CN110995110B - 一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统及方法，该系统主要包括扩张状态观测器、TD微分跟踪器、准PR控制器和SPWM逆变器。将定子电流和动子位移作为输入量，通过扩张状态观测器获得系统扰动和电机动子速度，将获得的速度信号和位移信号输入跟踪微分器，通过跟踪微分器获得动子的谐振频率，然后将速度信号作为给定信号，将电流信号作为跟踪信号，通过PR控制器进行反馈控制，并通过前馈补偿的形式对控制量进行修正，实现了单相永磁直线压缩机抗扰动的谐振控制。本发明通过扩张状态观测器观测系统内外扰动，并对控制量进行前馈补偿，抗外界扰动能力强，跟踪谐振频率精度高，可实现无静差跟踪。

Description

一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及单相永磁直线电机控制领域，具体来说涉及一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着对制冷性能的要求越来越高，单相永磁直线电机应用于在制冷领域的应用越来越广泛。永磁直线电机省去了常规的旋转电机转化为直线运动的机械机构，所以具有高效、低噪音、结构紧凑、易于控制等优点。制冷用压缩机将机械弹簧置于单相永磁直线电机中，共同组成一个谐振系统，通过控制算法使系统工作频率和共振频率一致，使系统效率最高，提高单相永磁直线压缩机单位时间的制冷能力。压缩机工作过程中，压缩机两侧的气体力会发生变化，随着制冷压缩机长时间工作，气体温度也会升高，这些都会对系统产生扰动，使系统谐振频率偏移，导致谐振跟踪效果不理想，造成系统效率降低和动子装缸问题。

目前市场上的制冷用永磁直线压缩机一般是利用共振原理工作，所以通过控制单相逆变系统的频率和工作电压，实现系统效率的最大化。通过动态跟踪系统的谐振频率可以提高系统的效率和稳定性，所以谐振频率跟踪成为直线压缩机的主要研究热点。目前大部分谐振跟踪算法主要基于系统谐振时电流超前于位移90度的特点，采用锁相环或者相角检测等方法获得位移和电流之间夹角，然后通过PI控制器将夹角控制为90度。但这些算法存在计算量大、系统存在跟踪静差以及抗外界扰动能力差等问题。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制方法，本方法具有扰动观测补偿、谐振频率计算和无静差跟踪等优点，通过扩张状态观测器观测系统扰动，提高了系统抗负载和外界扰动能力，然后通过跟踪微分器获得系统谐振频率，并将系统谐振频率输入PR控制器，实现电流对速度的无静差跟踪，大幅提高了单相永磁直线压缩机的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统，包括：

扩张状态观测器，用于根据被控对象的输出信号生成被控对象的系统状态估计值z₁和z₂、以及系统扰动估计值z₃，其中z₁为动子位移估计值，z₂为动子速度估计值，z₃为系统内外扰动估计值；

TD微分跟踪器，用于根据系统状态估计值z₁和z₂获得系统谐振频率ω₀；

PR控制器，用于根据系统谐振频率和动子速度估计值z₂获取控制量u；

SPWM逆变器，用于将直流电压逆变为幅值和频率可调的交流信号；

被控对象的输出端与扩张状态观测器的输入端连接，扩张状态观测器的z₁、z₂量输出端分别与TD微分跟踪器的输入端连接，速度设定值、扩张状态观测器的z₂量输出端分别与第一减法器的输入端连接，第一减法器的输出端、TD微分跟踪器的输出端分别与PR控制器的输入端连接，PR控制器的输出端、扩张状态观测器的z₃量输出端分别与第二减法器的输入端连接，第二减法器的输出端经限位器与SPWM逆变器连接。

作为本发明的优选，所述PR控制器采用准PR控制器，其传递函数表达式如下：

其中，ω_c为准PR控制器的带宽频率，K_p为准PR控制器的比例增益，K_r为PR控制器的谐振增益，ω₀为系统谐振频率。

针对上述控制系统，本发明还公开了一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制方法，包括如下步骤：

(1)通过采样电阻获得单相永磁电机定子电流i_s，通过位移传感器获得动子位移x；将定子电流i_s和动子位移x作为扩张状态观测器的输入，将内外扰动扩张为新的变量W；通过扩张状态观测器获得动子位移x的估计值z₁、动子速度v的估计值z₂和系统扰动W的估计值z₃；

(2)将扩张状态观测器观测的动子速度v的估计值z₂和动子位移x的估计值z₁输入TD跟踪微分器，获得动子的谐振频率ω₀；

(3)将步骤(2)得到的谐振频率ω₀作为PR控制器的谐振频率，并将动子速度的设定值与估计值的差值作为跟踪量，获得控制量u；将PR控制器的输出量经过扰动补偿和限幅后送到SPWM逆变器，驱动单相永磁直线电机，使驱动频率和动子振动频率相一致。

