CN104769836B - 电动压缩机的控制装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种电动压缩机的控制装置，即使在以无传感器系统来控制电动机时，该控制装置仍能响应于具有复杂频率成分的负载变化而适当地控制电动机。电动压缩机的该控制装置包括：重复控制单元(5)，其接收驱动压缩机的电动机的目标旋转速度和估计旋转速度之间的旋转速度差，并且对利用该压缩机的紧接在当前周期之前的周期的旋转速度之间的差的操作进行重复，以持续减小旋转速度之间的差；压缩机的压力检测单元(1)；和复位信号产生单元(4)，其基于压缩机的压力值，通过对压缩机的负载变化中指定部分的数量进行计数，来计算压缩机一次旋转的定时，从而根据该定时将复位信号输出到重复控制单元(5)。

Description

电动压缩机的控制装置

技术领域

本发明涉及电动压缩机的控制装置。

背景技术

在控制电动压缩机等的电动机时，通过使用传感器(诸如位置传感器或速度传感器)检测电动机转子的旋转位置或旋转速度，来控制电动机。在这种情况下，因为引起了由高温环境、断开等所带来的可靠性的降低，装置尺寸(电动机外框架尺寸，尤其是轴向长度)的增加，成本增加等，所以目前采用无传感器控制。因为无传感器控制受到速度估计特性影响，所以难以抑制振荡。因此，作为该问题的一个对策，已知专利文件1中公开的技术。

为了以无传感器方式控制压缩机的电动机，专利文件1中公开的电动压缩机的传统控制装置具有：第一指令电流设定部分，其设定第一指令电流以减少目标旋转速度和实际旋转速度之间的旋转速度偏差；第二电流设定部分，其基于根据压缩机的机械波动因子设定的负载波动频率，来设定电动机的第二指令电流；第三指令电流计算部分，其根据第一指令电流和第二指令电流，来设定电动机的第三指令电流；和逆变器切换模式产生部分，其至少根据第三指令电流和(从电动机逆变器估计出的)实际旋转速度来产生用于电动机驱动的指令。

在第二指令电流设定部分中，将旋转速度偏差输入峰值滤波器，该峰值滤波器将负载波动频率用作峰值频率，以将利用以下表达式所表达的传递函数而得到的峰值滤波器的输出设定为第二指令电流。

即，峰值滤波器的传递函数表达如下：

峰值滤波器(s)＝kω/(s²+ω²)

这里，ω代表峰值频率(rad/s)，并被确定为负载波动频率。s代表拉普拉斯算子，k代表增益。

相关文件

专利文件

专利文件1：JP-A-2010-88200

发明内容

本发明要解决的问题

然而，电动压缩机的传统控制装置具有如下描述的问题。

即，在传统控制装置中，通过使用峰值滤波器减小旋转速度的波动，来减小压缩机的振荡。

但是，由于峰值滤波器可处理的频率范围狭窄，当输入此范围之外的频率时，就会产生估计误差。因此，旋转速度的估计精度降低。

实际负载波动具有多个频率成分。相应地，当使用峰值滤波器时，有必要并联连接并使用具有不同处理频率的各峰值滤波器。但是，在这种情况下，调谐变得复杂而困难。

本发明针对该问题设计，并且其目的是为电动压缩机提供控制装置，即使在以无传感器方式控制电动机时，该控制装置仍能响应于具有复杂频率成分的负载波动，而很好地控制压缩机的驱动电动机。

解决问题的手段

为此目的，根据本发明的电动压缩机的控制装置包括：目标旋转速度设定部分，其设定对压缩机进行驱动的电动机的目标旋转速度；估计旋转速度计算部分，其计算电动机的估计旋转速度；驱动指令信号产生部分，其产生电动机的驱动指令信号，以去除目标旋转速度和估计旋转速度之间的旋转速度差；重复控制部分，其被输入旋转速度差，以利用压缩机的前一周期的旋转速度差来执行重复操作，从而减小旋转速度差；压力检测部分，其检测压缩机的压力值；和复位信号产生部分，其被输入压缩机的压力值，以基于该压力值，通过对压缩机的负载波动的预定部分的数量进行计数，来计算压缩机的一次旋转的定时，从而根据该定时将复位信号输出到重复控制部分。

