CN104359184A - 一种变载频变频控制方法及控制器 - Google Patents

一种变载频变频控制方法及控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种变载频变频控制方法及控制器，所述方法应用于变频空调控制器中，所述控制器包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机工作，主控MCU产生PWM波驱动三相逆变电路工作，所述方法包括：检测压缩机相电流；在压缩机运行过程中，主控MCU根据压缩机相电流计算压缩机转子速度，并根据压缩机转子速度设定所述PWM波的载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频。本发明实现了运行过程中PWM波载频的动态调整，从而实现了与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制。

Description

一种变载频变频控制方法及控制器
技术领域
本发明涉及家用电器控制领域，更具体地，涉及一种变载频变频控制方法及控制器。
背景技术
变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。变频空调的主机是自动进行变速的，其可以根据室内情况自动提供所需的冷(热)量；当室内温度达到期望值后，空调主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。
在现有技术中，变频控制系统一般称为变频控制器。变频器通常为“交-直-交”电路结构的变频器，其工作原理为三相交流电通过整流电路得到直流电，再用电解电容滤波稳压，最后经逆变电路输出电压、频率可调的交流电驱动变频压缩机工作。
一般变频空调器采用的变频控制器的PWM波载频是固定不变的，因此压缩机以较低的频率运行时，其单个电周期内的载波数量多，动态损耗和电磁(EMC)干扰较大；压缩机以较高的频率运行时，其单个电周期内的载波数量较少，导致采用PWM波进行脉宽调制时调制效果欠佳，产生较严重的因驱动不佳造成的高频振动。
空调器制冷时压缩机运行频率较低，制热时压缩机运行频率较高，目前已有的一种载波控制方法是：制冷运行时采用较低的PWM波载频，制热运行时采用较高的PWM波载频，但都是在压缩机启动运行前就固定了PWM波载频了，在运行过程中不能进行PWM波载频调整，应用效果较差。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的首要目的是一种实现PWM波载频动态调整的变载频变频控制方法，实现与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制。
本发明的进一步目的是提供一种实现变载频变频控制方法的控制器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种变载频变频控制方法，所述方法应用于变频空调控制器中，所述控制器包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机工作，主控MCU产生PWM波驱动三相逆变电路工作，所述方法包括：
检测压缩机相电流；
在压缩机运行过程中，主控MCU根据压缩机相电流计算压缩机转子速度，并根据压缩机转子速度设定所述PWM波的载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频。
本发明变载频变频控制方法在运行过程中根据压缩机转子的速度设定PWM波载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频，实现了运行过程中PWM波载频的动态调整，从而实现了与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制；在低频段采用较低的载频，降低了动态损耗与EMC干扰，在高频段采用较高的载频，实现了单个电机驱动电子周期内有较多的载波周期，达到较佳的驱动PWM波调制效果，减低高频运行时由驱动产生的机械振动。
在一种优选的方案，所述压缩机转子速度分为n个区间，n为正整数，主控MCU根据压缩机转子速度所处的区间设定PWM波载频。
在一种优选的方案，所述计算压缩机转子速度的具体方法为：
检测压缩机两相电流iu、iv，利用三相电流的矢量和为零的关系，计算第三相电流iw；根据三相电流iu、iv、iw估算得到压缩机转子位置θe，压缩机转子位置θe经过求导后得到压缩机转子速度ωe。
在一种优选的方案，所述方法还包括计算所述PWM波的占空比，具体方法包括以下步骤：
S1：将三相电流iu、iv、iw结合转子位置θe，经过坐标变换后得到旋转d_q坐标系中的d轴上的电流值id、q轴上的电流值iq；
S2：压缩机转子速度ωe与其预设的参考命令值ωref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流的参考命令值iqref；id与其预设的参考命令值idref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到d轴电流控制命令值id1；iq与其预设的参考命令值iqref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流控制命令值iq1；