作为本发明的优选，所述的步骤(1)中通过以下公式获得动子速度v的估计值z₂和内外扰动W的估计值z₃：

e＝z₁-x,fe＝fal(e,0.5,δ),fe₁＝fal(e,0.25,δ)

z₁＝z₁+h(z₂-β₀₁e)

z₂＝z₂+h(z₃-β₀₂fe+b₀u)

z₃＝z₃+h(-β₀₃fe₁)

其中：e为动子位移的估计值和反馈值x之间的误差，z₁为动子位移的估计值，z₂为动子速度的估计值，z₃为内外扰动的估计值，β₀₁、β₀₂和β₀₃为增益参数，h为步长参数，b₀为补偿因子，δ为采样周期，u为控制量；

其中fal函数为：

其中，ψ表示阶数。

作为本发明的优选，所述的步骤(2)中通过以下公式计算获得动子谐振频率ω₀：

根据永磁直线压缩机工作时速度和位移均为正余弦信号，设z₁(τ)＝bsin(ω₀τ)，所以z₂(τ)＝bω₀cos(ω₀τ)，

其中，z₁(τ)为τ时刻动子位移信号，z₂(τ)为τ时刻扩张状态观测器估算出来的动子的速度信号，τ为大于零的自然数。

本发明具备的有益技术效果如下：

(1)本发明通过扩张状态观测器观测系统扰动，不仅可以观测系统内外部扰动，还可以观测动子速度；将动子位移和电流作为扩张状态观测器的输入，将未知扰动作为新的扩张量，估算出动子速度和系统内外扰动，并进行前馈补偿，极大的提高了系统的抗负载和外界抗扰动能力。

(2)本发明谐振频率估算采用跟踪微分器，不仅可以快速估算出谐振频率，还可以滤除位移信号中的噪声信号，提高了抗干扰能力。

(3)本发明通过PR控制器实现系统电流无静差跟踪速度信号，解决了PI控制器跟踪正弦信号存在稳态误差和抗干扰能力差的问题，提高了系统的跟踪精度和抗干扰能力，大幅提高了单相永磁直线压缩机的工作效率，具有结构简单、计算量小和鲁棒性强的特点。

附图说明

图1为单相永磁直线压缩机的结构示意图；

图2为本发明的一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统的结构示意图；

图3为本发明扰动估算模块的结构框图；

图4为PR控制器的结构框图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实施例电机系统由直流电源1、直流母线电容2、SPWM逆变器3、采样电阻5、单相永磁直线压缩机4、位移反馈9和控制器8等组成。控制器采用DSP(如TI公司的TMS320F28066等)。

如图2所示为本发明一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统，主要由扩张状态观测器、TD微分跟踪器、PR控制器、SPWM逆变器组成。被控对象的输出端与扩张状态观测器的输入端连接，扩张状态观测器的z₁、z₂量输出端分别与TD微分跟踪器的输入端连接，速度设定值、扩张状态观测器的z₂量输出端分别与第一减法器的输入端连接，第一减法器的输出端、TD微分跟踪器的输出端分别与PR控制器的输入端连接，PR控制器的输出端、扩张状态观测器的z₃量输出端分别与第二减法器的输入端连接，做差后实现对控制量的补偿；第二减法器的输出端经限位器与SPWM逆变器连接，驱动单相永磁直线压缩机在系统谐振频率处振荡。

一种单相永磁直线压缩机抗扰动控制方法，执行于图2所述的控制系统，包括如下步骤：

通过采用电阻采集定子电流i_s，并通过位移传感器获得动子位移x，把动子位移和定子电流信号送给扩张状态观测器，扩张状态器估算出动子速度v和系统扰动W。本发明扰动估算模块的结构框图如图3所示。

上述速度和扰动估算的具体实施过程如下：

建立单相永磁同步直线压缩机机械运动方程：

其中：m为动子质量，

为等效阻尼系数，包括动子移动的摩擦系数和压缩机内气体的等效阻尼系数，K为等效弹性系数，α为电磁力系数，W为系统外部和内部扰动力。

将系统的数学模型写成状态方程的形式：

令u＝i_s，

将

作为综合扰动，获得新的状态方程：

则系统的三阶离散式扩张状态观测器为：

则误差和前馈补偿为：

其中x^*(k)为动子位移给定值，x(k)为位置反馈；x₁(k)、v₂(k)为位移的跟踪信号和速度信号；b₀为扰动补偿系数；z₁(k)、z₂(k)为观测的动子位移和速度信号；z₃(k)/b₀为系统内外扰动的估算补偿值；

