CN109525158A - 空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统 - Google Patents

空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统，其中的方法包括：采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq；获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压Udc的对应关系，根据对应关系计算电压裕量；根据电压裕量计算电流微分项的调节系数K，基于调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q；本发明的方法和系统，可以减少电流环设计的复杂程度，减少需调节参数的数量；实现对波动信号的更快、更精确的跟踪；可以有效地减少网侧电流的谐波，使压机相电流更加平滑，有利于电机的长期运行，提高了系统的稳定性。

Description

空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统。
背景技术
电解电容以其大容量能保持直流电压稳定，为系统线路滤波以及保护器件等作用而广泛用于电力电子领域，但是电解电容寿命受工作环境特别是温度影响严重，不利于系统的稳定可靠性。在一些特殊应用场合，可以用薄膜电容或者陶瓷电容代替电解电容，提高系统可靠性同时降低成本，但是采用小容量电容代替大容量电解电容，必然会导致直流母线电压的波动。在恒定且足够的直流母线电压下的控制中，无差拍电流预测控制展现了良好的控制性能，与现在主流采用的PI电流环或是滞环控制，无差拍控制策略跟踪精度更高、动态性能更快，特别是针对波动的信号，无差拍相较于PI控制有更大的优势。
采用单相-三相无电解电容变换器驱动的空调压缩机，可以提高整个系统的可靠性，省去PFC电路从而降低成本，但是也带来了一些问题，最大的问题就是由于没有大容量的电解电容，直流母线电压会大幅度的波动。在电机(压缩机)控制场合，母线电压的波动会带来一系列控制上的问题，当母线电压波动时，电机的dq轴电流也是波动的信号，而针对波动的信号传统的PI电流环跟踪性能有限，很难让整个系统实现最优的性能。对无电解电容的空调压缩机特殊应用场合，当电流环跟踪性能有限时，将会对网侧电流、压机相电流产生影响，不利于系统运行。目前，为了优化在母线电压波动情况下电流环的性能提出了一些解决方法，但是这些方法在电流环设计上复杂，需调节参数较多，使实际应用中调试的难度、复杂度加大。不管是采用PR控制器还是重复控制器，在设计上都比较复杂，需要调节的参数较多，给实际应用中的调试带来了一定难度。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统。
根据本发明的一个方面，提供一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法，包括：采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq；在对所述永磁同步电机的输入电流采用SVPWM调制时，获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压Udc的对应关系，根据所述对应关系计算电压裕量；根据所述电压裕量计算电流微分项的调节系数K，基于所述调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q；根据所述电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
可选地，所述经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq包括：经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；确定并确定其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为所述永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁体磁链。
可选地，获得所述对应关系为
计算最大电压限幅值
可选地，计算电流微分项的调节系数为
可选地，计算修正后的电压计算修正后的电压
根据本发明的另一方面，提供一种空调压缩机电流的预测控制系统，其特征在于，包括：数据变换模块，用于采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq；电压限量值确定模块，用于在对所述永磁同步电机的输入电流采用SVPWM调制时，获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压Udc的对应关系，根据所述对应关系计算电压裕量；调节系数计算模块，用于根据所述电压裕量计算电流微分项的调节系数K，无差拍预测电流控制器，用于基于所述调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q；驱动模块，用于根据所述电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
可选地，所述数据变换模块，用于经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；确定并确定其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为所述永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁体磁链。
可选地，所述电压限量值确定模块，用于获得所述对应关系为电压限量值确定模块，用于计算最大电压限幅值
可选地，所述调节系数计算模块，用于计算电流微分项的调节系数为
可选地，所述无差拍预测电流控制器，用于计算修正后的电压 计算修正后的电压
本发明的空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统，采用无差拍预测电流控制，可以减少电流环设计的复杂程度，减少需调节参数的数量；相对传统的PI控制器，无差拍预测电流控制实现对波动信号的更快、更精确的跟踪；在母线电压波动的情况下，相较于传统的无差拍预测电流控制，可以有效地减少网侧电流的谐波，使压机相电流更加平滑，有利于电机的长期运行，提高了系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的空调压缩机无差拍电流预测控制方法的一个实施例的流程示意图；
