CN110504886B - 一种估算单转子压缩机负载转矩的方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有技术对单转子进行补偿后未能反映实际单转子压缩机负载转矩的问题，本发明提供一种估算单转子压缩机负载转矩的方法，通过B&K振动噪声及模态分析系统的频谱分析单转子压缩机负载振动噪音的高次谐波，加入对应上述高次谐波的转矩前馈补偿电流后，对上述高次谐波被起到抵消的作用，从而由上述转矩前馈补偿电流间接的求出负载转矩。本发明与现有技术相比，本发明通过加入转矩前馈补偿电流，将高阶谐波抵消，以高阶谐波的形式表达出负载转矩，达到将被忽略的微量考虑在内从而构建出更贴近真实情况的负载转矩的目的。解决了现有技术中的补偿方法无法反应实际负载转矩的问题。

Description

一种估算单转子压缩机负载转矩的方法
技术领域
本发明涉及单转子压缩机负载转矩的估算领域，尤其涉及一种估算单转子压缩机负载转矩的方法。
背景技术
在家用空调中，永磁电动机处于有腐蚀性的高压制冷剂中，并且压缩机内温度超过120℃，这些严苛的工作条件给位置传感器的安装和维护带来了极大的不便。因此，为了降低成本和故障率，在现有的单转子压缩机中，基本采用转子位置估算法，通过估算出转子的位置，再通过对压缩机的受力进行分析，最终计算出压缩机的负载转矩。但由于对转子位置的估算存在误差，缺乏对泄漏量、滑动摩擦和温度变化等等原因造成的影响，导致计算出来的负载转矩未能如实反映真实情况。
对此，黄辉，马颖江，张有林等在《单转子压缩机的转矩自动补偿系统和转矩自动补偿方法》专利中通过对提出一种基于正弦波控制系统的单转子转矩自动补偿系统。该系统包括正弦波双环调速系统，其进一步包括电流环、速度环、PI调节器和加法器；转矩自动补偿器，其进一步包括低通滤波器和负载转矩计算器；所述电流环通过PI调节器控制压缩机电流i与给定电流i*相一致，并输出电压u给电机；所述速度环通过PI调节器控制压缩机速度Ω与给定速度Ω*相一致，并输出电流i*′；正弦波双环调速系统中的计算器接受电流环输出电流i*′和转矩自动补偿器反馈的补偿电流i′得到给定电流i*，计算公式为i*＝i*′-i′；给定电流i*和压缩机速度Ω反馈至转矩自动补偿器中的负载转矩计算器。
而霍亚军在《永磁同步单转子压缩机低频转矩补偿控制研究》一文中针对变频空调永磁同步单转子压缩机低频运行时负载转矩不稳定，导致振动大的特点。先分析永磁同步单转子压缩机的工作原理和负载转矩变化特点，根据负载变化规律提出采用前馈控制和反馈控制相结合的方法有效降低低频运行时的振动。根据负载周期变化特点设计前馈函数，根据压缩机工作的压缩半周期和吸气半周期的运行时间差作为反馈，利用最优控制方法调节前馈补偿参数。
振动与噪音上是能量的一种表现形式。理论上，降低振动和噪音后，空调压缩机的能耗也应该随之降低，但实际上，现有的空调在通过前馈补偿进行降低振动和噪音后，功率却反而增加(各大空调公司的单转子压缩机的降低振动噪音后，功率普遍提升10-15W)，从中反映出来的问题是：按照现有技术的方法补偿后的单转子压缩机负载转矩也未能很好的反映实际情况。
发明内容
为了解决现有技术对单转子进行补偿后未能反映实际单转子压缩机负载转矩的问题，本发明提供一种估算单转子压缩机负载转矩的方法。
本发明为了解决上述技术体所采用的技术方案是：通过B&K振动噪声及模态分析系统的频谱分析单转子压缩机负载振动噪音的高次谐波，加入对应上述高次谐波的转矩前馈补偿电流后，对上述高次谐波被起到抵消的作用，从而由上述转矩前馈补偿电流间接的求出负载转矩。
进一步的，上述的一种估算单转子压缩机负载转矩的方法，包括以下步骤：
S1：通过B&K振动噪声及模态分析系统对正常工作状态下的单转子压缩机进行振动噪音测试，获得振动噪音的高次谐波；
