CN109900029A - 压缩机控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压缩机控制系统及其方法，该压缩机控制系统包括直流储能电路，三相逆变电路，压缩机，相电流检测电路，市电电流检测电路，市电电压检测电路，以及主控芯片，其中主控芯片连接相电流检测电路、市电电流检测电路和市电电压检测电路的输出端，所述主控芯片包括处理器以及存储器，所述存储器内存储有控制程序，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：正弦化调制q轴电流，并根据调制后的q轴电流控制三相逆变电路的输出功率。该方法基于上述控制系统。该发明显著减小了高压储能电解电容容量；同时，电解电容的纹波电压没有显著增加，通过限制弱磁控制，对整机能效没有下降，克服了无电解方案高速运行时能效显著下降的缺点。

Description

压缩机控制系统及其方法

技术领域

本发明属于变频空调领域，尤其涉及一种压缩机控制技术。

背景技术

目前，传统变频空调控制器直流侧使用较多储能电解电容进行储能，实现市电输入侧与逆变输出侧的控制解耦，同时为逆变侧的空间矢量算法提供稳定的直流供电，使得逆变单元的负载电机能平稳工作。近几年逐渐成熟的无电解电容变频控制方案，利用经典永磁同步电机控制算法，将d轴、q轴电流进行约束控制，实现逆变器输出瞬时功率近似等于交流市电的输入功率，从而从根本上取消了高压储能电解电容，但该技术方案因使用了d轴电流进行弱磁控制，使得在高速运行时电机效率显著下降，进而使得能效显著变差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种压缩机控制系统及其控制方法，该发明显著减小了高压储能电解电容容量；同时，电解电容的纹波电压没有显著增加，可以使用目前普通变频产品用高压电解电容，避免了无电解方案使用的昂贵薄膜高压电容的弊端；通过限制弱磁控制，整机能效没有下降，克服了无电解方案高速运行时能效显著下降的缺点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压缩机控制系统，包括直流储能电路，连接于所述直流储能电路输出端的三相逆变电路，连接于所述三相逆变电路输出端的压缩机，可检测所述三相逆变电路电流的相电流检测电路，可检测市电电流的市电电流检测电路，可检测市电电压的市电电压检测电路，以及主控芯片，其中主控芯片连接相电流检测电路、市电电流检测电路和市电电压检测电路的输出端，所述主控芯片包括处理器以及存储器，所述存储器内存储有控制程序，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：正弦化调制q轴电流，进而控制三相逆变电路的输出功率随q轴电流而变化。

作为本发明的进一步优化，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：

采集市电电压Vac，根据市电电压计算市电相位θ_-s；

采集压缩机相电流iu、iv，根据压缩机相电流计算iw，其中iw＝-iu-iv；

根据磁场定向FOC理论，由iu、iv、iw值经过clark变换和park变换后得到q轴电流估算值iq^*；

根据速度指令值ωr与压缩机转速估算值ω^*差值经过PI滤波器输出q轴电流目标值iq；

采集市电电流Iac、电压Vac，计算得到市电相位值θ_-s，并设置调制深度r；根据正弦化调制q轴电流，其调制量为iq_-s，公式为：

iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r

其中iq_-s为调制后的q轴电流目标值补偿量，iq^*为根据压缩机三相电流计算的q轴电流估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。

作为本发明的进一步优化，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：调制深度r的计算公式为：

r＝r₀*(1+Iac/Iac₀)

其中Iac为市电电流值，Iac₀为预设值电流值，r₀为预设深度值。

作为本发明的进一步优化，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤，控制q轴电流正弦化调制启动：判断压缩机实际运行频率F是否低于预设值Fc，如是，则屏蔽正弦化调制，反之，则启用正弦化调制。

作为本发明的进一步优化，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：对预设值Fc执行迟滞控制：检测运行频率F低于预设值Fc与误差值k的差，则取消q轴电流正弦化调制；检测到运行频率F高于预设值Fc与误差值k的和，则启用q轴电流正弦化调制，其中，k为大于零的常数。

作为本发明的进一步优化，进一步包括直流侧检测电路，所述直流侧检测电路的输出端连接所述主控芯片，所述主控芯片内的程序被所述处理器执行时能够根据磁场定向FOC的控制原理，实现以下步骤：采集直流侧检测电路电流Vdc，计算q轴电流指令值iq与补偿值iq_-s的和，其和值与实际q轴电流估算值iq^*取差值，经PI限幅滤波器后得到q轴电压目标值vq，d轴电流估算值id^*与d轴控制指令值id的差值经过PI限幅滤波器后得到d轴电压目标值vd，vd、vq经过Park逆变换得到vα，vβ；经过Clark逆变换得到六路驱动信号并输出至三相逆变电路。

作为本发明的进一步优化，所述直流储能电路包括可对市电电流整流及实施功率因数校正的PFC电路，以及连接于所述PFC电路输出端的储能电解电容，所述储能电解电容容量显著小于常规方案所用储能电解电容容量。

