BΩ+J*dΩ/dt，计算负载力矩Tl的变化，再进行力矩补偿。然而，该方法的中间过程计算量大，增加了驱动芯片的负担，实现难度也较大。另外，由于反馈控制本身的滞后效应，控制的实时性也较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种压缩机的力矩控制方法和力矩控制装置，以解决压缩机振动的问题。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种压缩机的力矩控制方法，包括：根据压缩机的目标转速和实际转速得到压缩机的目标控制力矩电流；根据压缩机的负载特性和压缩机的转子的实际位置对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流；利用Clark/Park逆变换将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；使用目标控制力矩电压控制压缩机的运转。

进一步地，将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压包括：根据压缩机的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号，将第一电压信号经过Clark/Park逆变换后得到目标控制力矩电压。

进一步地，使用目标控制力矩电压控制压缩机的运转包括：将目标控制力矩电压经过矢量PWM变换后驱动压缩机工作。

进一步地，根据压缩机的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号包括：将实际电流经过Clark/Park变换后得到的变换后的实际电流，利用变换后的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号。

进一步地，力矩控制方法还包括：根据压缩机的电子力矩的波峰、波谷与压缩机的负载力矩之间的对应关系，将实际位置所对应的机械角度转变为电子角度，以利用电子角度对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流。

作为本发明的另一个方面，提供了一种压缩机的力矩控制装置，包括：速度反馈控制单元，用于根据压缩机的目标转速和实际转速得到压缩机的目标控制力矩电流；力矩电流防震补偿单元，与速度反馈控制单元连接，用于根据压缩机的负载特性和压缩机的转子的实际位置对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流；第一坐标变换单元，与力矩电流防震补偿单元连接，用于利用Clark/Park逆变换将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；驱动控制单元，与第一坐标变换单元连接，用于根据目标控制力矩电压控制压缩机的运转。

进一步地，力矩控制装置还包括：电流反馈控制单元，分别与力矩电流防震补偿单元和第一坐标变换单元连接，用于根据压缩机的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号；第一电压信号经过Clark/Park逆变换后得到目标控制力矩电压。

进一步地，力矩控制装置还包括：矢量PWM变换单元，分别与第一坐标变换单元和驱动控制单元连接，用于将目标控制力矩电压经过矢量PWM变换后提供给驱动控制单元，以驱动压缩机工作。

进一步地，力矩控制装置还包括：第二坐标变换单元，与电流反馈控制单元连接，用于将实际电流经过Clark/Park变换后的值反馈给电流反馈控制单元，以使电流反馈控制单元利用变换后的实际电流得到第一电压信号。

进一步地，力矩控制装置还包括：角度转换单元，与力矩电流防震补偿单元连接，用于根据压缩机的电子力矩的波峰、波谷与压缩机的负载力矩之间的对应关系，将实际位置所对应的机械角度与转变为电子角度；力矩电流防震补偿单元根据电子角度对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流。

本发明中的力矩控制方法，根据压缩机的转子所固有的负载特性，将检测到的转子的实际位置，通过前馈的方式对目标控制力矩电流进行补偿，从而解决了压缩机在低频运行时产生振动的问题，实施起来十分简单、有效。

附图说明

图1示意性示出了本发明中的压缩机的力矩控制方法和控制装置的示意图；

图2示意性示出了本发明中的压缩机的力矩特性曲线示意图；

图3示意性示出了压缩机的电子力矩、负载力矩、电子角度与机械角度的关系示意图；

图4示意性示出了未进行力矩补偿时的电流波形图；以及

图5示意性示出了本发明中进行力矩补偿后的电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

作为本发明的第一方面，提供了一种压缩机的力矩控制方法。请参考图1,该力矩控制方法包括：根据压缩机的目标转速和实际转速得到压缩机的目标控制力矩电流；根据压缩机的负载特性和压缩机的转子的实际位置对目标控制力矩电流进行补偿得到参考力矩电流；利用Clark/Park逆变换将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；使用目标控制力矩电压控制压缩机的运转。

本发明中的力矩控制方法，根据压缩机的转子所固有的负载特性，将检测到的转子的实际位置，通过前馈的方式对目标控制力矩电流进行补偿，从而解决了压缩机在低频运行时产生振动的问题，实施起来十分简单、有效。

