CN111212980B - 用于压缩机应用的闭环扭矩补偿 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方案包括具有处理器和机器可读介质的马达控制器，该介质包括指令，该指令在由处理器加载和执行时使处理器用于以下操作：接收马达的估计或感测的速度；从估计或感测的速度提取机械频率分量；将机械频率变换到机械频率下的直接正交(DQ)域中；将机械频率控制为零；以及基于所控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。

Description

用于压缩机应用的闭环扭矩补偿

技术领域

本公开涉及压缩机，并且更具体地说，涉及用于压缩机应用的闭环扭矩补偿。

背景技术

马达驱动的压缩机被用于多种应用(诸如冷却和制冷)。压缩机利用其中的多种马达，包括利用永磁同步马达(PMSM)或内部永磁同步马达(IPMSM)马达及其变型。压缩机中的马达的占空比通常可以为45％。在低速模式中的压缩机的典型占空比可以为70％，并且此类压缩机的有效低速占空比可以为31％。例如，在给定小时中，可以将压缩机开启约27分钟(对应于60分钟的45％)。在这27分钟之外，压缩机可以以低速运行约19分钟(对应于27分钟的70％)，使低速压缩机的有效占空比在一小时中为19分钟、或为31％。

磁场定向控制可以使用与q坐标对准的扭矩分量和与d坐标对准的通量分量。如本文所用，术语磁场定向控制和矢量控制可以互换使用。通过d、q坐标系中的投影所进行的扭矩的控制可以被变换为a、b、c坐标系，反之亦然。因此，可以通过控制定子电流或电压矢量的扭矩分量来进行扭矩控制。马达的电压、电流和通量可以根据复数空间矢量来分析。定子电流空间矢量及其在(a,b,c)中的分量，其中(a,b,c)为三相系统轴线。这个空间矢量可以包括三相正弦系统。在这个空间矢量中表示的值可以在两个步骤中变换到(d,q)系统：从(a,b,c)坐标到输出双坐标时变系统的(α,β)集合(也称为Clarke变换)。然后，可以将(α,β)集合变换到输出双坐标时不变系统的(d,q)集合(也称为Park变换)。矢量控制实施方式可以假设不接地马达具有平衡的三相电流，使得仅需要感测两个马达电流相位。在矢量控制中，AC感应或同步马达在类似分开激励的DC马达的所有操作条件下被控制。也就是说，AC马达的行为类似DC马达，其中由相应磁场和电枢(或扭矩分量)电流产生的磁场通量链(fieldflux linkage)和电枢通量链正交地对准成使得当扭矩被控制时，磁场通量链不受影响，因此使动态扭矩能够响应。矢量控制可以因此生成来源于复数电压矢量的三相PWM马达电压输出，以通过在三相速度和时间相关系统与这些矢量的旋转参照系双坐标时不变系统之间来回的投影或旋转来控制源自马达的三相定子电流输入的复数电流矢量。

发明内容

本公开的实施方案包括制造制品。制造制品包括机器可读介质。该介质包括指令，该指令在由处理器加载和执行时使处理器用于以下操作：接收马达的估计或感测的速度；从该估计或感测的速度提取机械频率分量；将机械频率变换到机械频率下的直接正交(DQ)域中；将机械频率控制为零；以及基于控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。在与上述实施方案的任一个组合中，可以进一步使处理器通过将控制的、处于零的机械频率转换成处于电频率下的DQ域来生成阻尼信号。在与上述实施方案的任一个组合中，可以进一步使处理器将控制的机械频率向前馈送以进行下一次控制迭代。在与上述实施方案的任一个组合中，可以进一步使处理器将所转换的、处于零的机械频率向前馈送到处于电频率下的DQ域以进行下一次控制迭代。在与上述实施方案的任一个组合中，可以进一步使处理器通过使用陷波滤波器、高通滤波器-低通滤波器、块平均滤波器或二阶广义积分器来从估计或感测的速度提取机械频率分量。在与上述实施方案的任一个组合中，可以进一步使处理器在DQ域中通过对提取的纹波执行比例积分(PI)循环来计算补偿。

