CN108880373A - 无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法，涉及内置式永磁同步电机驱动系统中拍频现象的抑制方法。为了抑制由于驱动系统中直流母线电压所包含的以二倍电网频率波动的脉动分量产生的拍频问题。包括：一：永磁同步电机在运行时，将电机电流实际值与电机电流参考值做差，就可以得到电机拍频电流；二：得到电机拍频电流后，为了消除电机拍频电流，将电机拍频电流参考值设为零值；三：将电机拍频电流实际值与电机拍频电流参考值做差，再将其差值输入到比例积分控制中进行调节，得到拍频电压参考值，最后将拍频电压参考值输入到电流调节器输出电压中，得到反Park变换模块所需要的电压参考值，最终拍频现象得到有效抑制。

Description

无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别是涉及无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法。

背景技术

据统计，中国家庭用电很大一部分消耗在空调上，而空调的电能主要用于驱动空调压缩机。目前，由于激烈的市场竞争，空调厂家更加注重成本的控制和效率的提高，研究高性价比空调驱动系统具有重大意义。

家用空调驱动系统需要利用直流母线电容来进行能量转换，它是一个能量储存器，可以稳定直流母线电压并保持其为恒定值。一般选择大容量电解电容作为直流母线电容。但是电解电容的使用寿命受温度变化的影响很大，温度越高，寿命越低，当处于105度时，电解电容的寿命可达到上千小时，温度每上升10度，电解电容的寿命减少一半。据统计，空调压缩机驱动系统的故障有60％以上都是由于电解电容的损坏造成的。为此将电解电容替换成薄膜电容，并且将功率因数校正环节去掉，此时的电机驱动系统被称为无电解电容电机驱动系统。

无电解电容永磁同步电机驱动系统由二极管不控整流器、小容值薄膜电容、三相电压型逆变器和内置式永磁同步电机构成。整流器为二极管不控整流器以及作为直流母线电容的薄膜电容，由于其不能储存足够的能量，导致直流母线电压由两部分构成，一部分为直流分量，一部分为脉动分量,脉动分量的波动频率为二倍电网频率。包含二倍电网频率的脉动分量的直流母线电压通过三相电压型逆变器给电机供电，而三相电压型逆变器输的出电压会由于直流母线电压中的脉动分量与电机负载转矩中的脉动分量相互作用而引起额外的谐波，即为拍频，于是最终导致电机电流和电机转矩中存在拍频分量。当电机转速较高时，即使逆变器输出电压的拍频分量幅值较小，也会引起较大的拍频电流，于是电机电流和电机转矩中都存在较大不可忽视的拍频量。拍频现象会导致电机产生额外的损耗、发热、噪声并且会降低电机运行性能，影响系统的整体稳定性。目前对拍频现象进行抑制和消除的方法可以分为两大类，硬件方法和软件方法。硬件方法是使用硬件滤波器来滤除直流母线电压的脉动分量，从根本上解决拍频现象。目前用来消除拍频现象的软件方法主要有：单周期控制法、前馈补偿法、反馈补偿法和频率补偿法等几种方法。由于控制精度以及数字化实现复杂等问题，前三种方法的应用范围都会有所限制。因此，研究在无电解电容空调永磁同步电机驱动系统中简单实用的拍频抑制方法具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明主要应用在无电解电容永磁同步电机空调驱动系统中，空调驱动系统中的电解电容替换成薄膜电容后，系统中出现拍频现象，为消除拍频现象本发明提出了无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法，所述拍频抑制方法用于抑制电机驱动系统中的拍频现象，具体包括以下步骤：

步骤一：提取出电机电流中的拍频电流，电机拍频电流即为电机电流实际值与电机电流参考值的差值；

步骤二：得到电机拍频电流后，将所述电机拍频电流转换为d、q轴拍频电流，并将电机拍频电流参考值设为零，如果电机拍频电流完全跟随电机拍频电流参考值，则说明电机驱动系统中的拍频现象得到有效抑制；

步骤三：d、q轴拍频电流与电机拍频电流参考值做差后，将其差值输入到比例积分控制中进行调节，得到拍频电压参考值，将拍频电压参考值与电流调节器输出的电压值相加后输入到反Park模块中。