S2：以将S1步骤获得的振动噪声的高次谐波抵消到0为目标，对S1步骤中的单转子压缩机加入前馈补偿电流，通过遗传算法求出当前负载下的最佳转矩前馈补偿电流，抵消振动频谱的高次谐波；
S3：当采用“id＝0”控制单转子压缩机时，通过Tem＝Tf和
Figure BDA0002133431460000021
得到负载转矩
Figure BDA0002133431460000022
其中Tem为电磁转矩、Tf为负载转矩、pn为电机极对数、iq为q轴电流、ic为转矩前馈补偿电流；
S4：改变单转子压缩机的负载，重复S1至S3步骤，测量出N组不同工况下的数据，选择一种多项式作为基底，构建出负载转矩的响应面。
本发明的基本原理是：首先通过B&K振动噪声及模态分析系统进行实验验证，由实验结果的振动频谱分析可知振动噪音存在着高阶谐波，再通过加入对应高阶谐波前馈补偿电流，振动噪音的高次谐波正好能被抑制，证明了负载转矩存高阶谐波的存在且能够被同阶数的前馈补偿电流抑制，因此可以通过转矩和电流的关系求出当前负载转矩；此外，不同的工况的前馈补偿电流都不同，可以用前馈补偿电流代表着不同的工况；因此，可以通过多次实验测量多组不同工况的最佳前馈补偿电流，求出相应的负载转矩，从而构建负载转矩的响应面，，以方便进行仿真分析。
本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，本发明通过加入转矩前馈补偿电流，将高阶谐波抵消，以高阶谐波的形式表达出负载转矩，达到将被忽略的微量考虑在内从而构建出更贴近真实情况的负载转矩的目的。解决了现有技术中的补偿方法无法反应实际负载转矩的问题。
具体实施方式
转矩前馈补偿电流是在转子压缩机矢量控制的基础上，针对电机负载周期性变化，找出突变的规律，在q轴电流iq中加入了一个前馈补偿量，以产生预期波形的电磁转矩，去抵消负载转矩的突变，从而降低振动噪音。
对于进入稳态的永磁同步电机有电压公式：
建立dq坐标系，
Figure BDA0002133431460000031
其中，Ud、Uq、分别为d轴电压、q轴电压；id、iq分别为d轴电流、q轴电流；Rs为定子电阻；ψd、ψq分别为d轴磁链、q轴磁链；ω为电角速度；
有磁链方程式：
Figure BDA0002133431460000032
其中，Ld、Lq分别为d轴电感、q轴电感；ψf为永磁体磁链；
因此有电磁转矩：
Figure BDA0002133431460000033
其中，pn为电机极对数；ψd、ψq分别为d轴磁链、q轴磁链；id、iq分别为d轴电流、q轴电流；
本发明采用的是一组正弦波基底组成的电流作为前馈补偿量：可以采用多项式基底，优选的，选用正弦基底是因为现阶段估计的负载转矩与正弦比较相似：
iC＝i0+i1sin(ωt+θ1)+i2sin(2ωt+θ2)+…+i10sin(10ωt+θ10)；其中iC为转矩前馈补偿电流量、i0...i10为转矩前馈补偿电流幅值、θ1...θ10为补偿角度、ω为电角速度。
Step1：通过B&K振动噪声及模态分析系统对正常工作状态下的单转子压缩机进行振动噪音测试，由实验结果的振动频谱分析可知振动噪音存在着高阶谐波；
Step 2：通过以振动噪音实验结果的最小为目标(抵消到零)，对实验中的单转子压缩机加入前馈补偿电流ic，通过遗传算法求出当前负载下的最佳转矩前馈补偿电流，抵消振动噪音的高次谐波，也就是说加入该前馈补偿后的实验结果的振动频谱高阶谐波消失了，验证了负载转矩确实存在着高阶谐波且能被相应阶数的补偿电流分量抑制；
Step 3：当采用“id＝0”控制模式时，由于负载转矩和电磁转矩相同时才不存在转矩波动，因此可以通过Tem＝Tf和
Figure BDA0002133431460000034
得到负载转矩
Figure BDA0002133431460000035
Figure BDA0002133431460000036
然后相对应求出该工况下的负载转矩；