本公开的实施方案可以包括马达控制器。马达控制器可以包括处理器和上述任何制造制品。

本公开的实施方案可以包括压缩机。压缩机可以包括马达和上述任何马达控制器。

本公开的实施方案可以包括系统。系统可以包括马达和上述任何马达控制器。

本公开的实施方案可以包括由任何马达控制器、压缩机、系统或实行上述指令来执行的方法。本公开的实施方案可以包括以下方法：接收马达的估计或感测的速度；从该估计或感测的速度提取机械频率分量；将机械频率变换到机械频率下的DQ域中；将机械频率控制为零；以及基于控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。该方法可以进一步包括通过将控制的、处于零的机械频率转换成在电频率下的DQ域来生成阻尼信号。该方法可以进一步包括将所转换的、处于零的机械频率向前馈送到在电频率下的DQ域以进行下一次控制迭代。该方法可以进一步包括将控制的机械频率向前馈送以进行下一次控制迭代。该方法可以进一步包括通过应用合适的滤波器从估计或感测的速度提取机械频率分量。该方法可以进一步包括通过在DQ域中对提取的纹波执行PI循环来计算补偿。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的用于具有马达的扭矩补偿的磁场定向控制(FOC)的系统的框图。

图2A和图2B是用于其他解决方案中的扭矩补偿的说明。

图3是根据本公开的实施方案的扭矩补偿的计算的框图。

图4是根据本公开的实施方案的用于扭矩补偿的二阶积分器块的更详细的视图。

图5和图6示出了当与其中不执行主动扭矩补偿的相同实施方案相比时，本公开的实施方案的性能的结果。

具体实施方式

图1是根据本公开的实施方案的用于马达的磁场定向控制(FOC)的系统100的框图。FOC控制可以是马达102。马达102可以包括例如变速马达。变速马达可以是三相电动马达。马达102可以包括PMSM或IPMSM马达。马达102可以为例如压缩机提供动力。

系统100可以包括马达控制器106。马达控制器106可以被配置成控制马达102的操作。马达控制器106可以被配置成通过向电桥104发出控制信号来控制马达102的操作。电桥104可以被实现为例如3相电桥。电桥104可以以模拟和数字电路的任何合适的组合来实现。电桥104可以被配置成接收三个电压信号V_a、V_b和V_c作为控制信号。电桥104可以被配置成向马达102发出电流信号i_a和i_b。电流信号i_a和i_b可以被馈送回到马达控制器106中。

马达控制器106可以以任何合适的方式(诸如通过模拟电路、数字电路、存储在机器可读介质上用于由处理器执行的指令或其任何合适的组合)实现。马达控制器106被示出为马达控制器106可以被配置为执行的操作的逻辑框图。

马达控制器106可以控制由矢量(诸如作为控制信号的电压信号V_a、V_b和V_c)表示的马达102的定子电流。由马达控制器106执行的FOC控制可以包括投影，以在以d、q(直接或微分和正交)坐标表示的双坐标时不变系统与以a、b和c坐标表示的三相时间和速度相关系统之间变换数据和计算。

例如，马达控制器106可以被配置成对要发送到电桥104用于马达102的控制的信号执行比例积分(PI)控制。马达控制器106的输出——V_a、V_b和V_c——可以在矢量空间中表示。

机械频率基准(ω_ref)可以被传递到比较器、微分器或其他机构中，以确定机械频率参考值与马达102的测量或计算的机械频率之间的差值。机械频率基准可以来自不同的微控制器或者操作马达控制器106的同一微控制器的固件中的不同部分。机械频率基准的值的范围可能取决于压缩机设计和所用的气体。实际值取决于各种因素(诸如在设定温度和实际温度、环境温度方面的差异等)。