本发明的优点

在本发明的电动压缩机的控制装置中，重复控制部分利用前一周期的目标旋转速度和估计旋转速度之间的旋转速度差，来执行重复操作，以减小旋转速度差，从而抑制干扰。但是，在这种情况下，因为重复控制部分中的周期切换定时是根据压缩机的压力波动来确定的，所以即使在以无传感器方式来控制电动机时，对于具有复杂频率成分的负载波动，压缩机的驱动电动机仍可被很好地控制。

附图说明

图1为示出了本发明示例1的电动压缩机的控制装置的结构的框图。

图2为示出了示例1的电动压缩机的控制装置的重复控制部分的结构的框图。

图3为示出了由重复控制部分执行的重复控制过程的流程的示图。

图4为示出了重复控制部分中一个周期的数据值d的存储方法的示图。

图5为示出了周期的数量多于1时重复控制部分中数据值d的存储方法的示图。

图6为示出了在i＝0的情况下重复控制部分中信号V和数据值d之间的关系的示图。

图7为示出了在i＝1的情况下重复控制部分中信号V和数据值d之间的关系的示图。

图8为示出了在i＝2的情况下重复控制部分中信号V和数据值d之间的关系的示图。

图9为示出了重复控制部分中的存储器内的数据值d和存储位置之间的关系的示图。

图10A至图10D示出了各个示图，这些示图示出了重复控制部分中用于切换周期的复位信号的产生方法。

图11为示出了使用传统普通重复控制的干扰仿真的结果的示图。

图12为示出了使用示例1的重复控制的干扰仿真的结果的示图。

图13为以对比方式示出了传统普通重复控制和示例1的重复控制的干扰仿真的结果的示图。

图14为示出了重复控制中为每次旋转精确地设定复位时间的推理的示图。

具体实施方式

以下，将基于图中示出的示例来具体描述本发明的实施例。

示例1

示例1的电动压缩机的控制装置以无传感器方式来对内置式永磁同步电动机(IPMSM)进行控制，该内置式永磁同步电动机驱动车载空调装置的压缩机。

这里，在上述控制中，因为压缩机的旋转导致信号是周期性的，所以使用利于抑制周期性干扰的重复控制。

在此示例的重复控制中，在旋转速度差干扰的抑制中，用于切换重复操作的周期的复位信号不同于传统普通方法中的复位信号。即，在本发明(示例1)中，利用压缩机的压力信号来产生复位信号。

以下将描述示例1的电动压缩机的控制装置的整体结构。

如图1所示，示例1的电动压缩机的控制装置具有压缩机压力检测部分1，目标旋转速度设定部分2，减法器3，复位信号产生部分4，重复控制部分5，低通滤波器6，和估计旋转速度计算部分7。

压缩机压力检测部分1检测压缩机(未示出)的压力大小，并且将在此检测到的具有压力波形的压力值输出到复位信号产生部分4。

目标旋转速度设定部分2计算并设定作为控制目标的电动机的目标旋转速度ω_ref。

即，将检测到的实际空气温度和目标空气温度进行比较，以通过比例积分(PI)控制来设定电动机的目标旋转速度ω_ref，从而使得通过车载空调装置的蒸发器(图中未示出)后的空气的温度达到期望值。将目标旋转速度ω_ref输入到减法器3。

通过从由目标旋转速度设定部分2输入的目标旋转速度ω_ref减去由估计旋转速度计算部分7计算出的估计旋转速度ω_{_est}，减法器3计算出旋转速度差作为控制偏差。

基于由压缩机压力检测部分1输入的压力值，复位信号产生部分4通过根据与压缩机的压力波动有关的进气压力或排气压力来对预定部分的数量进行计数，来确定压缩机一次旋转(对应于重复控制部分5中重复操作的一个周期)的定时，并且根据该定时输出复位信号到重复控制部分5。

稍后将会具体描述复位信号的产生。

作为一种延时系统的重复控制部分5利用前一周期的设定控制偏差来执行重复操作，以跟随周期性的目标输入。

即，当Wref_min代表执行重复控制的最小转数，并且Ts代表采样周期时，重复控制部分5具有由2π/(Wref_min×Ts)确定的n个延时装置5a(图2中的Z为Z变换)、加法器5b和系数乘法器5c，如图2所示。

