CN111030543A - 直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法 - Google Patents

直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，涉及压缩机启动技术领域，解决了常见目前大多数位置估算方法无法在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息，导致电机无法实现安全可靠直接从静止状态启动和超低速运行的问题，其技术方案要点是，包括以下步骤：将误差电流值经比例增益和可变带宽的低通滤波器以获得估算电角速度；将估算电角速度运算以获得估算位置角；将估算电角速度运算以获得估算转速；根据估算位置角和位置估算转速以控制压缩机闭环运行，达到可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行、以及低通滤波器的带宽能够随着转速的变化而变换的目的。

Description

直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法
技术领域
本发明涉及压缩机启动技术领域，特别涉及直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法。
背景技术
变频空调行业使用到的电机为永磁同步电机(简称PMSM)，变频空调压缩机目前行业采用转子式压缩机，其特点是相对于风机较长的风轮，同等功率的压缩机和风机相比，压缩机的转动惯量明显低于风机。此外压缩机的负载为媒介为冷媒，负载取决于吸气和排气的压力差，正常启动下，负载随着转速的变大而逐渐变大。
永磁同步电机控制算法一般都是矢量控制算法，也就是磁场定向控制算法(简称FOC)。所以压缩机也采用是FOC控制。FOC控制算法由坐标变换、电流采样和重构、位置估算、速度环调节器、电流环调节器、空间矢量调制(简称SVPWM)构成。其中最核心的算法当属位置估算算法和压缩机的启动方案。常用的位置估算算法有磁链位置估算、滑膜位置估算、高频注入法位置估算、模型参考自适应位置估算等等。
常用的启动方案为传统三步启动法：第一步为转子预定位，即给定电压矢量和角度，强制转子转到给定的位置；第二步为开环启动，即给定一个逐渐加速的旋转电压矢量，强制电机转动起来；第三步为闭环运行，即在第二步基础上，电机转动到一定转速，即可读出电机的电压电流等信号通过位置估算信号，求出电机的位置角和转速，通过一定方法切入闭环运行状态。
在没有上述三个步骤过程的情况下，目前大多数位置估算方法无法在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息，导致电机无法实现安全可靠直接从静止状态启动和超低速运行(低于300rpm)。因此现有的位置估算算法并不能支持压缩机能够直接从零速进入闭环启动，并且启动后能够正常运行。
发明内容
本发明的目的是提供直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，具有在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息的目的，使得电机能够安全可靠地直接从静止状态启动并超低速运行，可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行，低通滤波器的带宽能够随着转速的变化而变换的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，包括以下步骤：
A、设定有初始估算电角速度α1，并获取有D轴实际电压值、Q轴实际电压值；将所述初始估算电角速度α1、D轴实际电压值及Q轴实际电压值进行运算以获取有初始误差电流值；将所述初始误差电流值经比例增益模块及可变带宽的低通滤波器处理后，获取有第一估算电角速度αn；
B、根据所得第一估算电角速度αn进行运算以获取有第一估算位置角及第一估算转速；所得第一估算位置角和第一估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机闭环运行启动；
C、将所得第一估算电角速度αn替代初始估算电角速度α1，以此进行步骤A的重复运算及处理，以获取有实时估算电角速度αn+1；
D、根据所得实时估算电角速度αn+1进行运算以获取有实时估算位置角及实时估算转速；所得实时估算位置角和实时估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机持续闭环运行。