结果可以被传递到PI控制，该PI控制可以将结果作为i_{q ref}发送。这个结果可以表示DQ域中的电流的扭矩分量。可以生成i_{d ref}。这可以是DQ域中的电流的通量分量，并且可以通过组合来自每安培的最大转矩(MTPA)例程和弱磁块(FW)的基准来生成。两者中较小的可以被设置为i_{d ref}。

该i_{q ref}可以被传递到比较器、微分器或其他机构中，以确定i_{q ref}基准与马达102的测量或计算的i_q之间的差值。类似地，i_{d ref}可以被传递到比较器、微分器或其他机构中，以确定i_{d ref}基准和马达102的测量或计算的i_d之间的差值。比较的结果可以被传递到相应PI控制操作中。比较的结果可以是相应V_d和V_q值。这些可以代表电压的扭矩和通量分量或如在DQ域中表示的占空比。

在一个实施方案中，V_d和V_q可以被传递到扭矩补偿108例程中。扭矩补偿108可以被配置成在系统100中以另外方式提供阻尼。扭矩补偿108可以包括加法器或其他机构，以利用相应基准值(诸如V_{q_Trq}和V_{d_Trq})来调节V_q和V_d的相应值。这些基准值V_{d_Trq}和V_{q_Trq}是额外的、要被添加到由电流PI控制器生成的的电压或占空比上的电压或占空比。这种添加的目的是抵消和最小化振动。

该结果可以传递到变换例程中，以将(d,q)域中的数据变换到(a,b,c)域。此类例程可以包括到(α,β)域中的中间变换。可以应用空间矢量调制来产生V_a、V_b和V_c的对应值。这些可以被应用于电桥104。电桥104(使用控制信号)可以向马达102生成i_a、i_b和i_c电流值。这些相同的i_a、i_b和i_c值可以被输入回到马达控制器106中。马达控制器106可以包括进一步的变换例程，以将(a，b，c)域中的数据变换到(d，q)域中。此类例程可以包括到(α,β)域中的中间变换。最终的i_q和i_d值可以传递到比较器。

马达控制器106可以包括位置和速度感测以及估值例程112。这些可以用于感测或估计马达102的转子位置。这些可以被馈送回到用于在(d,q)域与(a,b,c)域之间变换的例程中。在一个实施方案中，马达102的转子位置的感测或估计可以被馈送到机械频率移除例程110。这些可以被配置成从频率测量移除机械频率。在从马达102的操作测量时，速度可以包括预期速度(也称为“dc”)加上纹波或机械频率。在应用于陷波滤波器或二阶广义积分器(SOGI)时，这个速度可以产生纹波或机械频率。另外，在机械频率下应用于高通、低通滤波器时，这个速度可以产生纹波或机械频率。此外，在应用于平均块时，这个速度可以产生预期速度。使用这些操作，预期速度和纹波可以被分离。例如，例程112可以产生预期速度和波纹的组合。下面将更详细讨论，块304可以单独产生纹波。块110可以单独产生预期速度。对于反馈，可能仅需要恒定的、预期的速度。因此，块110可以移除纹波并且产生预期速度。

例如，在其中操作马达102的系统操作期间，可以出现机械频率。例如，当马达102被配置成操作压缩机时，该压缩机可以压缩气体，将气体推出腔室，然后强制地吸入下一个待压缩的气体样本。这些步骤可以在马达102的单次机械旋转中发生。每当马达102在这种旋转或循环期间为压缩提供动力时，马达102上可能存在高扭矩负载。每当马达102正吸入气体时，马达102上可能存在低扭矩负载。这是在机械频率下的循环负载，由于这发生在马达102的转子的一个完整的机械旋转过程中。由于扭矩是脉动的，所以扭矩可能会影响速度。马达102的操作可能希望以恒定速度执行。然而，因为反作用力在变化，这可能导致在相同机械频率下的速度变化。因此，这个速度变化可以从实际速度提取和减去，从而从反馈中移除速度的机械频率分量。这可以例如在机械频率例程110中实现。