这n个延时装置5a串联连接并且从位于后端的延时装置向加法器5b输出信号V₀。如图2所示，信号V_N至V₀以与从前端延时装置5a的上游侧到后端延时装置5a的下游侧的延时装置的位置相对应的顺序定义。

加法器5b将减法器3计算出的旋转速度差和信号V₀的值相加，并且将结果输出到位于前端的延时装置5a。

将信号V_α输入到系数乘法器5c，并且将它的值乘以系数β。将结果作为重复控制部分5的输出u输出到LPF 6。如图2所示，信号V_α是位于从后端延时装置5a往上游侧数的第α个延时装置5a和第α+1个延时装置5a之间的信号。

在重复控制部分5中，执行如图3所示的流程图。

首先，在步骤S1中，对每个采样周期Ts，观测偏差e(示例1中转数的差)。

接下来，流程进入步骤S2。

在步骤S2中，将步骤S1中观测到的偏差e和前一周期存储的值d(N项)中第i个值d_i相加而得到的值存为新值d_i。

接下来，流程进入步骤S3。

在步骤S3中，将第i+α个值d_i+α乘以系数β而得到的值作为输出u。即，得到u＝βd_i+α。

如稍后所述，在i+α>N的情况下，将输出值输出到系数乘法器5b以作为u＝βd_i+α-N。这里，d_i+α-N代表在前一周期的数据之后的周期中得到的值d_i+α。这将稍后描述。

接下来，流程进入步骤S4。

在步骤S4中，将i+1设为i，并且d值的位置向下游侧移动一。

接下来，流程进入步骤S5。

在步骤S5中，确定新的复位信号是否已经从复位信号产生部分4输入。如果结果为“是”，则流程进入步骤S6，但是如果结果为“否”，则流程返回步骤S1。

在步骤S6中，将i复位为0并且流程返回步骤S1以执行接下来的新周期的计算。

在电动机的控制期间，重复执行这些步骤。

这里，步骤S3中的输出将会在后面详细描述。

这里，将α为2且N为100的情况用作描述的示例。

相应地，如图4所示，对于d值，前一周期的从d₁到d₁₀₀的值按顺序存储。

这里，当i＝1时，即，d₁，得到i+α＝i+2＝3。相应地，取出位置d₃处的值并乘以系数β，得到的值为输出u。

类似地，当i＝4时，即，d₄，得到i+2＝4+2＝6。相应地，取出位置d6处的值并用它计算输出u。

类似地，当i＝5，6，7，…时，取出值d₇，d₈，d₉，…。

但是，当i＝99时(即，满足上述i+α>N的条件)，d₁₀₁不存在。在这种情况下，在存储实际值d的操作中，接下来的d值在前一周期的值d₁₀₀之后按d₁，d₂，…顺序给出，如图5所示。相应地，将下一d₁的值作为d₁₀₁。

当与图2的相应延时装置5a比较而示出上述操作时，如图6、图7和图8中的框图所示。在这些图中，为简单起见，示出了N＝3时的角度区域中的流动。

当i＝0(即，d₀)时，操作如图6所示。即，信号V₀至V₃中的每一个具有固定位置作为框线上的不变信号，并且d值分别与这些信号V₀至V₃对应。即，得到V₂＝d₂，V₁＝d₁，和V₀＝d₀，并且信号V₃与新的d₀值对应，该新的d₀值通过使用加法器5b将信号V₀的值d₀和由减法器3输入的偏差e(转数之差)相加得到。

对每个采样，这些d值顺序地向下游侧(图6中的右侧)移动。

相应地，信号V₀至V₃的d值也顺序地切换。

当i＝1(即，d₁)时，如图7中所示，与信号V₂、V₁、和V₀对应的d值从图6的状态向右侧移动一位。即，信号V₂与新的d₀值对应，信号V₁与d₂值对应，并且信号V₀与d₁值对应。信号V₃与新的d₁值对应，该新的d₁值通过使用加法器5b将信号V₀的值d₁和偏差e相加得到。