一种压缩机控制方法，基于上述任一项所述的压缩机控制系统，包括以下步骤：采集市电电压Vac，根据市电电压计算市电相位θ_-s；采集压缩机相电流，根据磁场定向FOC理论计算q轴电流估算值iq^*；采集市电电流Iac，计算调制深度r；根据正弦化公式调制q轴电流，其中正弦化公式为：iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r，其中iq_-s为调制后的q轴电流，iq^*为根据压缩机相电流计算得到的q轴电流估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明通过设置对q轴电流的正弦化调制，使其与市电电压相位同步，实现输出功率随市电电压相位变化而同步变化，在峰值电压时输出功率也达到瞬时峰值，从而减小了对储能电容容量的需求，进而减小实际的电解电容容量。

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地介绍，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为本发明压缩机控制系统的示意图；

图2为图1中主控芯片内的执行示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种压缩机控制系统，该压缩机控制系统包括直流储能电路，连接于所述直流储能电路输出端的三相逆变电路，连接于所述三相逆变电路输出端的压缩机，可检测所述三相逆变电路电流的相电流检测电路，可检测市电电流的市电电流检测电路，可检测市电电压的市电电压检测电路，以及主控芯片，其中主控芯片连接相电流检测电路、市电电流检测电路和市电电压检测电路的输出端，所述主控芯片包括处理器以及存储器，所述存储器内存储有控制程序，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：正弦化调制q轴电流，进而控制三相逆变电路的输出功率。

本发明通过设置对q轴电流的正弦化调制，使其与市电电压相位同步，在市电电压峰值时输出功率最大，从而减小了对储能电容容量的需求，进而减小实际的电解电容容量。

上述中，直流储能电路包括可对市电电流整流及实施功率因数校正的PFC电路，以及连接于所述PFC电路输出端的电容。其中PFC电路可为有源PFC电路，也可为无源PFC电路。

结合图2所示，为了进一步说明上述对q轴电流的正弦化调制，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：

S0：采集压缩机相电流iu、iv，根据压缩机相电流计算iw，其中iw＝-iu-iv；

S1：根据磁场定向FOC理论，由iu、iv、iw值经过clark变换和park变换后得到q轴电流估算值iq^*。

S2：根据速度指令值ωr与压缩机转速估算值ω^*的差值经过PI滤波器输出q轴电流目标值iq；

S3：采集市电电流Iac、市电电压Vac，根据市电电压计算市电相位θ_-s，并设置调制深度r；通过采集到的市电电压Vac，可采用现有的锁相检测技术或过零检测技术或复合锁相检测技术等，得到市电电压的相位信号θ_-s，在此不再限定为具体某一过程。

S4：根据正弦化公式调制q轴电流，其调制量为iq_-s：iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r，其中iq_-s为调制后的q轴电流目标值补偿量，iq^*为根据压缩机相电流计算的q轴电流估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。其中，当r＝0时，为常规控制方案，当r＝1时，和id配合控制，则为无电解控制方案，因采用弱磁控制时会降低整机系统的能效，本发明中的调制深度r优选取值范围为(0,0.4)。

另外，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤，控制正弦化调制电流的启动：检测压缩机实际运行频率F是否低于预设值Fc，如是，则屏蔽q轴电流正弦化调制，反之，则启用q轴电流正弦化调制。优选的，为了防止在预设值Fc处出现运行时的频繁切换，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：对预设值Fc执行迟滞控制：检测运行频率F低于预设值Fc与误差值k的差，则取消q轴电流正弦化调制；检测到运行频率F高于预设值Fc与误差值k的和，则启用q轴电流正弦化调制。

同时，如图1和图2所示，本发明的压缩机控制系统进一步包括直流侧检测电路，所述直流侧检测电路的输出端连接所述主控芯片，所述主控芯片内的程序被所述处理器执行时能够根据磁场定向FOC的控制原理实现以下步骤：采集直流侧检测电路电流Vdc，计算q轴电流指令值iq与补偿值iq_-s的和，其和值与实际运行估算值iq^*的差值，经PI限幅滤波器后得到q轴电压值vq，d轴实际运行电流估算值id^*与d轴控制指令值id的差值经过PI限幅滤波器后得到d轴电压值vd，经过Park逆变换得到v_α，v_β；经过Clark逆变换得到六路驱动信号并输出至三相逆变电路。

上述中，Park变换、Park逆变换、Clark逆变换、Clark逆变换均是本领域技术人员所公知，在此不赘述。

电解电容容量减小的原理描述如下：

在d-q轴坐标下，压缩机存在如下电压方程：

ud＝Rs*id+Ld*did/dt-ωr*Lq*iq^*

uq＝Rs*iq+Lq*diq/dt+ωr*(ψf+Ld*id)

其中：ud为d轴电压，Rs为电机线圈电阻，iq^*为q轴电流，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，ψf为转子磁链，ωr为电机转速。

本发明中，因三相逆变电路的输出功率为：

Pinv≈1.5*(ud*id+uq*iq)

＝1.5*ωr*iq*(ψf+(Ld-Lq)*id)+1.5*Rs*(id²+iq²)

+1.5*(Ld*id*d id/dt+Lq*iq*d iq/dt)