相应地，在FOC期间，马达控制器106可以利用补偿例程108执行扭矩补偿。本公开的实施方案包括压缩机中的扭矩补偿。扭矩补偿可以在模拟电路、数字电路、由存储在机器可读介质中的处理器执行的指令或其任何合适的组合中实现。这些实施方案可以在例如用于压缩机马达的控制器或固件中实现。

由本公开的实施方案执行的具有逆变器的主动扭矩补偿可以提高使用压缩机(诸如冰箱或空调)的最终产品的可靠性。另外，可以提高在以低速操作的同时的效率。控制器可以减少压缩机的机械振动，特别是以低速操作时。减少的机械振动可以允许压缩机以较低速度安全操作，并且因此以较高效率成功地操作较长的持续时间。

非变频驱动压缩机在装置(诸如空调或冰箱)中作为控制室温的“开/关”设备工作。然而，变频驱动压缩机可以以任何速度运行。变频驱动压缩机可能需要长时间以低速运行。因为扭矩当与较高速度相比时，低速可能会导致额外的机械振动。以低速可能存在较高振动，因为压缩机的惯性可以削弱其对较高速度的响应。这些振动会导致诸如管中的破裂问题。

图2A和图2B示出了扭矩补偿的其他解决方案的操作。在其他解决方案中，可以执行扭矩补偿，其中将V_{d_Trq}设置为零。如果已知，V_{q_Trq}可以作为扭矩-机械角度曲线应用，并且如果未知，可以作为具有50％占空比的方波应用。这些值可以存储在例如查找表中。这可能会引起几个副作用。对于多极对马达，机械角度可能未知。查找表需要是可用的，并且对于所涉及的特定马达是准确的。方波补偿中的V_{q_Trq}的幅度需要调谐。另外，对于不同的负载和电机，幅度需要进行调谐。当没有可用的查找值并且使用方波时，必须选择方波的振幅，并且这个选择可能不准确。

图3是示出根据本公开的实施方案的扭矩补偿的计算的框图。图3示出了计算要在图1中的例程108中使用的Vd_Trq和Vq_Trq的例程的示例实现。扭矩补偿计算可以是闭环的。可以执行扭矩补偿来提取在给定机械频率下的速度的估计中的纹波。可以对DQ域中提取的纹波执行PI循环。纹波可能包括意外或不需要的周期性信号。对于给定速度，可以期望恒定或一致的信号。干扰此类恒定信号的时变、周期性信号可以被称为“纹波”。压缩机或其他机械设备可能由于机械操作而生成意外的频率分量，该频率分量在机械频率下发生。术语纹波和机械频率分量可以互换。因为速度可以包括与dc分量组合的纹波，所以速度可能表现为具有偏移的正弦波。偏移可以是dc值，并且正弦波的频率可以是由电频率和极对给出的机械频率。

首先，可以在估计的速度例程302中计算估计的速度。这可以由估计器块来执行。该估计可以来自例如图1中的例程112。在一些实施方案中，可以使用检测或感测的速度。

接下来，例程304可以产生速度的纹波或机械频率分量。可以计算块平均值。滤波器(诸如陷波滤波器、高通滤波器-低通滤波器、块平均滤波器或二阶积分器)可以用于寻找纹波。纹波的频率可以被提供给二阶积分器块306。陷波滤波器的陷波可以对应于所利用的带通滤波器的频率响应。dc分量可以被滤除，并且纹波可以通过。

二阶积分器块306可以执行九十度相移加DQ。图4中示出了块306的更详细的操作。在移位块中，一个信号被馈送到移位块中，并且两个信号作为输出被接收——一个与输入同相并且另一个相对于输入移位90度。这两个信号可以通过Park变换获取，以变换到DQ域。该结果可以在308中被否定，并且然后在310中可以执行PI。根据该结果，在框312中可以获得机械到电气的框架值。