当i＝2(即，d₂)时，如图8所示，d值从图7的状态向图7的右侧移动一位。即，信号V₂与新的d₁值对应，信号V₁与d₀值对应，并且信号V₀与d₂值对应。信号V3与新的d₂值对应，该新的d₂值通过使用加法器5b将信号V₀的值d₂和偏差e相加得到。

从上面理解，各信号V是固定位置上的变量，并且每当i增加1时，在图4至图8中，存储在存储器中与各信号V对应的各d值顺序向右侧移动。另外，信号V和值d之间有以下表达式。

[表达式1]

V_N＝e+d_i

V_N-1＝d_i-1

V_N-2＝d_i-2

…

V₁＝e+d_i-N+1＝d_i+1

V₂＝e+d_i-N＝d_i

值d_i定义如下。

[表达式2]

…＝d_i-N＝d_i＝d_i+N＝d_i+2N＝…

即，例如，当N＝3时，如图9所示，当各值d作为d₁,d₂,d₃,d₄,d₅,…顺序获得时，与下一级的下一周期的各值d相对应地重写上一级的前一周期的各值d。因此，得到d₀+N＝d₀₊₃＝d₃，并且在同一存储器中，在相同位置处存储值d₃作为值d₀。

如上所述，重复控制部分5是一种学习控制系统，其通过利用前一周期的偏差e持续地执行重复操作来减小偏差e。

如上所述，当从复位信号产生部分4输出的复位信号输入到重复控制部分5时，执行周期的切换。

在示例1中，利用压缩机的压力波形来产生该复位信号。

将基于图10A至图10D来描述复位信号产生部分4中复位信号的产生。

在此示例中，在压缩机一次旋转期间排气压力波动10次的情况将用作示例。

图10A示出了压缩机压力检测部分1检测到的压力波形。压缩机的压力具有随着吸气过程，压缩过程，和排气过程周期性地波动的压力波形。

对于如上所述得到的压力信号的直流(DC)成分，虚线以下的部分使用高通滤波器截去，如图10B所示。

如图10C所示，在通过高通滤波器的压力信号的值超过0时，对该压力信号计数。当计数值从9达到10时，计数复位。

因此，如图10D所示，复位信号产生部分4在每个复位时间(通过图10D中的时间ta和时间tb表示)产生复位信号，并将该信号输出到重复控制部分5，并且周期被切换。

因为低通滤波器6不必通过跟随目标转数来控制高频成分的偏差，所以从重复控制部分5的输出信号u中截去高频成分并且输出到加法器8。

在此示例中，在估计旋转速度计算部分7中的电动机旋转速度的估计中，和电动机旋转有关的误差被一次计算出并且用于估计旋转速度，因此使得能够应用重复控制部分5并且估计旋转速度ω_{_est}的估计精度由此提高。

在此示例中，将角度误差用作关于旋转的误差。

基于此目的，估计旋转速度计算部分7具有通量观测器7a、角度误差计算部分7b和速度计算部分7c。

在通量观测器7a中，采用电动机的数学模型，基于由电动机模型13输出的dq轴电流值i_dq和由电流比例积分控制器11输出的指令dq轴电压值V_e来执行识别，以计算γ轴和δ轴的电动机电流通量估计误差Δλ_γ和Δλ_δ，并且将结果输入到角度误差计算部分7b。

角度误差计算部分7b基于由通量观测器7a输入的电动机电流通量估计误差Δλ_γ和Δλ_δ，通过执行角度估计误差计算，来计算角度估计误差θ_{_est}。

速度计算部分7c基于由角度误差计算部分7b输入的角度估计误差θ_{_est}，通过PI控制，得到估计旋转速度值ω_{_est}，并且将得到的值输入到减法器3。

加法器8将来自LPF 6的输出值和来自减法器3的旋转速度差(偏差e)相加，并且将得到的值输出到速度比例积分控制器(速度PI控制器)9。

速度比例积分控制器9利用比例增益和积分增益常数，来对加法器8的输出值执行PI控制，以计算作为驱动指令信号(其与转矩指令值信号相同)的指令电动机电流i_θ，并且将得到的值输出到减法器10。