图2示出了压缩机的转子的负载特性曲线。图2中，其纵轴代表气体压力负载（单位为N·m），横轴代表转子的机械角度的位置（单位为度）。因此，根据转子的负载特性曲线和转子的机械角度（即实际位置），就能得知气体压力负载，从而对设定的目标控制力矩电流进行补偿。例如，根据负载特性曲线，以中心值幅值作零补偿，大于中心值按比例作正补偿，小于中心值比例作负向补偿。优选地，对应负载特性曲线的峰谷值处补偿值最大。特别地，图2是在压力条件是Pd=2.04MPa，Ps=0.524MPa时测得的曲线。

优选地，采用PI（比例-积分）的方式，根据压缩机的目标转速和实际转速得到压缩机的目标控制力矩电流，当然，也可以采用本领域其它的反馈控制方式来得到目标控制力矩电流。

优选地，压缩机的转子的负载特性是预先存储的，使用时，可以根据实际位置（例如机械角度）来询查得到与该实际位置对应的负载特性。

优选地，将参考力矩电流变换为目标控制力矩电压包括：根据压缩机的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号（例如，通过PI控制器等），将第一电压信号经过Clark/Park逆变换后得到目标控制力矩电压。其中，Clark/Park逆变换在本领域也称为2/3变换，即将两相dq轴系经过Park逆变换得到两相αβ轴系，再经过Clark逆变换得到3相uvw轴系。例如，如图1所示，第一电压信号包括u_d和u_q，经过Clark/Park逆变换后，得到三相电压信号u_a、u_b和u_c，这样，便可利用变换后的目标控制力矩电压来控制压缩机。特别地，参考力矩电流变换为目标控制力矩电压，及2/3、3/2变换为矢量控制领域的通用模式。

优选地，使用目标控制力矩电压控制压缩机的运转具体包括：将目标控制力矩电压经过矢量PWM变换后驱动压缩机工作。优选的，该矢量PWM变换采用SVPWM变换。进一步地，经过矢量PWM变换后的信号，提供给驱动控制单元（例如逆变器），从而驱动压缩机运行。

优选地，根据压缩机的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号包括：将实际电流经过Clark/Park变换后得到的变换后的实际电流，利用变换后的实际电流与参考力矩电流得到第一电压信号。其中，Clark/Park变换本领域也称为3/2变换，即三相uvw轴系先经过Clark变换得到两相αβ轴系，再经过Park变换得到两相dq轴系。如图1所示，压缩机的负载力矩电流i_a、i_b和i_c经过Clark/Park变换后变成i_d和i_q，这两个反映负载力矩的电流值被反馈给参考力矩电流，这样便可通过控制算法（例如PI控制等）得到目标控制力矩电压。例如，PI控制传递函数：Kp+Ki/s，其中，Kp、Ki分别为比例项、积分项常数。

优选地，力矩控制方法还包括：根据压缩机的电子力矩的波峰、波谷与压缩机的负载力矩之间的对应关系，将实际位置所对应的机械角度转变为电子角度，以利用电子角度对目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流。

电子角度与机械角度并非一一对应的关系。在矢量控制中需要使用到的是电子角度，而在力矩补偿过程中使用到的是机械角度。因此，在力矩补偿之前，需要建立机械角度与电子角度的对应关系，且只在补偿前确定对应关系。

例如，请参考图3，以两对极的电机来说，其电子角度为0~720度，对应的机械角度为0-360度。因此，需要确定图3中所示的0度机械角度时，所对应的电子角度θ₀。其中，θ₁是电子力矩T_e谷值对应的电子角度；θ₂是电子力矩T_e峰值对应的电子角度；θ₃是负载力矩Tl峰值对应的电子角度。另外，Δθ₁为电子力矩T_e峰值点与负载曲线峰值点之间的电子角度差，Δθ₂为负载曲线峰值点与电子力矩T_e谷值点之间的电子角度差；Δθ₃为负载曲线峰值点与0度机械角位置之间的电子角度差。所表示的电子角均为固定参数，由负载特性曲线决定。其中，θ₀、θ₃待求；Δθ₃为固定值；θ₁、θ₂可测得；Δθ₁、Δθ₂通过反复试验测得最佳值。图3中p为极对的个数，v为转速，0、90、270、360表示机械角度，θ₀、θ₀+p×90、θ₀+p×180、θ₀+p×270、θ₀+p×360表示电子角度。