S3：检测直流母线电压值Vp，根据id1、iq1、θe及Vp得到由d_q旋转坐标轴到定子α_β坐标轴的变换，得到iα、iβ矢量，并进一步通过计算得到所需的PWM波占空比。
在一种优选的方案，所述方法还包括：
根据压缩机转子速度ωe和预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库，对ωe、id、iq滞环PI控制的系数进行设定。
在一种优选的方案，所述预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库将位于不同区间的压缩机转子速度对应不同组的ωe、id、iq滞环PI控制的系数。
一种变载频变频控制器，包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机，主控MCU包括：压缩机转子速度计算单元、PWM波载频设定单元、PWM发生器、逆变驱动单元，压缩机转子速度计算单元检测压缩机三相电流并根据压缩机三相电流计算压缩机转子速度并输出到PWM波载频设定单元，PWM波载频设定单元根据压缩机转子速度设定PWM波载频并输出到PWM发生器，PWM发生器根据PWM波载频产生PWM波并传输到逆变驱动单元，逆变驱动单元驱动三相逆变电路。
本发明变载频变频控制器是实现上述变载频变频控制装置，本发明变载频变频控制器与上述方法结合，即可实现与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制。
在一种优选的方案，所述主控MCU还包括PWM占空比计算单元，PWM占空比计算单元连接直流母线电压检测单元、压缩机相电流检测单元、压缩机转子速度计算单元和PWM发生器，PWM占空比计算单元根据相电流、压缩机转子速度、压缩机转子速度参考命令值、d轴电流参考命令值、q轴电流参考命令值、直流母线电压计算PWM占空比并输出到PWM发生器，PWM发生器根据PWM占空比和PWM波载频产生PWM波。
在一种优选的方案，所述压缩机转子速度分为n个区间，n为正整数，PWM波载频设定单元根据压缩机转子速度所处的区间设定所述PWM波的载频。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明变载频变频控制方法在运行过程中根据压缩机转子的速度设定PWM波载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频，实现了运行过程中PWM波载频的动态调整，从而实现了与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制；
本发明变载频变频控制方法在低频段采用较低的载频，降低了动态损耗与EMC干扰，在高频段采用较高的载频，实现了单个电机驱动电子周期内有较多的载波周期，达到较佳的驱动PWM波调制效果，减低高频运行时由驱动产生的机械振动；
本发明变载频变频控制器是实现上述变载频变频控制装置，本发明变载频变频控制器与上述方法结合，即可实现与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制。
附图说明
图1为本发明变载频变频控制器结构图。
11、PWM发生器；12、逆变驱动单元；13、PWM波载频设定单元；14、Kp、Ki系数库14；15、速度/位置估算单元。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种变载频变频控制方法，所述方法应用于变频空调控制器中，所述控制器包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机工作，主控MCU产生PWM波驱动三相逆变电路工作，所述方法包括：
检测压缩机相电流；
在压缩机运行过程中，主控MCU根据压缩机相电流计算压缩机转子速度，并根据压缩机转子速度设定所述PWM波的载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频。
本实施例的变载频变频控制方法在运行过程中根据压缩机转子的速度设定PWM波载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频，实现了运行过程中PWM波载频的动态调整，从而实现了与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制；
本实施例的变载频变频控制方法在低频段采用较低的载频，降低了动态损耗与EMC干扰，在高频段采用较高的载频，实现了单个电机驱动电子周期内有较多的载波周期，达到较佳的驱动PWM波调制效果，减低高频运行时由驱动产生的机械振动。
实施例2
本实施例在实施例1基础上设定压缩机转子速度的区间，并在此基础上设定PWM波载频。
在具体实施过程中，所述计算压缩机转子速度的具体方法为：