通过采用上述技术方案，目前大多数位置估算方法无法在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息，导致电机无法实现安全可靠直接从静止状态启动和超低速运行(低于300rpm)。虽然业界也有一些闭环启动方法的出现，但也存在一些缺陷，例如采用高频注入法的位置估算法可以零速或低速找到电机位置信息，但是高频注入法依赖电机的凸极性，同时算法复杂，引入太多的带通滤波器和信号处理算法，动态性能差，且不适合压机高速运行。
但本方案由于IdReg＝0时仍可正常工作，因此启动时管路应力和震动很小，启动负载能力强制，启动可靠性高，对压机参数依赖性弱等优点。本方案采用Id＝0控制策略，即设置IdReg＝0，FOC为电流环和速度环双环控制系统，实现了在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息的目的，使得电机能够安全可靠地直接从静止状态启动并超低速运行(低于300rpm)，可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行，期间无定位和开环阶段，并且已经应用到变频空调压缩机的产品上，实现了产品量产。
本方案是基于模型参考自适应进行改进后得到的一种新的位置估算算法，将经过本方案改进后的位置估算算法应用于压缩机后，可以实现压缩机的从静止零速状态闭环直接启动，并且使其能够稳定可靠地正常运行。
本发明的进一步设置，于步骤B或D中，其相应的估算转速和估算电角速度换算关系为：
Figure BDA0002317954940000031
其中SpdEst为估算转速，We^为估算电角速度，P为压缩机的极对数。
本发明的进一步设置，步骤B或D中，其相应的估算电角速度通过进行积分运算以获得有相应的估算位置角。
本发明的进一步设置，于步骤A或C中，将D轴实际电压值、Q轴实际电压值和相应的估算电角速度进行运算，运算后获得D轴估算电流值和Q轴估算电流值；对D轴估算电流值、Q轴估算电流值和D轴实际电流值、Q轴实际电流值进行运算，运算后获得有相应的误差电流值。
本发明的进一步设置，于步骤A或C中，通过公式1：
Figure BDA0002317954940000041
以运算获取D轴估算电流值和Q轴估算电流值，其中
Figure BDA0002317954940000042
其中Lq为压缩机交轴Q的电感量、Ld为压缩机交轴D的电感量，RS为压缩机的绕组相电阻，Flx为压缩机的转子磁链。
本发明的进一步设置，于步骤A或C中，通过公式2：
Figure BDA0002317954940000043
以运算获取误差电流值；Ld为压缩机交轴D的电感量，Flx为压缩机的转子磁链。
本发明的进一步设置，于步骤A或C中，所述可变带宽的低通滤波器的带宽与参考目标转速的关系为：
Figure BDA0002317954940000044
其中Wc为带宽，P为压缩机的极对数。
本发明的进一步设置，于步骤A或C中，所述D轴实际电压值和Q轴实际电压值由D轴调制电压值、Q轴调制电压值以及直流母线电压值运算后获取。
通过采用上述技术方案，传统模型参考自适应是误差电流是需要PI调节器后直接得到估算电角速度，但本方案通过采用比例增益模块和一阶低通滤波器代替PI调节器，同时本方案的低通滤波器带宽为实时可变的带宽，进而使得带宽能够随着转速的变化而变换。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、实现了在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息的目的；
2、使得电机能够安全可靠地直接从静止状态启动并超低速运行；
3、可大量生产并应用于空调压缩机产品；
4、可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行，期间无定位和开环阶段；
5、本方案的低通滤波器带宽为实时可变的带宽，进而使得带宽能够随着转速的变化而变换。
总的来说，本发明实现了在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息的目的，使得电机能够安全可靠地直接从静止状态启动并超低速运行，可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行，低通滤波器的带宽能够随着转速的变化而变换。
附图说明
图1为应用本发明中位置估算方法后的压机FOC控制算法Simulink仿真图；