图4是根据本公开的实施方案的来自图3的二阶积分器块306的更详细的视图。

在404处，纹波的频率被输入到该块中。发现了纹波的输入频率与先前确定的输出之间的差值。在404处，阻尼系数可以由此计算或应用。在406处，再次计算先前确定的频率之间的差值，并且将该结果馈送到机械频率操作408，并且然后馈送到积分器410中。积分器410的输出是输出频率。该输出还被馈送到另一积分器412中，然后被馈送到另一机械频率操作414，并且被馈送回到在406处的差值计算中。

在机械频率操作408、414中，该输入可以乘以机械频率。机械频率可以被计算为电频率或极对数。随着电频率的变化，机械频率也随之变化。

积分器410的输出可以被标为ω_rα。机械频率计算414的输出可以被标为ω_rβ。这些输出是在机械频率下的“α(alpha)”和“β(beta)”域中表示的速度。

扭矩补偿可以分两个阶段执行。第一阶段可以包括从速度反馈中消除机械频率分量，以便于生成扭矩电流基准。第二阶段可以包括主动地使在机械频率下的速度为零。相应地，采取估计或测量的速度，该估计或测量的速度可以通过给出在α-β域中在机械频率下的速度的二阶积分器。然后，α-β域的速度通过Park变换块获取，在机械频率下该Park变换块将其转换成DQ域速度。这现在通过PI以在机械频率下生成DQ域电压或占空比。由于马达控制器106可以在电频率下，所以机械频率可以被变换成电频率。该V_{d_Trq}和V_{q_Trq}可能有所帮助，同时反馈机械频率消除减少振动。

因此，扭矩补偿可以通过首先从估计的速度提取机械频率分量来执行。然后，机械频率可以被变换到机械频率下的DQ域中。可以将机械频率控制为零。然后，用于机械频率的DQ域值可以被转换到在电频率下的DQ域。这些量可以被向前馈送到所施加的电压。这些量可以用于抑制或补偿扭矩。所施加的电压可以用于抑制或补偿扭矩。

在各种实施方案中，可以使用电流代替电压。例如，可以使用电流基准和所施加的电流来代替电压基准和所施加的电压。

图3至图4中执行的闭环扭矩补偿不需要使用扭矩位置曲线图用于进行补偿，诸如图2中的那些。相应地，本公开的实施方案可以更容易地应用于各种压缩机和压缩机马达，这些压缩机和压缩机马达中的每一个可以具有不同的扭矩-位置曲线图。这些实施方案与不同的马达兼容，并且需要最小的调谐。

图5和图6示出了当与其中不执行主动扭矩补偿的相同实施方案相比时，本公开的实施方案的性能的结果。在图5中，显示了在以每分钟转数表示的各种马达速度下的振动测量值。如图1、图3和图4中执行的，此类测量值显示了有和没有扭矩补偿的情况。如图所示，共振可能以较高速度发生。因此，在一些实施方案中，扭矩补偿算法可能仅以较低速度应用。在共振频率下，扭矩补偿可能会放大振动，而不是抑制振动。因此，马达控制器106可以被配置成在速度范围内，或者在共振频率或共振频率范围内选择性地关闭高于速度阈值的转矩补偿。

在图6中，呈现了振动分析图。在图的左集合602中，呈现了没有扭矩补偿的振动分析。在图的右集合604中，呈现了有扭矩补偿的振动分析。这些分析可以以每分钟500转来执行。

针对每种情况示出了振动606、610。在振动606、610的每一个中，有两个频率存在——一个高频和在低频下的包络。较高频率的振动可能是由风扇振动引起的。由于风扇振动引起的较高频率可能源于有助于将热量传递到外部大气的风扇。低频包络可能是由于压缩机的机械振动引起的。马达控制器106可以被配置成解决由于压缩机的机械振动而引起的低频包络。比较集合602、604，在集合604中的压缩机振动显著地降低。

对于集合中的每一个也示出了相电流608、612。在没有扭矩补偿的情况下，相电流608经历高谐波。相反，具有扭矩补偿的相电流612经历了降低的谐波。

示出了FFT 614、616。FFT 614、616中的每一个可以是振动606、610的相应FFT。在FFT 614、616中的每一个中存在两个峰值。第一峰值对应于风扇振动。第二峰值对应于压缩机振动。如图所示，风扇峰值保持相同，而压缩机峰值由于扭矩补偿已经降低。