进一步地，所述步骤一具体过程为：

第一步：将转速调节器输出的q轴电流参考值和d轴电流参考值进行反Park坐标变换，得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值，坐标变换所需要的电角度由观测器模块观测得到；

第二步：得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值后，再通过反Clark坐标变换，将两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值变换到三相坐标系中，得到a、b、c三相电流参考值；

第三步：将实际测量得到的电机a、b、c三相电流分别减去电机a、b、c三相电流参考值，即得到电机的a、b、c三相拍频电流。

进一步地，所述步骤二具体过程为：

通过Clark坐标变换将三相静止坐标系下的a、b、c三相拍频电流变换到两相静止坐标系下，分别得到α轴、β轴拍频电流；

得到α轴、β轴拍频电流后，再通过Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴拍频电流；为将电机驱动系统中的拍频现象消除掉，将d、q轴电机拍频电流参考值设为零值。

进一步地，所述步骤三具体过程为：

用d、q轴拍频电流值减去d、q轴拍频电流参考值，得到的差值通过比例积分调节器调节，得到d、q轴的拍频电压参考值；

将d、q轴拍频电压参考值与电流调节器输出的d、q轴电压相加，得到电机驱动控制系统中反Park变换模块所需要的d、q轴电压参考值；于是，因波动的直流母线电压导致的驱动系统的拍频现象得到了有效抑制。

本发明是基于无电解电容永磁同步电机空调驱动控制系统，针对由于直流母线电压中含有的二倍电网频率波动分量而引发的拍频现象具有明显的抑制作用。本发明通过向反Park模块加入d、q轴拍频电压参考值，来抑制拍频电流，消除波动的直流母线电压对电机定子电压造成的影响，消除拍频现象。

附图说明

图1为本发明的无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的整体框图；图1中的i_a为三相静止坐标系下的a相电流，i_c为三相静止坐标系下的c相电流；i_α为两相静止坐标系下的α轴电流，i_β为两相静止坐标系下的β轴电流；为直轴电流给定值，i_d为直流电流反馈值；为交轴电流给定值，i_q为交轴电流反馈值；ω^*是永磁同步电机的转速参考值，ω是永磁同步电机的转速反馈值；u_d为两相旋转坐标系下的直轴电压，u_q为两相旋转坐标系下的交轴电压；u_α和u_β为u_d和u_q通过坐标变换得到的两相静止坐标系下的电压值；u_g为电网电压，i_g为电网输入电流；S_abc为逆变器开关器件的开关状态；u_dc为直流母线电压，为两相旋转坐标系与两相静止坐标系之间进行坐标变换所需要的角度，它是由观测器观测得到；

图2为本发明方法中无电解电容永磁同步电机拍频抑制系统控制框图，此框图是在传统的电机驱动系统上加上拍频抑制模块即电流跟踪器模块，电流跟踪模块包含拍频电流提取模块和拍频电流控制模块两部分。i_b为三相静止坐标系下的b相电流；i_ab为a相拍频电流，i_bb为b相拍频电流，i_cb为c相拍频电流；为两相旋转坐标系下的直轴拍频电压参考值，为两相旋转坐标系下的交轴拍频电压参考值；

图3为本发明方法中的拍频电流提取模块的具体实现框图；

图4为本发明方法中的拍频电流控制模块的具体实现框图，i_db为两相旋转坐标系下的直轴拍频电流，i_qb为两相旋转坐标系下的交轴拍频电流；

图5为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的实验波形图，波形从上到下依次为电网电流、电机电流和直流母线电压的波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小；

图6为采用本发明提出的拍频抑制方法时的实验波形图，波形从上到下依次为电网电流、电机电流和直流母线电压的波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小；

图7为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的d轴电流实验波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小；

图8为采用本发明提出的拍频抑制方法时的d轴电流实验波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小；

图9为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的q轴电流实验波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小；