其中Tem为电磁转矩、Tf为负载转矩、pn为极对数、iq为q轴电流；ψf为永磁体磁链；iC＝i0+i1sin(ωt+θ1)+i2sin(2ωt+θ2)+…+i10sin(10ωt+θ10)；其中iC为转矩前馈补偿电流量、i0...i10为转矩前馈补偿电流幅值、θ1...θ10为补偿角度、ω为电角速度、t为时间。
Step 4：改变负载，重复前3步工作，测量出50组不同工况下的数据，选择一种多项式作为基底，比如泰勒基，切比雪夫基，勒让德基等，构建出负载转矩的响应面。
具体的构件负载转矩响应面的步骤是：
S401.先通过拉丁超立方对Step3步骤的多条转矩曲线进行采样，得到50组数据；
S402.选择一组多项式基底，负载转矩响应面的表达式可以抽象为Tf＝ψ(t)·C通过S401的采样可得到ψ(t)，Tf又可以通过Step3求得，因此可以求解出系数矩阵C进而得到负载转矩的响应面。
验证过程：
Step 5：重复前step1～3步工作，再次测量出另外50组不同工况下的数据，与Step4构建出来的响应面上的对应点一一进行比较，若在5％的误差允许范围内，则说明该负载转矩的响应面是没问题的。
现有技术缺乏对负载转矩的高阶谐波的考虑，从而导致抑制振动噪音后，单转子压缩机的功率基本都上升10-15W；相比之下，本发明从根本上解决了该问题。
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，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种估算单转子压缩机负载转矩的方法，其特征在于：通过B＆K振动噪声及模态分析系统的频谱分析单转子压缩机负载振动噪音的高次谐波，加入对应上述高次谐波的转矩前馈补偿电流后，对上述高次谐波被起到抵消的作用，从而由上述转矩前馈补偿电流间接的求出负载转矩；
包括以下步骤：
S1：通过B＆K振动噪声及模态分析系统对正常工作状态下的单转子压缩机进行振动噪音测试，获得振动噪音的高次谐波；
S2：以将S1步骤获得的振动噪声的高次谐波抵消到0为目标，对S1步骤中的单转子压缩机加入前馈补偿电流，通过遗传算法求出当前负载下的最佳转矩前馈补偿电流，抵消振动频谱的高次谐波；
S3：当采用“id＝0”控制单转子压缩机时，通过Tem＝Tf和
Figure FDA0002994177490000011
得到负载转矩
Figure FDA0002994177490000012
其中Tem为电磁转矩、Tf为负载转矩、pn为电机极对数、iq为q轴电流、ic为转矩前馈补偿电流；ψf为永磁体磁链；
S4：改变单转子压缩机的负载，重复S1至S3步骤，测量出N组不同工况下的数据，选择一种多项式作为基底，构建出负载转矩的响应面。
2.权利要求1所述的一种估算单转子压缩机负载转矩的方法，其特征在于：S4步骤中获得负载转矩的响应面的步骤是：
S401.先通过拉丁超立方对S3步骤的多条转矩曲线进行采样，得到N组数据；
S402.选择一组多项式基底，负载转矩响应面的表达式为Tf＝ψ(t)·C；其中，ψ(t)是时间t时的磁链；Tf为负载转矩；C为系数矩阵。
3.权利要求1所述的一种估算单转子压缩机负载转矩的方法，其特征在于：还包括：
步骤S5；重复S1至S3步骤，再次测量出另外M组不同工况下的数据，与S4步骤构建出来的响应面上的对应点一一进行比较，观察对比结果是否在允许的误差范围内。
4.权利要求1所述的一种 估算单转子压缩机负载转矩的方法，其特征在于：S3步骤中的转矩前馈补偿电流量iC为：iC＝i0+i1sin(ωt+θ1)+i2sin(2ωt+θ2)+…+i10sin(10ωt+θ10)；其中，i0...i10为转矩前馈补偿电流幅值、θ1...θ10为补偿角度、ω为电角速度；t为时间。
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