CN106602951A - 一种空调压缩机转速波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调压缩机转速波动抑制方法，步骤包括：在空调压缩机运行在某一给定转速N的情况下，重构正弦曲线：S(t)＝Asin(ωt+P)；对振幅A设为：A＝K*ΔI_q/ΔN；保持振幅A的值不变，调节初相P的值，记录速度波动最小情况下的初相P，此时的初相P最佳补偿相位；根据速度波动最小情况下的初相P，调节K值，记录在速度波动最小情况下的K的调节值，此时对应的振幅A为最佳补偿振幅；调节转速N，重复以上步骤，得到若干组最佳的补偿点；空调压缩机运行时，若设定的转速N属于最佳的补偿点，则选择对应最佳的振幅A和初相P，若不属于，则采用一种插点的方法，计算得到此时转速N的最佳的振幅A和初相P。本发明克服了空调压缩机负载转矩周期性脉动引起的转速波动问题。

Description

一种空调压缩机转速波动抑制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种空调压缩机转速波动抑制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)因具有高转矩/惯量比、高功率密度、运行效率高、结构可靠、控制性能优良等特点，在化工、轻纺、家电等领域得到了广泛应用。目前为了节能减耗，以永磁同步电机驱动变品空调系统中的压缩机成为一种趋势。

空调压缩机运行过程中，每个运行周期可以分为两个阶段，即吸气和排气，两个阶段，如图1所示，显然在这个过程中，吸气和压气过程中压强的不同造成一个周期内负载转矩的不同，当转速调节器不足以调节这种变化时，负载的变化就会带来转速的周期性波动，在压缩机转子的一个回转周期内压缩气体过程中负载力矩最大，吸气和排气过程中负载力矩相对较小。特别是在整个低频过程中，压缩机负载力矩的这种周期非线性变化，对系统的稳定运行势必带来不良的影响，而且不确定参数的变化将导致系统状态变量最终值不能很好的跟随目标设定值变化，导致实际电机运行中耗能增加。更为严重的是由于这种负载的周期性变化造成压缩机的机械抖动，不断不符合空调压缩机相关的静音标准，而且造成机械损耗和管线的不稳固，严重影响设备的寿命。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种空调压缩机转速波动抑制方法，用以克服空调压缩机负载转矩周期性脉动引起的转速波动问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种空调压缩机转速波动抑制方法，包括如下步骤：

S1、使用补偿器对转矩电流I_q进行补偿，在空调压缩机运行在某一给定转速N的情况下，重构正弦曲线：S(t)＝Asin(ωt+P)，其中，A为振幅，P为初相，ω为示角频率；

S2、对振幅A设为：A＝K*ΔI_q/ΔN；其中，ΔI_q表示转矩电流偏离平衡位置的最大值，ΔN表示无补偿时给定转速与反馈转速的最大偏离值，K表示待整定的比例系数；

S3、根据步骤S2，保持振幅A的值不变，调节初相P的值，记录速度波动最小情况下的初相P，此时的初相P最佳补偿相位；

S4、根据速度波动最小情况下的初相P，调节K的值，记录在速度波动最小情况下的K的调节值，此时对应的振幅A为最佳补偿振幅；

S5、根据步骤S3和S4，得到了在给定转速N情况下的最佳的补偿曲线的振幅和相位；

S6、调节转速N，重复步骤S3、S4和S5，得到若干组最佳的补偿点，所述补偿点包括转速N、振幅A和初相P；

S7、空调压缩机运行时，若设定的转速N属于最佳的补偿点，则选择对应最佳的振幅A和初相P；若设定的转速N不属于最佳的补偿点，则采用一种插点的方法，计算得到此时转速N的最佳的振幅A和初相P；

S8、使用最佳的振幅A和初相P生成正弦曲线S(t)＝Asin(ωt+P)，用于补偿转矩电流I_q从而克服负载转矩周期性变化带来的转矩波动。

进一步地，所述步骤S3中，调节初相P的值，将初相P由0°变化到330°，每一次调节的变化量为30°；所述速度波动最小表示为反馈转速与给定转矩的偏离最小的情况。

进一步地，所述S4中K的初始值为1/2，调节K值依次分别为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7和1/8。

进一步地，所述步骤S7中采用一种插点的方法，其具体为：

设此时的转速为N(x)，遍历最佳的补偿点，距离此转速最近的两个记录分别为(N(k)，A(k)，P(k))，(N(k+1)，A(k+1)，P(k+1))，则：转速为N(x)的情况下最佳补偿曲线的振幅A(x)与P(x)，如下式得到：