图10为采用本发明提出的拍频抑制方法时的q轴电流实验波形图，并且图(a)、(b)、(c)每格代表的周期依次减小。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图10，本发明提出无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法，所述拍频抑制方法用于抑制电机驱动系统中的拍频现象，具体包括以下步骤：

步骤一：无电解电容永磁同步电机驱动系统中的拍频现象主要体现在电网电流、电机电流中存在着拍频电流，为消除拍频现象，可以提取出电机电流中的拍频电流，如果将电机电流中的拍频分量都消除掉，则电机驱动系统中的拍频现象就会被消除，电机拍频电流即为电机电流实际值与电机电流参考值的差值；

步骤二：得到电机拍频电流后，为消除电机驱动系统中拍频现象，将所述电机拍频电流转换为d、q轴拍频电流，并将电机拍频电流参考值设为零，如果电机拍频电流完全跟随电机拍频电流参考值，则说明电机驱动系统中的拍频现象得到有效抑制；

步骤三：d、q轴拍频电流与电机拍频电流参考值做差后，将其差值输入到比例积分控制中进行调节，得到拍频电压参考值，将拍频电压参考值与电流调节器输出的电压值相加后输入到反Park模块中。

如图1所示，无电解电容永磁同步电机驱动系统主要分为三大部分，一部分是电机，一部分是变频驱动，一部分是DSP控制。电机采用双闭环矢量控制，内环为电流环，外环为速度环，转速的参考值与反馈值之间的差值通过PI调节器进行调节，d轴电流的参考值与反馈值之间的差值通过PI调节器进行调节，q轴电流的参考值与反馈值之间的差值通过PI调节器进行调节。电机定子三相电流通过Clark和Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴电流。无电解电容永磁同步电机驱动系统中电机位置和转速的测量计算是由观测器得到的。

如图2所示，是在图1的基础上加上了实现拍频抑制方法-电流跟踪法的电流跟踪器，电流跟踪器包含两部分，一部分为拍频电流提取环节，一部分为拍频电流控制环节。拍频电流提取环节通过对电机电流参考值以及实际测量得到电机三相电流i_a、i_b、i_c进行处理得到拍频电流i_ab、i_bb、i_cb；再将拍频电流输入到拍频电流控制环节，得到两相旋转坐标系下的直轴拍频电压参考值和两相旋转坐标系下的交轴拍频电压参考值将交、直轴拍频电压参考值分别与交、直轴电流调节器输出的电压值u_q、u_b相加得到交、直轴电压参考值输入到反Park模块中得到两相静止坐标系下的电压值u_α和u_β，并将u_α和u_β输入到SVPWM模块。

所述步骤一具体过程为：

第一步：将转速调节器输出的q轴电流参考值和d轴电流参考值进行反Park坐标变换，得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值，坐标变换所需要的电角度由观测器模块观测得到；

第二步：得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值后，再通过反Clark坐标变换，将两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值变换到三相坐标系中，得到a、b、c三相电流参考值；

第三步：将实际测量得到的电机a、b、c三相电流分别减去电机a、b、c三相电流参考值，即得到电机的a、b、c三相拍频电流。

所述步骤二具体过程为：

通过Clark坐标变换将三相静止坐标系下的a、b、c三相拍频电流变换到两相静止坐标系下，分别得到α轴、β轴拍频电流；

得到α轴、β轴拍频电流后，再通过Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴拍频电流；为将电机驱动系统中的拍频现象消除掉，将d、q轴电机拍频电流参考值设为零值。

所述步骤三具体过程为：

用d、q轴拍频电流值减去d、q轴拍频电流参考值，得到的差值通过比例积分调节器调节，得到d、q轴的拍频电压参考值；

将d、q轴拍频电压参考值与电流调节器输出的d、q轴电压相加，得到电机驱动控制系统中反Park变换模块所需要的d、q轴电压参考值；于是，因波动的直流母线电压导致的驱动系统的拍频现象得到了有效抑制。