由图3可知，θ₀可由下式得到：

θ₀＝θ₃－Δθ₃                （1）

图3中，实际负载T_l难以测量，所以无法直接测量负载峰值对应的电子角度θ₃，并无法由上式得到θ₀。

通过可测电子力矩T_e，测得T_e峰值或谷值对应的电子角度θ₂或θ₁，以及与负载力矩曲线的对应关系，即可算得θ₃值：

θ₃＝θ₂－Δθ₁                （2）

或者

θ₃＝θ₁+Δθ₂                 （3）

将式（2）或（3）代入式（1），便可得到θ₀初始值：

θ₀＝θ₂－Δθ₁－Δθ₃         （4）

或者

θ₀＝θ₁+Δθ₂－Δθ₃                （5）

需要说明的是，这些角度值均为电子角，已经包含了极对数信息，可适用于不同极对的情形；另外，为建立与机械角度关系，电子角以p×360°为周期。

通过以上算法，有效解决了负载力矩对应的电子角度的测量，可以通过少量的计算即可得到电子角度与机械角度建立对应关系的θ₀，从而根据电子角度便可以方便地加入力矩前馈补偿。

作为本发明的第二方面，提供了一种压缩机的力矩控制装置。请参考图1,该力矩控制装置包括：速度反馈控制单元1，用于根据压缩机的目标转速ω^*和实际转速

得到压缩机的目标控制力矩电流i_s；力矩电流防震补偿单元3，与速度反馈控制单元1连接，用于根据压缩机9（特别是压缩机9的马达）的负载特性和压缩机9的转子的实际位置对目标控制力矩电流i_s进行补偿，得到参考力矩电流i_{d_ref}、i_{q_ref}；第一坐标变换单元，与力矩电流防震补偿单元3连接，用于利用Clark/Park逆变换将参考力矩电流i_{d_ref}、i_{q_ref}变换为目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c；驱动控制单元7，与第一坐标变换单元连接，用于根据目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c控制压缩机9的运转。

本发明中的力矩控制装置，根据压缩机的转子所固有的负载特性，将检测到的转子的实际位置，通过前馈的方式对目标控制力矩电流进行补偿，从而解决了压缩机在低频运行时产生振动的问题，实施起来十分简单、有效。

图2示出了压缩机的转子的负载特性曲线。图2中，其纵轴代表气体压力负载（单位为N·m），横轴代表转子的机械角度的位置（单位为度）。因此，根据转子的负载特性曲线和转子的机械角度（即实际位置），就能得知气体压力负载，从而对设定的目标控制力矩电流进行补偿。特别地，图2是在压力条件是Pd=2.04MPa，Ps=0.524MPa时测得的曲线。

优选地，力矩控制装置还包括：电流反馈控制单元4，分别与力矩电流防震补偿单元3和第一坐标变换单元连接，用于根据压缩机9的实际电流i_a、i_b、i_c与参考力矩电流i_{d_ref}、i_{q_ref}得到第一电压信号u_d、u_q；第一电压信号u_d、u_q经过Clark/Park逆变换后得到目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c。其中，Clark/Park逆变换在本领域也称为2/3变换。例如，如图1所示，第一电压信号包括u_d和u_q，经过Park变换后，得到三相的目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c，这样，便可利用变换后的目标控制力矩电压来控制压缩机9。

优选地，力矩控制装置还包括：矢量PWM变换单元6，分别与第一坐标变换单元和驱动控制单元7连接，用于将目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c经过矢量PWM变换后提供给驱动控制单元（例如逆变器等），以驱动压缩机9工作。优选的，该矢量PWM变换采用SVPWM变换。进一步地，经过矢量PWM变换后的信号，提供给驱动控制单元，从而驱动压缩机9运行。

优选地，力矩控制装置还包括：第二坐标变换单元，与电流反馈控制单元4连接，用于将实际电流i_a、i_b、i_c经过Clark/Park变换后的值反馈给电流反馈控制单元4，以使电流反馈控制单元4利用变换后的实际电流i_d、i_q得到第一电压信号u_d、u_q。其中，Clark/Park变换本领域也称为3/2变换。如图1所示，压缩机的负载力矩电流（即实际电流）i_a、i_b、i_c经过Clark/Park变换后变成i_d、i_q，这两个反映负载力矩的电流值被反馈给参考力矩电流i_{d_ref}、i_{q_ref}，这样便可通过控制算法（例如PI控制等）得到目标控制力矩电压u_a、u_b、u_c。

优选地，力矩控制装置还包括：角度转换单元（未示出），与力矩电流防震补偿单元3连接，用于根据压缩机9的电子力矩的波峰、波谷与压缩机9的负载力矩之间的对应关系，将实际位置所对应的机械角度转变为电子角度