已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其具体示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对具体示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。

Claims (21)

1.一种马达控制器，包括：

处理器；和

机器可读介质，所述介质包括指令，所述指令在由所述处理器加载和执行时使所述处理器用于以下操作：

接收马达的估计或感测的速度；

从所述估计或感测的速度提取机械频率分量；

将所述机械频率变换到机械频率下的直接正交(DQ)域中；

将所述机械频率控制为零；以及

基于所控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。

2.根据权利要求1所述的马达控制器，进一步包括指令，所述指令用于使所述处理器用于以下操作：

通过将所控制的、处于零的机械频率转换成在电频率下的DQ域来生成所述阻尼信号。

3.根据权利要求2所述的马达控制器，进一步包括用于使所述处理器将所述将所转换的、处于零的机械频率向前馈送到在电频率下的DQ域以进行下一次控制迭代的指令。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的马达控制器，进一步包括用于使所述处理器将所控制的机械频率向前馈送以进行下一次控制迭代的指令。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的马达控制器，进一步包括用于使所述处理器通过应用陷波滤波器从所述估计或感测的速度提取所述机械频率分量的指令。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的马达控制器，进一步包括用于在反馈所述马达的速度和位置时，从所述马达的所述速度和所述位置移除所述机械频率以用于下一次执行马达控制的指令。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的马达控制器，进一步包括用于使所述处理器通过对DQ域中提取的纹波执行比例积分(PI)循环来计算补偿的指令。

8.一种制造制品，所述制造制品包括机器可读介质，所述介质包括指令，所述指令在由处理器加载和执行时使所述处理器用于以下操作：

接收马达的估计或感测的速度；

从所述估计或感测的速度提取机械频率分量；

将所述机械频率变换到机械频率下的直接正交(DQ)域中；

将所述机械频率控制为零；以及

基于所控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。

9.根据权利要求8所述的制品，进一步包括指令，所述指令用于使所述处理器以下操作：

通过将所控制的、处于零的机械频率转换成在电频率下的DQ域来生成所述阻尼信号。

10.根据权利要求9所述的制品，进一步包括用于使所述处理器将所转换的、处于零的机械频率向前馈送到在电频率下的DQ域以进行下一次控制迭代的指令。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的制品，进一步包括用于使所述处理器将所控制的机械频率向前馈送到以进行下一次控制迭代的指令。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的制品，进一步包括用于使所述处理器通过应用陷波滤波器从所述估计或感测的速度提取所述机械频率分量的指令。

13.根据权利要求8至10中任一项所述的制品，进一步包括用于在反馈所述马达的速度和位置时，从所述马达的所述速度和所述位置移除所述机械频率以用于下一次执行马达控制的指令。

14.根据权利要求8至10中任一项所述的制品，进一步包括用于使处理器在DQ域中通过对提取的纹波执行比例积分(PI)循环来计算补偿的指令。

15.一种用于在马达中补偿扭矩的方法，包括：

接收所述马达的估计或感测的速度；

从所述估计或感测的速度提取机械频率分量；

将所述机械频率变换到所述机械频率下的直接正交(DQ)域中；

将所述机械频率控制为零；以及

基于所控制的机械频率生成用于扭矩的阻尼信号。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括通过将所控制的、处于零的机械频率转换成在电频率下的DQ域来生成所述阻尼信号。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将所述所转换的、处于零的机械频率向前馈送到在电频率下的DQ域以进行下一次控制迭代。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括将所控制的机械频率向前馈送以进行下一次控制迭代。

19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括通过应用陷波滤波器从所述估计或感测的速度提取所述机械频率分量。

20.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括，在反馈所述马达的速度和位置时，从所述马达的所述速度和所述位置移除所述机械频率以用于下一次执行马达控制。

21.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括通过在DQ域中对提取的纹波执行比例积分(PI)循环来计算补偿。

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