减法器10从指令电动机电流i_θ减去来自电动机模型13的输出值i_dq，并且将结果输出到电流比例积分控制器(电流PI控制器)11。

电流比例积分控制器11，利用比例增益和积分增益常数，基于从减法器10输出的校正指令电动机电流输出，通过将电流分为d轴的指令电流和q轴的指令电流，来执行PI控制，并且将轴电压指令值V_e输出到估计旋转速度计算部分7、减法器12和逆变器20。

电流比例积分控制器11和速度比例积分控制器9相当于本发明的驱动指令信号产生部分。

减法器12从来自电流比例积分控制器11的输出值中减去将估计转数乘以转矩常数K而得到的值，以计算电动机电压V₀’，并且将计算出的值输出到电动机模型13。

电动机模型13用来根据电动机的线圈的电感L和绕线电阻R来示出电动机的特性，电动机模型13根据减法器12的输出V_e’、L和R来计算实际电动机电流i_e’(和电动机转矩相同)，并且将结果输出到加法器14。K是转矩常数。

加法器14将电动机模型13的输出值和来自sin(正弦)函数产生器19的输出值相加，并且将结果作为包括负载波动成分的电动机转矩T输出到负载模型15。

负载模型15用来通过电动机轴的全惯性力矩J和粘滞摩擦系数D来表示电动压缩机的负载特性，负载模型15基于电动机的运动方程，根据输出值T、J和D得到估计旋转速度ω_out。

估计旋转速度ω_out输出到反馈增益部分16和积分器17。

反馈增益部分16通过将估计旋转速度ω_out和转矩常数K相乘来计算校正电压V_e”，并且将结果输出到减法器12。

积分器17将估计旋转速度ω_out积分并转换为旋转位置(旋转角度)，并且将结果输出到系数乘法器18。

系数乘法器18将积分器17得到的旋转位置乘以n(旋转波动的次数)，并且将结果输出到sin函数产生器19。

在sin函数产生器19中，产生依赖于通过系数乘法器18得到的旋转角度的sin函数，并且该sin函数被作为电动压缩机的负载波动成分输出到加法器14。

通过电流比例积分控制器11得到的电动机的d轴指令电压和q轴指令电压被输出到已知逆变器20，以驱动和控制电动机。

接下来，将描述仿真结果，在该仿真中，通过对电动压缩机的如上述配置的控制装置施加干扰来产生旋转误差。

对在负载模型15的延时时间的产生中得到的估计旋转速度ω_out施加作为干扰信号n_d的1rad/s的噪声信号，以得到具有旋转误差的估计旋转速度。

旋转波动的次数n设为10，Wref和Wref_min设为2π×10rad/s，采样周期Ts设为1.0×10^-4s。另外，延时装置5a的级数N设为1000，并且在传统重复控制部分中，设在i为1000时输出复位信号，以作对照。

电阻系数R设为0.85Ω，电感L设为1.2mH，粘滞摩擦系数D设为8.34×10^-5，惯性力矩J设为0.7×10^-4，转矩系数K设为0.076Nm/A。

结果如图11至图13所示。在这些图中，水平轴代表流逝的时间，垂直轴代表估计旋转速度ω_out。

图11基于传统普通重复控制并且示出操作的结果，该操作中在20秒后启动重复控制并且在30秒处施加n_d＝1rad/sec的速度估计误差。据发现，30秒后，估计转数ω_out在600rpm附近在大约+65rpm至-65rpm的范围内波动。

在示例1的重复控制中，当在与上述传统普通控制相同设定下执行仿真时发现，如图12所示，在30秒处，估计转数ω_out在600rpm附近在大约+5rpm至-5rpm的范围内波动，但是在短时间内下降至大约+1.7rpm至-1.7rpm的范围内。即，在示例1的控制中，该波动为传统控制中的波动的1/10或更少。