采用下面所述的实施例子来验证本发明的有效性：

实施例

在无电解电容永磁同步电机空调平台上验证本发明提出的拍频抑制方法-电流跟踪法的有效性。实验平台的各项参数设置为：电网电压220V，电网频率50Hz，直流母线电容为薄膜电容，容值为20μF，输入侧电感滤波器5mH，d轴电感7.9mH，q轴电感11.7mH，转子磁链0.11Wb，转子极对数为3，额定功率为1.0kW，额定转速为3000r/min，定子电阻为2.75Ω。实验中所有的控制算法都是在DSP TMS320F28034中完成的。开关和采样频率设为10kHz。

图5为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的电网电流、电机电流和直流母线电压实验波形图，由波形图可以看出，电网电流、电机电流中存在着明显的拍频现象，直流母线电压波动较大。图6为采用本发明提出的拍频抑制方法时的电网电流、电机电流和直流母线电压实验波形图，由波形图可以看出，电网电流、电机电流中的拍频分量明显被抑制，直流母线电压波动幅度减小。图7为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的d轴电流实验波形图，由波形图可以看到，d轴电流中存在明显的拍频分量。图8为采用本发明提出的拍频抑制方法时的d轴电流实验波形图，由波形图可以看到，d轴电流中的拍频分量得到抑制。图9为未采用本发明提出的拍频抑制方法时的q轴电流实验波形图，由波形图可以看到，q轴电流中存在明显的拍频分量。图10为采用本发明提出的拍频抑制方法时的q轴电流实验波形图，由波形图可以看到，q轴电流中的拍频分量得到抑制。

本发明提出的拍频抑制方法应用到无电解电容永磁同步电机空调驱动系统后，通过电机电流、电网电流实验波形图可以看到拍频分量明显得到抑制，母线电压波动明显减少，d、q轴电流中的拍频分量也得到明显的抑制，说明本发明提出的拍频抑制方法对无电解电容永磁同步电机驱动系统中的拍频现象抑制有明显的效果。

以上对本发明所提供的无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的拍频抑制方法，其特征在于：所述拍频抑制方法用于抑制电机驱动系统中的拍频现象，具体包括以下步骤：

步骤一：提取出电机电流中的拍频电流，电机拍频电流即为电机电流实际值与电机电流参考值的差值；

步骤二：得到电机拍频电流后，将所述电机拍频电流转换为d、q轴拍频电流，并将电机拍频电流参考值设为零，如果电机拍频电流完全跟随电机拍频电流参考值，则说明电机驱动系统中的拍频现象得到有效抑制；

步骤三：d、q轴拍频电流与电机拍频电流参考值做差后，将其差值输入到比例积分控制中进行调节，得到拍频电压参考值，将拍频电压参考值与电流调节器输出的电压值相加后输入到反Park模块中。

2.根据权利要求1所述的拍频抑制方法，其特征在于：所述步骤一具体过程为：

第一步：将转速调节器输出的q轴电流参考值和d轴电流参考值进行反Park坐标变换，得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值，坐标变换所需要的电角度由观测器模块观测得到；

第二步：得到两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值后，再通过反Clark坐标变换，将两相静止坐标系下的α轴、β轴电流参考值变换到三相坐标系中，得到a、b、c三相电流参考值；

第三步：将实际测量得到的电机a、b、c三相电流分别减去电机a、b、c三相电流参考值，即得到电机的a、b、c三相拍频电流。

3.根据权利要求2所述的拍频抑制方法，其特征在于：所述步骤二具体过程为：

通过Clark坐标变换将三相静止坐标系下的a、b、c三相拍频电流变换到两相静止坐标系下，分别得到α轴、β轴拍频电流；

得到α轴、β轴拍频电流后，再通过Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴拍频电流；为将电机驱动系统中的拍频现象消除掉，将d、q轴电机拍频电流参考值设为零值。

4.根据权利要求3所述的拍频抑制方法，其特征在于：所述步骤三具体过程为：

用d、q轴拍频电流值减去d、q轴拍频电流参考值，得到的差值通过比例积分调节器调节，得到d、q轴的拍频电压参考值；

将d、q轴拍频电压参考值与电流调节器输出的d、q轴电压相加，得到电机驱动控制系统中反Park变换模块所需要的d、q轴电压参考值；于是，因波动的直流母线电压导致的驱动系统的拍频现象得到了有效抑制。