力矩电流防震补偿单元3根据电子角度对目标控制力矩电流i_s进行补偿后得到参考力矩电流i_{d_ref}、i_{q_ref}。

优选地，力矩控制装置还包括转子位置与转速估算单元5，其用于根据第二坐标变换单元的输出估算出转子位置（即电子角度当上述电子角度与机械角度对应关系建立后，也体现为机械角度；电子角度

提供给Clark/Park变换和Clark/Par逆变换使用）和实际转速

并将转子位置提供给力矩电流防震补偿单元3和第一和/或第二坐标变换单元。特别地，可以采用本领域的多种估算算法估算出转子位置和实际转速

本发明中的力矩控制装置和方法，根据压缩机转子的机械角度位置及固有的负载特征，对设定的目标控制力矩电流进行补偿，从而有效解决压缩机低频运行时的振动缺陷，方法简单有效。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩机的力矩控制方法，其特征在于，包括：

根据所述压缩机的目标转速和实际转速得到所述压缩机的目标控制力矩电流；

根据所述压缩机的负载特性和所述压缩机的转子的实际位置对所述目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流；

利用Clark/Park逆变换将所述参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；

使用所述目标控制力矩电压控制所述压缩机的运转。

2.根据权利要求1所述的力矩控制方法，其特征在于，将所述参考力矩电流变换为所述目标控制力矩电压包括：根据所述压缩机的实际电流与所述参考力矩电流得到第一电压信号，将所述第一电压信号经过所述Clark/Park逆变换后得到所述目标控制力矩电压。

3.根据权利要求1所述的力矩控制方法，其特征在于，使用所述目标控制力矩电压控制所述压缩机的运转包括：将所述目标控制力矩电压经过矢量PWM变换后驱动所述压缩机工作。

4.根据权利要求2所述的力矩控制方法，其特征在于，根据所述压缩机的实际电流与所述参考力矩电流得到第一电压信号包括：将所述实际电流经过Clark/Park变换后得到的变换后的实际电流，利用所述变换后的实际电流与所述参考力矩电流得到所述第一电压信号。

5.根据权利要求2所述的力矩控制方法，其特征在于，所述力矩控制方法还包括：根据所述压缩机的电子力矩的波峰、波谷与所述压缩机的负载力矩之间的对应关系，将所述实际位置所对应的机械角度转变为电子角度，以利用所述电子角度对所述目标控制力矩电流进行补偿后得到所述参考力矩电流。

6.一种压缩机的力矩控制装置，其特征在于，包括：

速度反馈控制单元，用于根据所述压缩机的目标转速和实际转速得到所述压缩机的目标控制力矩电流；

力矩电流防震补偿单元，与所述速度反馈控制单元连接，用于根据所述压缩机的负载特性和所述压缩机的转子的实际位置对所述目标控制力矩电流进行补偿后得到参考力矩电流；

第一坐标变换单元，与所述力矩电流防震补偿单元连接，用于利用Clark/Park逆变换将所述参考力矩电流变换为目标控制力矩电压；

驱动控制单元，与所述第一坐标变换单元连接，用于根据所述目标控制力矩电压控制所述压缩机的运转。

7.根据权利要求6所述的力矩控制装置，其特征在于，所述力矩控制装置还包括：电流反馈控制单元，分别与所述力矩电流防震补偿单元和所述第一坐标变换单元连接，用于根据所述压缩机的实际电流与所述参考力矩电流得到第一电压信号；所述第一电压信号经过所述Clark/Park逆变换后得到所述目标控制力矩电压。

8.根据权利要求6所述的力矩控制装置，其特征在于，所述力矩控制装置还包括：矢量PWM变换单元，分别与所述第一坐标变换单元和所述驱动控制单元连接，用于将所述目标控制力矩电压经过矢量PWM变换后提供给所述驱动控制单元，以驱动所述压缩机工作。

9.根据权利要求7所述的力矩控制装置，其特征在于，所述力矩控制装置还包括：第二坐标变换单元，与所述电流反馈控制单元连接，用于将所述实际电流经过Clark/Park变换后的值反馈给所述电流反馈控制单元，以使所述电流反馈控制单元利用变换后的所述实际电流得到所述第一电压信号。

10.根据权利要求7所述的力矩控制装置，其特征在于，所述力矩控制装置还包括：角度转换单元，与所述力矩电流防震补偿单元连接，用于根据所述压缩机的电子力矩的波峰、波谷与所述压缩机的负载力矩之间的对应关系，将所述实际位置所对应的机械角度转变为电子角度；所述力矩电流防震补偿单元根据所述电子角度对所述目标控制力矩电流进行补偿后得到所述参考力矩电流。

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