其中：设定P1＝1.5*ωr*iq*(ψf+(Ld-Lq)*id)，为电机输出功率；

设定P2＝1.5*Rs*(id²+iq²)，为电机铜阻损耗；

设定P3＝1.5*(Ld*id*d id/dt+Lq*iq*d iq/dt)，为电机电感无功功率；

而P1为有效输出能力，从上式中可以看出：输出功率P1与压缩机转速呈正比，与q轴电流iq呈正比。

为实现上述目的，按照图2所示FOC算法框图，构建函数iq_-s：

iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r

其中：iq^*为根据Iu/Iv/Iw计算得到的q轴电流估算值，r为系数，1＞r＞0，θ_-s为为工频市电的相位角，0≤θ_-s≤2π，

因此，通过本发明中对q轴电流的调制，使其为与市电同步且呈现正弦化调制，减小了对储能电容容量的需求，从而减小实际的电解电容容量。

另外，如图2所示，其不仅涉及到对电流的控制，还包括对位置和速度的控制。

本发明还提供了一种压缩机控制方法，基于上述压缩机控制系统，包括以下步骤：

采集市电电压Vac，根据市电电压计算市电相位θ_-s；

采集压缩机相电流，根据磁场定向FOC理论计算q轴电流实际值iq^*；

采集市电电流Iac，计算调制深度r；

根据正弦化公式调制q轴电流，其中正弦化公式为：iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r，其中iq_-s为调制后的q轴电流，iq^*为根据压缩机相电流计算得到的q轴电流实际估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种压缩机控制系统，其特征在于：包括直流储能电路，连接于所述直流储能电路输出端的三相逆变电路，连接于所述三相逆变电路输出端的压缩机，可检测所述三相逆变电路电流的相电流检测电路，可检测市电电流的市电电流检测电路，可检测市电电压的市电电压检测电路，以及主控芯片，其中主控芯片连接相电流检测电路、市电电流检测电路和市电电压检测电路的输出端，所述主控芯片包括处理器以及存储器，所述存储器内存储有控制程序，所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：正弦化调制q轴电流，进而控制三相逆变电路的输出功率。

2.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于：所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：

采集压缩机相电流iu、iv，根据压缩机相电流计算iw，其中iw＝-iu-iv；

根据磁场定向FOC理论，由iu、iv、iw值经过clark变换和park变换后得到q轴电流估算值iq^*；

根据速度指令值ωr与压缩机转速估算值ω^*的差值经过PI滤波器输出q轴电流目标值iq；

采集市电电流Iac、市电电压Vac，计算得到市电相位值θ_-s，并设置调制深度r；

根据正弦化调制q轴电流，其调制量为iq_-s，公式为：

iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r，其中iq_-s为调制后的q轴电流目标值补偿量，iq^*为根据压缩机三相电流计算的q轴电流估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。

3.根据权利要求2所述的压缩机控制系统，其特征在于：所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：调制深度r的计算公式为：r＝r₀*(1+Iac/Iac₀)，其中Iac为市电电流值，Iac₀为预设值电流值，r₀为预设深度值。

4.根据权利要求3所述的压缩机控制系统，其特征在于：所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：控制q轴电流正弦化调制启动：判断压缩机实际运行频率F是否低于预设值Fc，如是，则屏蔽q轴电流正弦化调制，反之，则启用q轴电流正弦化调制。

5.根据权利要求4所述的压缩机控制系统，其特征在于：所述程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：对预设值Fc执行迟滞控制：检测运行频率F低于预设值Fc与误差值k的差，则取消q轴电流正弦化调制；检测到运行频率F高于预设值Fc与误差值k的和，则启用q轴电流正弦化调制，其中，k为大于零的常数。

6.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于：进一步包括直流侧检测电路，所述直流侧检测电路的输出端连接所述主控芯片，所述主控芯片内的程序被所述处理器执行时能够实现以下步骤：采集直流侧检测电路电流Vdc，计算q轴电流指令值iq与补偿值iq_-s的和，其和值与实际运行值iq^*的差值，经PI限幅滤波器后得到q轴电压值vq，d轴运行电流估算值id^*与d轴控制指令值id的差值经过PI限幅滤波器后得到d轴电压值vd，经过Park逆变换得到v_α，v_β；经过Clark逆变换得到六路驱动信号并输出至三相逆变电路。

7.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于：所述直流储能电路包括可对市电电流整流及实施功率因数校正的PFC电路，以及连接于所述PFC电路输出端的电容。

8.一种压缩机控制方法，基于权利要求1-7中任一项所述的压缩机控制系统，其特征在于：包括以下步骤：

采集市电电压Vac，根据市电电压计算市电相位θ_-s；

采集压缩机相电流，根据磁场定向FOC理论计算q轴电流估算值iq^*；

采集市电电流Iac，计算调制深度r；

根据正弦化公式调制q轴电流，其中正弦化公式为：iq_-s＝iq^**|sin²(θ_-s)|*r，其中iq_-s为调制后的q轴电流，iq^*为根据压缩机相电流计算得到的q轴电流估算值，θ_-s为市电相位，r为调制深度，0<r<1。