检测压缩机两相电流iu、iv，利用三相电流的矢量和为零的关系，计算第三相电流iw；根据三相电流iu、iv、iw估算得到压缩机转子位置θe，压缩机转子位置θe经过求导后得到压缩机转子速度ωe。
在具体实施过程中，所述方法还包括计算所述PWM波的占空比，具体方法包括以下步骤：
S1：将三相电流iu、iv、iw结合转子位置θe，经过坐标变换后得到旋转d_q坐标系中的d轴上的电流值id、q轴上的电流值iq；
S2：压缩机转子速度ωe与其预设的参考命令值ωref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流的参考命令值iqref；id与其预设的参考命令值idref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到d轴电流控制命令值id1；iq与其预设的参考命令值iqref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流控制命令值iq1；
S3：检测直流母线电压值Vp，根据id1、iq1、θe及Vp得到由d_q旋转坐标轴到定子α_β坐标轴的变换，得到iα、iβ矢量，并进一步通过计算得到所需的PWM波占空比。
在具体实施过程中，所述方法还包括：
根据压缩机转子速度ωe和预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库，对ωe、id、iq滞环PI控制的系数进行设定，在系数库中对不同的压缩机转子速度设定不同的滞环PI控制的系数，方便了滞环PI控制的系数的快捷、批量设定，提高了效率，使PWM波载频始终处于最佳。。
在具体实施过程中，所述预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库将位于不同区间的压缩机转子速度对应不同组的ωe、id、iq滞环PI控制的系数。
在具体实施过程中，进一步的，所述压缩机转子为2对极电机，因此压缩机转子速度应自乘2，所述压缩机转子速度分为6个区间：[20Hz,80Hz)、[80Hz,100Hz)、[100Hz,120Hz)、[120Hz,160Hz)、[160Hz,200Hz)、[200Hz,240Hz]，6个区间的压缩机转子速度对应6个PWM波载频：f1＝4kHz、f2＝4.8kHz、f3＝5.6kHz、f4＝6.5kHz、f5＝7.5kHz、f6＝9kHz，从而调节PWM载频比使其始终处于最佳。
在具体实施过程中，进一步的，6个区间的压缩机转子速度对应6组ωe、id、iq滞环PI控制的Kp、Ki系数，id的滞环PI控制系数为：Kp11/Ki11、Kp12/Ki12、……、Kp16/Ki16，iq的滞环PI控制系数为：Kp21/Ki21、Kp22/Ki22、……、Kp26/Ki26，ωe的滞环PI控制系数为：Kp31/Ki31、Kp32/Ki32、……、Kp36/Ki36，针对不同区间内的压缩机转子速度设定不同的ωe、id、iq滞环PI控制的Kp、Ki系数，从而调节PWM波占空比使其始终处于最佳。
实施例3
为解决压缩机转子速度在区间的边界位置频繁切换带来的系统问题，本实施例在实施例2的基础上，对于相邻区间的边界采用回差控制策略：在压缩机转子速度处于上升阶段时，按照正常运行，当压缩机转子速度处于下降阶段，运行频率增加回差6Hz，即参与判断的压缩机转子速度减去6Hz，然后启用对应组别的Kp、Ki系数，这样可以有效避免当压缩机转子速度在不同组之间反复变化时带来的Kp、Ki系数的频繁切换问题。
实施例4
本实施例在实施例3的基础啊是，在压缩机转子速度的区间1和区间6中，分别使用2组Kp、Ki参数，进一步提升Kp、Ki系数在id、iq、ωe的误差计算过程中的适应性，实现更佳的PI调节性能。设置的方法如下：将区间[20Hz,80Hz)分成2个分组[20Hz,50Hz)和[50Hz,80Hz)，[20Hz,50Hz)对应的id、iq、ωe滞环PI控制环节系数分别为Kp111/Ki111、Kp211/Ki211、Kp311/Ki311；[50Hz,80Hz)对应的id、iq、ωe滞环PI控制环节系数分别为Kp121/Ki121、Kp221/Ki221、Kp321/Ki321。
将区间[200Hz,240Hz)也分成2个分组[200Hz,220Hz)和[220Hz,240Hz)，[200Hz,220Hz)对应的id、iq、ωe滞环PI控制环节系数分别为Kp116/Ki116、Kp216/Ki216、Kp316/Ki316；[220Hz,240Hz)对应的id、iq、ωe滞环PI控制环节系数分别为Kp126/Ki126、Kp226/Ki226、Kp326/Ki326。
实施例5
如图1所示，一种变载频变频控制器，包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机，主控MCU包括：压缩机转子速度计算单元、PWM波载频设定单元13、PWM发生器11、逆变驱动单元12，压缩机转子速度计算单元检测压缩机三相电流并根据压缩机三相电流计算压缩机转子速度并输出到PWM波载频设定单元13，PWM波载频设定单元13根据压缩机转子速度设定PWM波载频并输出到PWM发生器11，PWM发生器11根据PWM波载频产生PWM波并传输到逆变驱动单元12，逆变驱动单元12驱动三相逆变电路。