为简单起见，图13一起示出了传统普通控制的仿真结果和示例1的控制的仿真结果。浅色部分代表传统普通控制的结果，而深色部分代表示例1的结果。

接下来，将基于图14描述示例1中为每次旋转精确设定复位定时的原因。

在图14中，水平轴代表流逝的时间，垂直轴代表旋转速度，水平细线代表指令旋转速度，实线代表估计旋转速度(将被当做实际旋转速度)，虚线代表校正后的指令旋转速度。

基于前一旋转中指令旋转速度和估计旋转速度之间的偏差，下一旋转中的指令速度被校正，如虚线所示。在估计旋转速度小于指令旋转速度的情况下将指令旋转速度的值校正至上升沿，并且在相反的情况下将指令旋转速度校正至下降沿时，估计旋转速度值逐渐变得与指令旋转速度一致，因此校正量不变。

因此，重复控制只能适用于周期性的波动，因此当复位时间不是对每次旋转都存在时(即，当复位时间与负载波动周期不匹配时)，上述校正不能很好地作用。相应地，应针对每次旋转精确地执行复位。

示例1中，在其中产生周期负载波动的压缩机中，因为可根据压缩机的压力波形来精确地确定一次旋转，所以重复控制可良好适用。

示例1的电动压缩机的控制装置可得到如下效果。

即，在示例1的电动压缩机的控制装置中，重复控制部分5利用前一周期的目标旋转速度ω_ref和估计旋转速度ω_out之间的旋转速度差来执行重复操作，以减小旋转速度差，并从而抑制干扰。但是，在这种情况下，因为重复控制部分5中的周期切换时间是根据压缩机的压力波动在复位信号产生部分4中确定的，所以，即使在以无传感器方式控制电动机时，对于具有复杂频率成分的负载波动，压缩机驱动电动机也可被很好地控制。

另外，在复位信号产生部分4中，因为压缩机的负载波动数通过检测压缩机的排气压力来计数，所以可以容易且可靠地检测一个周期的时间。

已基于上述示例对本发明进行描述。但是，本发明不限于这些示例，本发明还包括不背离本发明的宗旨下的设计等的变形。

例如，在复位信号产生部分4中，压缩机负载波动数通过检测压缩机的排气压力来计数。但是，作为它的替代，压缩机负载波动数可通过检测压缩机的进气压力来计数，以确定一个周期的时间。

另外，本发明的电动压缩机的控制装置不限于车载空调装置的压缩机的控制装置，也可适用于其它压缩机的控制装置。

本申请基于2012年11月7日提交的日本专利申请第2012-245009号，其内容通过引用合并于此。另外，本文中引用的所有参考文献通过引用整体合并于此。

附图标记说明

1：压缩机压力检测部分

2：目标旋转速度设定部分

3：减法器

4：复位信号产生部分

5：重复控制部分

5a：延时装置

5b：加法器

5c：系数乘法器

6：低通滤波器

7：估计旋转速度计算部分

7a：通量观测器

7b：角度误差计算部分

7C：速度计算部分

8：加法器

9：速度比例积分控制器(速度PI控制器)

10：减法器

11：电流比例积分控制器(电流PI控制器)

12：减法器

13：电动机模型

14：加法器

15：负载模型

16：反馈增益部分

17：积分器

18：系数乘法器

19：sin函数产生器

20：逆变器

Claims (2)

1.一种电动压缩机的控制装置，包括：

目标旋转速度设定部分，其设定对压缩机进行驱动的电动机的目标旋转速度；

估计旋转速度计算部分，其计算所述电动机的估计旋转速度；

驱动指令信号产生部分，其产生所述电动机的驱动指令信号，以消除所述目标旋转速度和所述估计旋转速度之间的旋转速度差；

重复控制部分，其被输入所述旋转速度差，以利用所述压缩机的前一周期的所述旋转速度差来执行重复操作，从而减小所述旋转速度差；

压力检测部分，其检测所述压缩机的压力值；和

复位信号产生部分，其被输入所述压缩机的压力值，以基于所述压力值，通过对所述压缩机的负载波动的预定部分的数量进行计数，来计算所述压缩机的一次旋转的定时，从而根据所述定时将复位信号输出到所述重复控制部分。

2.根据权利要求1所述的电动压缩机的控制装置，其中

所述复位信号产生部分通过检测所述压缩机的进气压力或排气压力，来对所述压缩机的负载波动的预定部分的数量进行计数。