图2为图1中对应各个变量的名称及说明的表格；
图3为本发明改进后的位置估算原理框图；
图4为本发明计算估算电流的原理框图；
图5为本发明计算误差电流原理框图；
图6为本发明使用MATLAB获得的实际仿真波形图；
图7所示为通过PC监控软件检测压机从静止零速状态启动到目标转速的曲线；
图8所示为通过是示波器实测压机从静止零速状态启动到目标转速的压机相电流波形图；
图9所示为通过示波器实测压机稳定运行在300rpm(5HZ)的压机相电流波形图(带转矩补偿功能)；
图10所示为通过示波器实测压机稳定运行在3600rpm(60HZ)的压机相电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例：
直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，包括以下步骤：
A)设定有初始估算电角速度α1，并获取D轴调制电压值、Q轴调制电压值及直流母线电压值，并经过运算后分别获得D轴实际电压值和Q轴实际电压值；
将D轴实际电压值、Q轴实际电压值和相应的估算电角速度进行运算，运算后获得D轴估算电流值和Q轴估算电流值；对D轴估算电流值、Q轴估算电流值和D轴实际电流值、Q轴实际电流值进行运算，运算后获得有相应的误差电流值。将所述初始估算电角速度α1、D轴实际电压值及Q轴实际电压值进行运算以获取有初始误差电流值；本步骤通过公式2：
Figure BDA0002317954940000071
以运算获取误差电流值；Ld为压缩机交轴D的电感量，Flx为压缩机的转子磁链。
本步骤通过公式1：
Figure BDA0002317954940000072
以运算获取D轴估算电流值和Q轴估算电流值，其中
Figure BDA0002317954940000073
其中Lq为压缩机交轴Q的电感量、Ld为压缩机交轴D的电感量，RS为压缩机的绕组相电阻，Flx为压缩机的转子磁链。
将所述初始误差电流值经比例增益模块及可变带宽的低通滤波器处理后，获取有第一估算电角速度αn；
关于初始估算电角速度α1的设定，在本实施例中，初始角度从0开始，即初始估算电角速度α1从0开始，为了降低误差，待电角速度经过一个周期后即可估算得到准确的角度值，如图6所示，但不仅限于此，初始角度从0开始并非必须的，亦可从非0角度值开始。
电角度即位置角，其是由电角速度积分得到的，所以只要估算出电角速度的值We^就可以求出位置角。电角速度We^估算值由改进模型参考自适应算法得到，整个改进模型参考自适应算法为闭环控制系统，即如图3所示；如建模图4所示，电机模型的电流估算值和实际压机的电流值的误差电流经过比例增益及低通滤波器后得到We^。当误差电流接近于0时，说明建立的模型和实际压机模型误差接近，所以估算的转速和位置角也和实际压机转速和转子位置角误差接近为0，这是位置估算的原理。整个估算过程的速度由比例增益决定，实际系统比例增益作为一个参数需要根据不同压机进行调节。比例增益越大，估算速度越快，电流误差收敛于0的速度越快，系统动态性能越好，但抗干扰变差，实际系统需要现场调节一个合适的值。
本算法在压缩机实际初始位置角在360度内均可以实现可靠的启动，因为本算法估算的位置角会收敛于实际的位置角，直至误差接近于0。在刚开始启动时，估算的角度和实际的位置角度是有偏差的，但是误差会逐渐变小，如图6所示，估算的位置角和实际的位置角逐渐重合，此时角度误差接近于0。误差是否收敛，以及收敛的速度取决于比例增益模块Kmras。实际应用需要根据不同压机调试Kmras的值，直到系统得以可靠启动为止。
在本步骤中，可变带宽的低通滤波器的带宽与参考目标转速的关系为：
Figure BDA0002317954940000081
其中Wc为带宽，P为压缩机的极对数。SpdReg是压机参数目标转速值，所以Wc是与压机参考目标转速值成正比关系。带宽Wc单位的为rad/s，参考转速SpdReg的单位为rpm，其换算关系为HZ＝rpm/60,rad/s＝2×π×HZ＝2×π×rpm/60，电和机械的关系是乘以极对数P，所以得出公式：
Figure BDA0002317954940000082
B)根据所得第一估算电角速度αn进行运算以获取有第一估算位置角及第一估算转速；第一估算电角速度αn进行积分运算以获得估算位置角；积分运算为本技术领域惯用的技术手段，因此不作进一步描述。所得第一估算位置角和第一估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机闭环运行启动；
其中，第一估算转速和第一估算电角速度αn换算关系为：