图2为单相-三相无电解电容变换器的拓扑结构图；
图3为的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法的结构示意框图；
图4为调节系数K的计算方法的结构示意框图；
图5为采用传统无差拍电流预测控制方法在8kHz采样率下，压缩机运行在60Hz机械频率的实验结果示意图；
图6为采用本发明的无差拍电流预测控制方法在8kHz采样率下，压缩机运行在60Hz机械频率的实验结果示意图；
图7为采用传统无差拍电流预测控制方法在8kHz采样率下，压缩机运行在80Hz机械频率的实验结果示意图；
图8为采用本发明的无差拍电流预测控制方法在8kHz采样率下，压缩机运行在80Hz机械频率的实验结果示意图；
图9为本发明的空调压缩机无差拍电流预测控制系统的一个实施例的示意框图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了解决传统的无差拍电流预测控制在单相-三相无电解电容变换器的空调压缩机应用中，网侧电流畸变大、谐波大，直流母线电压畸变大、谐波大以及压机相电流不平滑，系统运行不稳定的问题，本发明提供了一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法，为一种单相-三相无电解电容变换器驱动的空调压缩机电流无差拍预测控制方法。
图1为本发明的空调压缩机无差拍电流预测控制方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：
步骤101，采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq。
根据当前永磁同步电机的dq轴电流id、iq以及参考dq轴电流在dq轴坐标系下分别获得内置式永磁同步电机的电压方程，得到dq轴的电压ud和uq，内置式永磁同步电机的电压方程可以为现有的电压方程。
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)是一个多变量、强耦合的非线性系统。永磁同步电机的控制需要先将三相电流经过dq变换，然后分别进行比例积分(Proportional-integral，PI)调节，将PI调节的结果作为PWM的控制量，经PWM算法输出控制信号，完成对永磁同步电机的控制。如图3所示，采集当前时刻(k时刻)的永磁同步电机的转子位置θ、电机转速ωe和三相电流ia、ib和ic的数据，对永磁同步电机的三相电流ia、ib和ic进行Clark变换和Park变换，得到永磁同步电机在dq轴坐标系下的等效电流id和iq等，通过永磁同步电机的电压方程获得电压ud和uq。
步骤102，在对永磁同步电机的输入电流采用SVPWM(spacevectorPWM，电压空间矢量脉宽调制)调制时，获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压直流母线电压Udc的对应关系，根据对应关系计算电压裕量。基于得到的ud和uq，可以根据电机的数学模型计算当前的电压裕量。
步骤103，根据电压裕量计算电流微分项的调节系数K，基于调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q。
根据得到的当前的电压裕量，将电流微分项和当前的电压裕量值作比较，得到当前时刻的调节系数K的值。根据计算得到的K的值，重新带入电压方程，计算得到调节后的u′d和u′q。
步骤104，根据电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。根据无差拍电流预测控制器的最优输出电压u′d和u′q构建逆变器每个开关管的驱动信号。逆变器开关管可以为现有的对于压缩机的永磁同步电机的控制系统中的逆变器开关管等。
无电解电容空调压缩机的永磁同步电机的母线电压大幅度波动，导致系统电压裕量波动并且有时候电压裕量很小，如果直接采用传统的无差拍电流预测控制，会导致预测出来的电压远远大于系统电压裕量所允许的预测电压的限幅值，导致系统的网侧电流上的谐波含量大，使其各次谐波的幅值不满足IEC61000-3-2的标准；母线电压和电机相电流上的大谐波含量，不利于电机以及系统的长期运行。为减少谐波，优化系统性能。
上述实施例中的空调压缩机无差拍电流预测控制方法，提出一种单相-三相无电解电容变换器驱动的空调压缩机电流无差拍预测控制技术，该方法原理简单，需要调节的参数少，有效减少了网侧电流谐波含量，使其有更大的裕量来满足IEC6100-3-2的标准，使电机相电流更加平滑，有利于电机的长期运行，提高了整个系统的稳定性。
在一个实施例中，根据压缩机(内置式永磁同步电机)的数学模型，在dq轴坐标系上分别计算得到dq轴的电压ud和uq。在采用SVPWM调制时，给定的最大的电压的限制值与直流母线电压Udc的关系为根据此限幅值计算当前的电压裕量。根据当前的电压裕量值，来计算调节系数K的值。
经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；确定并确定其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁同步电机的永磁体磁链。获得对应关系可以为计算最大电压限幅值
在一个实施例中，在两个电平逆变器组成的电机传动系统中，受逆变器输出最大电压的限制，在调制过程中会存在一个电压极限，把这个电压的极限值定义为Umax。电压限幅值Umax的值与当前的直流母线电压的幅值有关，采用SVPWM调制策略时通常取电压限幅值根据这个限幅值计算当前的最大的电压裕量。ud和uq分别满足小于或等于电压限幅值，以uq为例，计算调节系数K的值：
可控的电压裕量的值为
定义电流微分项的调节系数为K,根据当前的电压裕量，计算调节系数K的值：
计算电流微分项的调节系数为：
将计算出来的K的值，带入电机的电压方程计算得到调节后的u′d和u′q。计算修正后的电压计算修正后的电压
在一个实施例中，根据无差拍预测控制器预测出来的电压矢量，经过调制后构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
由于母线电压的大幅度波动，电流微分项的值很大，导致计算出来的uq远远超出限幅值，但是根据系统和调制的限制，必须调节电流微分项使其满足下式：
通过在电流微分项前乘以一个调节系数K，使其满足电压裕量的允许范围。
通过计算可以得到当前的K的值：
将计算得到的K的值再带入电压方程里面，得到修正后满足限幅值的电压的值u′q：
式中，u′q表示乘以调节系数后修正的q轴电压。
同理可以得到d轴电压u′d的计算值。通过以上步骤计算得到调节系数K的值和修正后的电压u′d和u′q。