由上述式子得到正弦曲线的振幅A、初相P和转速N，即为唯一确定的补偿曲线。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明采用上述方法可以克服空调压缩机低速运行时由于转速波动导致的噪声问题，提升空调压缩机的静音效果；

(2)本发明采用上述方法可以使空调压缩机运行更平稳，提升空调的能效比；

(3)本发明采用上述方法可以防止空调压缩机低速运行时转速波动导致的机械振动，提升空调的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术空调压缩机内部结构示意图；

图2为空调压缩机负载转矩随转子位置变化曲线图；

图3为本发明一种空调压缩机转速波动抑制方法的基于正弦曲线补偿法的空调压缩机控制系统框图；

图4为本发明一种空调压缩机转速波动抑制方法的正弦曲线补偿法操作流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

现有技术中，以表贴式的永磁同步电机的数学模型为研究对象基于以下假设可以建立永磁同步电机的d-q轴模型。

磁链方程为：

电压方程为：

电磁转矩方程为：

运动方程为：

方程(1)、(2)、(3)、(4)分别表示电机的磁链方程、电压方程、电磁转矩方程以及运动方程，其中电机直轴和交轴的磁链，L_d，L_q表示直轴和交轴的电感。u_d,，u_q表示直轴和交轴的电压，i_d，i_q表示直轴和交轴的电流，ω_e、R_s分别表示转速和定子电阻，J表示转动惯量，T_e表示电磁转矩，T_L表示转矩。

由方程(4)可以看出之所以转速会不稳定出现波动情况是由于负载转速周期性的变化，而电磁转矩无法快速跟踪负载转矩变化而造成的。负载这种周期性的扰动信号是传统的PID控制器无法克服的。

由方程(3)可知，电磁转矩T_e与交轴电流i_q成比例关系。本发明可以通过补偿I_q电流，让电磁转矩快速响应负载转矩的变化从而达到克服转速波动的目的。

本发明提出了一种基于正弦曲线补偿法的I_q电流补偿方案来克服负载转矩周期性变化带来的影响。如图2所示，可知负载曲线是一个类正弦的曲线，我们选择补偿其基波成分，这样很大程度上就可以克服其带来的影响。为此，需要重构出这一正弦曲线。重构一个正弦曲线需要三个变量：振幅A，初相P，周期(频率)T。正弦曲线可以表示为：S(t)＝Asin(ωt+P)，其中ω表示角频率，可以由转速N唯一确定。下面分别说明如何得到这三个变量。

正弦补偿曲线的周期与电机运行的机械周期相同，从负载转矩的产生原因来看这是显而易见的。对于振幅和初相而言是需要调试阶段来确定的。补偿器的振幅应该是可调节的，输入为给定转速与反馈转速的差值，输出为补偿曲线的振幅。满足如下关系：A＝K*ΔI_q/ΔN(5)。其中ΔI_q表示无补偿时交轴电流偏离平衡位置的最大值，ΔN表示无补偿时给定转速与反馈转速的最大偏离值。

根据单一变量的原则，初始时取Kt为1/2，改变初相P的值，记录给定转速和反馈转速偏离最小情况下的初相值P(k)，在初相为P(k)情况下改变式(5)中的K的值从1递增到8.记录下给定转速与反馈转速偏离最小的情况下的振幅A(k)。测试若干转速情况下最佳初相P(k)与振幅A(k)得到一个表格如下所示：

表1不同转速情况下最佳补偿振幅和初相

N1	A1	P1
			N2	A2	P2
N3	A3	P3
			N4	A4	P4
N5	A5	P5
			…	…	…

在电机运行过程中，电机的实际运行速度可能并不在表格所记录的速度点，这是采用一种插点的方法，得到此时的最佳初相和振幅。

设此时的转速为N(x)，遍历记录表，距离此转速最近的两个记录分别为(N(k)，A(k)，P(k))，(N(k+1)，A(k+1)，P(k+1))，则：转速为N(x)的情况下最佳补偿曲线的振幅A(x)与P(x)由式(6)得到：

由上述方法得到正弦补偿曲线的振幅A，初相P，转速N即可唯一确定补偿曲线。用生成的补偿曲线补偿I_q电流，就可以克服负载转矩周期性变化带来的转矩波动，一个带正弦曲线补偿器的空调压缩机控制系统框图。如图3所示，基于矢量控制的空调压缩机系统主要包括电压环PI调节器，电流环PI调节器，PARK变换/PARK逆变换，CLACK变换/CLACK逆变换以及SVPWM(空间矢量PWM)，在无法安装位置传感器的系统中，还需要角度速度估算模块。当空调压缩机负载周期性的变化时，由于转速环PI调节器无法快速调节出合适的I_q电流响应负载变化从而导致了电磁转矩无法跟踪上负载转矩的变化，这是导致转速波动的主要原因。本文所述的正弦曲线补偿器的原理是提前产生合适的补偿电流来抵消负载转矩变化造成的影响，因此，正弦曲线补偿器在控制系统中的位置和转速环PI控制器是一样的，通常可以将正弦曲线补偿器产生的补偿电流和转速环PI控制器产生的电流叠加来抑制压缩机的转速波动。