Figure BDA0002317954940000083
Figure BDA0002317954940000091
其中SpdEst为估算转速，We^为相对应的估算电角速度，P为压缩机的极对数。
其中，步骤A至步骤B为本方法的初始启动过程。
C)将所得第一估算电角速度αn替代初始估算电角速度α1，以此进行步骤A至B的重复运算及处理，以获取有实时估算电角速度αn+1；其中A步骤中的D轴实际电压值、Q轴实际电压值为实时变化的数值，每次重复步骤A都需重新获得；
D)根据所得实时估算电角速度αn+1进行运算以获取有实时估算位置角及实时估算转速；所得实时估算位置角和实时估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机持续闭环运行。
其中，步骤C和D为本方法的闭环运行过程。
目前大多数位置估算方法无法在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息，导致电机无法实现安全可靠直接从静止状态启动和超低速运行(低于300rpm)。虽然业界也有一些闭环启动方法的出现，但也存在一些缺陷，例如采用高频注入法的位置估算法可以零速或低速找到电机位置信息，但是高频注入法依赖电机的凸极性，同时算法复杂，引入太多的带通滤波器和信号处理算法，动态性能差，且不适合压机高速运行。
在本实施例中，低通滤波器为一阶低通滤波器，但不仅限于此，可实现相同或近似功能的滤波器均可。图2为图1中对应各个变量的名称及说明的表格，图1为压机FOC控制算法Simulink仿真图；图1是根据图2中表格所示的内容，在仿真工具MATLAB中建立变频空调压缩机FOC仿真模型(如图2所示)，用于验证本方案所提出的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法的正确性。
本方案由于IdReg＝0时仍可正常工作，因此启动时管路应力和震动很小，启动负载能力强制，启动可靠性高，对压机参数依赖性弱等优点。其次，本方案采用Id＝0控制策略，即设置IdReg＝0，其中FOC为电流环和速度环的双环控制系统，实现了在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息的目的，使得电机能够安全可靠地直接从静止状态启动并超低速运行(低于300rpm)，可以实现压缩机从静止零速状态直接闭环启动和正常运行，期间无定位和开环阶段，并且已经应用到变频空调压缩机的产品上，实现了产品量产，可有效地促进变频空调压缩机的技术发展。
关于FOC原理：
根据图1所示内容，在仿真工具MATLAB中建立变频空调压缩机FOC仿真模型，以用来验证本实施例提出的算法的正确性。其中图1中各个变量均在图2中有相对应的说明。
具体原理图如图1和图2所示，其中，本方案采用Id＝0控制策略，即IdReg＝0，用户设定目标转速经过斜坡限制后输出值，位置估算模块经过低通滤波器后的输出时间反馈转速(SpdFbk)，参考转速(SpdReg)和时间反馈转速(SpdFbk)相比较后输出误差转速，然后经过PI调节器后输出Q轴目标转矩电流(IqReg)，IqReg、IdReg分别和实际反馈Q轴实际电流误差、D轴实际电流误差电流经过PI调节器输出Q轴、D轴的调制电压Vq和Vd，在经过坐标变换和SVPWM调制输出6路PWM驱动逆变器。由于现有技术中，误差电流是通过PI调节器后输出的，因此只能获得高转速小位置角，不能实现闭环启动功能。
通过本实施例可以实现压缩机从静止的零速状态直接闭环启动，且可以稳定可靠的运行在高转速至低转速的范围内，因此具有很强的实用性，同时本方案提出的方法可使得本方案只有1个闭环处于运行状态，相比于传统的三步启动(如背景技术所描述的)，通过采用本方案可实现无需通过转子定位阶段和开环阶段，还具有启动管路震动小、低噪音、启动电流小和平滑，进而便于减小启动电流应力，其次还具有启动可靠性高等优点。
本方案是基于模型参考自适应进行改进后得到的一种新的位置估算算法，将经过本方案改进后的位置估算算法应用于压缩机后，可以实现压缩机的从静止零速状态闭环直接启动的目的，并且使其能够稳定可靠地正常运行。
图6为根据上述原理利用MATLAB实际仿真波形图，其中包括压机位置角、转速、电流的波形图，图6是通过图2建立的仿真模型的基础上，结合采用图3、图4、图5原理搭建的仿真平台所得出的。
从仿真结果看，本方案提出的方法可以实现转速从零速闭环直接启动和稳定运行，估算角度误差满足设计要求，并且启动时压机的电流平滑、可靠。