本发明的空调压缩机无差拍电流预测控制方法的有效性可以通过对比图5、图6以及对比图7、图8所示的实验结果得出。图5是采用传统无差拍电流预测控制方法8kHz采样率下，压缩机运行在60Hz机械频率的实验结果，而图6则是同样条件下，本发明空调压缩机无差拍电流预测控制方法在8kHz采样率下的实验结果。
图5、6中，从上至下波形依次为直流母线电压，网侧电流以及电机定子一相电流。从图5和图6的对比中可以发现，本发明提出的方法使网侧电流和母线电压上的谐波大大减少，使网侧电流在系统无PFC电路的情况下满足IEC61000-3-2的标准，同时定子相电流更加平滑，有利于电机的运行和系统整体稳定性的提升。
图7、图8为压缩机运行80Hz机械频率的实验结果，图7对应的是传统无差拍预测控制的实验结果，图8对应的是本发明中方法的实验结果，图7和图8实验结果对比和图5、图6一样，可以看出本发明的方法在不同的运行频率下都展现了良好的性能。
在一个实施例中，本发明提供一种空调压缩机电流的预测控制系统90，包括：数据变换模块91、电压限量值确定模块92、调节系数计算模块93、无差拍预测电流控制器94和驱动模块95。
数据变换模块91采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq。电压限量值确定模块92在对永磁同步电机的输入电流采用SVPWM调制时，获得最大电压限幅值Umax与直流母线电压Udc的对应关系，根据对应关系计算电压裕量。调节系数计算模块93根据电压裕量计算电流微分项的调节系数K。无差拍预测电流控制器94基于调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q。驱动模块95根据电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
在一个实施例中，数据变换模块91经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；确定并确定其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁体磁链。
电压限量值确定模块92获得对应关系为电压限量值确定模块92计算最大电压限幅值调节系数计算模块93计算电流微分项的调节系数为
无差拍预测电流控制器94计算修正后的电压计算修正后的电压
上述实施例提供的空调压缩机无差拍电流预测控制方法和系统，采用无差拍预测电流控制，可以减少电流环设计的复杂程度，避免采用PR控制或是重复控制等复杂控制器，减少需调节参数的数量；相对传统的PI控制器，无差拍预测电流控制实现对波动信号的更快、更精确的跟踪；在母线电压波动的情况下，相较于传统的无差拍预测电流控制，可以有效地减少网侧电流的谐波，使压机相电流更加平滑，有利于电机的长期运行，提高了系统的稳定性。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种空调压缩机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，包括：
采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq；
在对所述永磁同步电机的输入电流采用SVPWM调制时，获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压Udc的对应关系，根据所述对应关系计算电压裕量；
根据所述电压裕量计算电流微分项的调节系数K，基于所述调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q；
根据所述电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq包括：
经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；
确定并确定
其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为所述永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁体磁链。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
获得所述对应关系为
计算最大电压限幅值
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，
计算电流微分项的调节系数为
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
计算修正后的电压
计算修正后的电压
6.一种空调压缩机电流的预测控制系统，其特征在于，包括：
数据变换模块，用于采集压缩机的永磁同步电机的转子位置、电机转速和三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电压ud和uq；
电压限量值确定模块，用于在对所述永磁同步电机的输入电流采用SVPWM调制时，获得最大电压限幅值Umax与永磁同步电机的直流母线电压Udc的对应关系，根据所述对应关系计算电压裕量；
调节系数计算模块，用于根据所述电压裕量计算电流微分项的调节系数K；
无差拍预测电流控制器，用于基于所述调节系数K和电压ud和uq计算修正后的电压u′d和u′q；
驱动模块，用于根据所述电压u′d和u′q构建得到驱动逆变器开关管的驱动信号。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述数据变换模块，用于经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标系下的电流id和iq；确定并确定
其中，Rs,Ld,Lq,ωr,ψf分别为所述永磁同步电机的定子绕组，d轴电感，q轴电感，转速以及永磁体磁链。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，
所述电压限量值确定模块，用于获得所述对应关系为
所述电压限量值确定模块，用于计算最大电压限幅值
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述调节系数计算模块，用于计算电流微分项的调节系数为
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述无差拍预测电流控制器，用于计算修正后的电压计算修正后的电压
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