将步骤获得的动子位移z₁和速度信号z₂送入TD跟踪微分器，获得动子振动频率ω₀。

由于对于正余弦信号，

单相永磁直线压缩机是一个受迫振动的物理过程，当动子运动频率和驱动频率一致时，产生共振，此时系统效率最高，在电流一定情况下位移最大；系统工作时，动子速度的相角比电流的相角落后θ，

其中ω为系统驱动频率，ω₀为系统此时的谐振频率，

为等效阻尼系数，所以当系统谐振时，ω＝ω₀，所以速度和电流夹角为零，所以可以通过控制电流跟踪速度信号实现谐振控制。

为了消除系统的静态误差和提高动态性能，动子位置环采用准PR控制器，准PR控制器既可以保持PR控制器的高增益，还可以有效减小谐振频率偏移对位移跟踪的影响。准PR控制器在跟踪其他频率的正弦信号时具有和PI控制器相同性能，在跟踪频率出具有无穷大增益，从而使得可以对指定频率实现无差跟踪，而且准PR控制器。图4为准PR控制器的算法结构框图，其传递函数为：

其中，ω_c为准PR控制器的带宽频率，K_p为准PR控制器的比例增益，K_r为PR控制器的谐振增益，ω₀为系统谐振频率。

根据单相永磁直线压缩机工作在谐振状态时效率最高，所以将PR控制器谐振频率设定为动子振动频率，将速度量作为输入量，通过PR控制器实现电流信号对速度信号的无静差跟踪。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以对本方案进行修改或者替换，而不脱离本发明技术方案和原理，这些均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统的控制方法，其特征在于，所述的单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统包括：扩张状态观测器、TD微分跟踪器、PR控制器和SPWM逆变器；被控对象的输出端与扩张状态观测器的输入端连接，扩张状态观测器的z₁、z₂量输出端分别与TD微分跟踪器的输入端连接，速度设定值、扩张状态观测器的z₂量输出端分别与第一减法器的输入端连接，第一减法器的输出端、TD微分跟踪器的输出端分别与PR控制器的输入端连接，PR控制器的输出端、扩张状态观测器的z₃量输出端分别与第二减法器的输入端连接，第二减法器的输出端经限位器与SPWM逆变器连接；

所述PR控制器采用准PR控制器，其传递函数表达式如下：

其中，ω_c为准PR控制器的带宽频率，K_p为准PR控制器的比例增益，K_r为PR控制器的谐振增益，ω₀为系统谐振频率；

所述的控制方法包括如下步骤：

(1)通过采样电阻获得单相永磁电机定子电流i_s，通过位移传感器获得动子位移x；将定子电流i_s和动子位移x作为扩张状态观测器的输入，将内外扰动扩张为新的变量W；通过扩张状态观测器获得动子位移x的估计值z₁、动子速度v的估计值z₂和系统扰动W的估计值z₃；

(2)将扩张状态观测器观测的动子速度v的估计值z₂和动子位移x的估计值z₁输入TD跟踪微分器，获得动子的谐振频率ω₀；

(3)将步骤(2)得到的谐振频率ω₀作为PR控制器的谐振频率，并将动子速度的设定值与估计值的差值作为跟踪量，获得控制量u；将PR控制器的输出量经过扰动补偿和限幅后送到SPWM逆变器，驱动单相永磁直线电机，使驱动频率和动子振动频率相一致。

2.根据权利要求1所述的单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)中通过以下公式获得动子速度v的估计值z₂和内外扰动W的估计值z₃：

e＝z₁-x,fe＝fal(e,0.5,δ),fe₁＝fal(e,0.25,δ)

z₁＝z₁+h(z₂-β₀₁e)

z₂＝z₂+h(z₃-β₀₂fe+b₀u)

z₃＝z₃+h(-β₀₃fe₁)

其中：e为动子位移的估计值和反馈值x之间的误差，z₁为动子位移的估计值，z₂为动子速度的估计值，z₃为内外扰动的估计值，β₀₁、β₀₂和β₀₃为增益参数，h为步长参数，b₀为补偿因子，δ为采样周期，u为控制量；

其中fal函数为：

其中，ψ表示阶数。

3.根据权利要求1所述的单相永磁直线压缩机抗扰动控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中通过以下公式计算获得动子谐振频率ω₀：

根据永磁直线压缩机工作时速度和位移均为正余弦信号，设z₁(τ)＝bsin(ω₀τ)，所以z₂(τ)＝bω₀cos(ω₀τ)，

其中，z₁(τ)为τ时刻动子位移信号，z₂(τ)为τ时刻扩张状态观测器估算出来的动子的速度信号，τ为大于零的自然数。

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