通过采用上述技术方案，传统模型参考自适应是误差电流需要通过PI调节器后直接得到估算电角速度，但本方案通过采用比例增益和可变带宽的一阶低通滤波器便可代替PI调节器，同时本方案的低通滤波器带宽为实时可变的带宽，进而使得带宽能够随着转速的变化而变换，即可变带宽滤波器的带宽设置与压机的转速成正比关系，随着转速升高而变大。
实测过程：
首先根据上述原理，编写代码程序；然后选用GMCC压缩机；其中，本实施例选取了单转子稀土压机，其额定参数为：极对数为3，压机载频为6KHZ，压机绕组相电阻RS＝1.225Ω，直轴电感Ld＝8.7mH，交轴电感Lq＝12mH，线发现系数Flx为68.2V/krpm(换算Flx＝0.1253V·s)。
实测结果：图7至图10是经过上述实测过程后的实测结果示意图。
图7所示为通过PC监控软件检测压机从静止零速状态启动到目标转速的曲线；
图8所示为通过是示波器实测压机从静止零速状态启动到目标转速的压机相电流波形图；
图9所示为通过示波器实测压机稳定运行在300rpm(5HZ)的压机相电流波形图(带转矩补偿功能)；
图10所示为通过示波器实测压机稳定运行在3600rpm(60HZ)的压机相电流波形图。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、设定有初始估算电角速度α1，并获取有D轴实际电压值、Q轴实际电压值；将所述初始估算电角速度α1、D轴实际电压值及Q轴实际电压值进行运算以获取有初始误差电流值；将所述初始误差电流值经比例增益模块及可变带宽的低通滤波器处理后，获取有第一估算电角速度αn；
B、根据所得第一估算电角速度αn进行运算以获取有第一估算位置角及第一估算转速；所得第一估算位置角和第一估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机闭环运行启动；
C、将所得第一估算电角速度αn替代初始估算电角速度α1，以此进行步骤A的重复运算及处理，以获取有实时估算电角速度αn+1；
D、根据所得实时估算电角速度αn+1进行运算以获取有实时估算位置角及实时估算转速；所得实时估算位置角和实时估算转速输入至直流变频空调压缩机中以控制该直流变频空调压缩机持续闭环运行。
2.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于步骤B或D中，其相应的估算转速和估算电角速度换算关系为：
Figure FDA0002317954930000011
其中SpdEst为估算转速，We^为估算电角速度，P为压缩机的极对数。
3.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，步骤B或D中，其相应的估算电角速度通过进行积分运算以获得有相应的估算位置角。
4.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于步骤A或C中，将D轴实际电压值、Q轴实际电压值和相应的估算电角速度进行运算，运算后获得D轴估算电流值和Q轴估算电流值；对D轴估算电流值、Q轴估算电流值和D轴实际电流值、Q轴实际电流值进行运算，运算后获得有相应的误差电流值。
5.根据权利要求4所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于步骤A或C中，通过公式1：
Figure FDA0002317954930000021
以运算获取D轴估算电流值和Q轴估算电流值，其中
Figure FDA0002317954930000022
其中Lq为压缩机交轴Q的电感量、Ld为压缩机交轴D的电感量，RS为压缩机的绕组相电阻，Flx为压缩机的转子磁链。
6.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于步骤A或C中，通过公式2：
Figure FDA0002317954930000023
以运算获取初始误差电流值；Ld为压缩机交轴D的电感量，Flx为压缩机的转子磁链。
7.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于步骤A或C中，所述可变带宽的低通滤波器的带宽与参考目标转速的关系为：
Figure FDA0002317954930000024
其中Wc为带宽，P为压缩机的极对数。
8.根据权利要求1所述的直流变频空调压缩机的零速闭环启动方法，其特征在于，于所述步骤A或C中，所述D轴实际电压值和Q轴实际电压值由D轴调制电压值、Q轴调制电压值以及直流母线电压值运算后获取。
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