实施例

一个使用正弦曲线补偿法克服转速周期性波动的系统的完整调试和运行流程图如图4所示，现分步说明其具体操作步骤如下：

1.在空调压缩机运行在某一给定转速N，情况下测量得到交轴电流的振幅ΔI_q以及转速偏离给定值的最大值ΔN，取补偿曲线的振幅A为：A＝ΔI_q/ΔN*K。此时去K等于1/2。

2.确定振幅的情况下，做一组对比实验将初相P由0°变化到330°，每个实验增加30°，记录下速度波动最小情况下的初相。

3.在2确定的初相情况下改变K的值为1，1/2，1/3，1/4，1/5，1/6，1/7，1/8。记录下速度波动最小情况下K的值。

4.完成1，2，3步骤后就可以得到在转速N情况下最佳的补偿曲线的振幅和相位。

5.改变转速N，重复步骤1，2，3，4可以得到若干组最佳补偿点组成的表，形式如表1所示。

空调压缩机运行时，查询步骤5所得到的表格，若设定转速在表格中则取出对应的最佳补偿振幅和初相，如果设定转速不再表中，通过式(6)计算最佳补偿振幅和初相。得到最佳补偿振幅，初相，转速后即可重构出正弦补偿曲线信号来补偿交轴电流I_q，从而克服负载转矩周期性波动引起的转速波动问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种空调压缩机转速波动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使用补偿器对转矩电流I_q进行补偿，在空调压缩机运行在某一给定转速N的情况下，重构正弦曲线：S(t)＝A sin(ωt+P)，其中，A为振幅，P为初相，ω为示角频率；

S2、对振幅A设为：A＝K*ΔI_q/ΔN；其中，ΔI_q表示转矩电流偏离平衡位置的最大值，ΔN表示无补偿时给定转速与反馈转速的最大偏离值，K表示待整定的比例系数；

S3、根据步骤S2，保持振幅A的值不变，调节初相P的值，记录速度波动最小情况下的初相P，此时的初相P最佳补偿相位；

S4、根据速度波动最小情况下的初相P，调节K的值，记录在速度波动最小情况下的K的调节值，此时对应的振幅A为最佳补偿振幅；

S5、根据步骤S3和S4，得到了在给定转速N情况下的最佳的补偿曲线的振幅和相位；

S6、调节转速N，重复步骤S3、S4和S5，得到若干组最佳的补偿点，所述补偿点包括转速N、振幅A和初相P；

S7、空调压缩机运行时，若设定的转速N属于最佳的补偿点，则选择对应最佳的振幅A和初相P；若设定的转速N不属于最佳的补偿点，则采用一种插点的方法，计算得到此时转速N的最佳的振幅A和初相P；

S8、使用最佳的振幅A和初相P生成正弦曲线S(t)＝A sin(ωt+P)，用于补偿转矩电流I_q从而克服负载转矩周期性变化带来的转矩波动。

2.根据权利要求1所述的一种空调压缩机转速波动抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中，调节初相P的值，将初相P由0°变化到330°，每一次调节的变化量为30°；所述速度波动最小表示为反馈转速与给定转矩的偏离最小的情况。

3.根据权利要求1所述的一种空调压缩机转速波动抑制方法，其特征在于，所述S4中K的初始值为1/2，调节K值依次分别为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7和1/8。

4.根据权利要求1所述的一种空调压缩机转速波动抑制方法，其特征在于，所述步骤S7中采用一种插点的方法，其具体为：

设此时的转速为N(x)，遍历最佳的补偿点，距离此转速最近的两个记录分别为(N(k)，A(k)，P(k))，(N(k+1)，A(k+1)，P(k+1))，则：转速为N(x)的情况下最佳补偿曲线的振幅A(x)与P(x)，如下式得到：

$P\left(x\right)=P\left(k\right)+\frac{\left(P\right(k+1)-P(k\left)\right)*\left(N\right(x)-N(k\left)\right)}{N(k+1)-N\left(k\right)}$

$A\left(x\right)=A\left(k\right)+\frac{\left(A\right(k+1)-A(k\left)\right)*\left(N\right(x)-N(k\left)\right)}{N(k+1)-N\left(k\right)}$

由上述式子得到正弦曲线的振幅A、初相P和转速N，即为唯一确定的补偿曲线。