本实施例变载频变频控制器是实现实施例1-4所述变载频变频控制装置，本发明变载频变频控制器与上述方法结合，即可实现与压缩机驱动频率相适应的最佳载波控制。
在具体实施过程中，所述主控MCU还包括PWM占空比计算单元，PWM占空比计算单元连接直流母线电压检测单元、压缩机相电流检测单元、压缩机转子速度计算单元和PWM发生器11，PWM占空比计算单元根据相电流、压缩机转子速度、预设的压缩机转子速度参考命令值、预设的d轴电流参考命令值、预设的q轴电流参考命令值、直流母线电压计算PWM占空比并输出到PWM发生器11，PWM发生器11根据PWM占空比和PWM波载频产生PWM波。
在具体实施过程中，所述压缩机转子速度分为n个区间，n为正整数，PWM波载频设定单元13根据压缩机转子速度所处的区间设定所述PWM波的载频。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变载频变频控制方法，所述方法应用于变频空调控制器中，所述控制器包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机工作，，主控MCU产生PWM波驱动三相逆变电路工作，其特征在于，所述方法包括： 
检测压缩机相电流； 
在压缩机运行过程中，主控MCU根据压缩机相电流计算压缩机转子速度，并根据压缩机转子速度设定所述PWM波的载频，当压缩机转子速度较低时，设定较低的PWM波载频，当压缩机转子速度较高时，设定较高的PWM波载频。 
2.根据权利要求1所述的变载频变频控制方法，其特征在于，所述压缩机转子速度分为n个区间，n为正整数，主控MCU根据压缩机转子速度所处的区间设定PWM波载频。 
3.根据权利要求1所述的变载频变频控制方法，其特征在于，所述计算压缩机转子速度的具体方法为： 
检测压缩机两相电流iu、iv，利用三相电流的矢量和为零的关系，计算第三相电流iw；根据三相电流iu、iv、iw估算得到压缩机转子位置θe，压缩机转子位置θe经过求导后得到压缩机转子速度ωe。 
4.根据权利要求3所述的变载频变频控制方法，其特征在于，所述方法还包括计算所述PWM波的占空比，具体方法包括以下步骤： 
S1：将三相电流iu、iv、iw结合转子位置θe，经过坐标变换后得到旋转d_q坐标系中的d轴上的电流值id、q轴上的电流值iq； 
S2：压缩机转子速度ωe与其预设的参考命令值ωref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流的参考命令值iqref；id与其预设的参考命令值idref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到d轴电流控制命令值id1；iq与其预设的参考命令值iqref的差值经过一个滞环PI控制环节，得到q轴电流控制命令值iq1； 
S3：检测直流母线电压值Vp，根据id1、iq1、θe及Vp得到由d_q旋转坐标轴到定子α_β坐标轴的变换，得到iα、iβ矢量，并进一步通过计算得到所需的PWM波占空比。 
5.根据权利要求4所述的变载频变频控制方法，其特征在于，所述方法还 包括： 
根据压缩机转子速度ωe和预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库，对ωe、id、iq滞环PI控制的系数进行设定。 
6.根据权利要求5所述的变载频变频控制方法，其特征在于，所述预设的ωe、id、iq滞环PI控制的系数库将位于不同区间的压缩机转子速度对应不同组的ωe、id、iq滞环PI控制的系数。 
7.一种变载频变频控制器，包括主控MCU、直流母线电路以及与其连接的三相逆变电路，三相逆变电路驱动压缩机，其特征在于，主控MCU包括：压缩机转子速度计算单元、PWM波载频设定单元、PWM发生器、逆变驱动单元，压缩机转子速度计算单元检测压缩机三相电流并根据压缩机三相电流计算压缩机转子速度并输出到PWM波载频设定单元，PWM波载频设定单元根据压缩机转子速度设定PWM波载频并输出到PWM发生器，PWM发生器根据PWM波载频产生PWM波并传输到逆变驱动单元，逆变驱动单元驱动三相逆变电路。 
8.根据权利要求7所述的变载频变频控制器，其特征在于，所述主控MCU还包括PWM占空比计算单元，PWM占空比计算单元连接直流母线电压检测单元、压缩机相电流检测单元、压缩机转子速度计算单元和PWM发生器，PWM占空比计算单元根据相电流、压缩机转子速度、压缩机转子速度参考命令值、d轴电流参考命令值、q轴电流参考命令值、直流母线电压计算PWM占空比并输出到PWM发生器，PWM发生器根据PWM占空比和PWM波载频产生PWM波。 
9.根据权利要求7所述的变载频变频控制器，其特征在于，所述压缩机转子速度分为n个区间，n为正整数，PWM波载频设定单元根据压缩机转子速度所处的区间设定所述PWM波的载频。 
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