CN112360790B - 风机风量控制方法和装置以及空调系统 - Google Patents

风机风量控制方法和装置以及空调系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种风机风量控制方法和装置以及空调系统，涉及风机控制领域。在风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将预设转矩作为指令转矩，根据指令转矩确定指令电流，根据电机的三相电流确定反馈电流，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，相当于对电机的输出转矩进行控制，使得电机的输出转矩相对于指令转矩的差距不断缩小直至小于预设差距，保证风机负载能适应管道静压的变化，避免客户端送风量出现大幅衰减，不需要借助专门的传感器就能够实现对风机恒风量的控制。

Description

风机风量控制方法和装置以及空调系统
技术领域
本公开涉及风机控制领域，特别涉及一种风机风量控制方法和装置以及空调系统。
背景技术
在空调系统中，送风量的减少会使室内空气的温度和湿度分布的均匀性和稳定性受到影响,影响人体舒适感；送风量的增大会使得室内用户感到气流流动,降低室内环境的舒适度。
根据用户需求、安装现场和安装条件的不同，风机实际安装的送风管道的尺寸不同，例如，送风管道的长度和直径不同。送风管道的尺寸不同，会产生不同的风阻条件，造成送风管道的实际静压与设计静压可能存在较大差异。
在一些相关技术中，利用静压传感器实时监控送风管道内的静压，根据静压变化调节风机的转速，达到送风量基本恒定的控制效果。
在另一些相关技术中，利用速度传感器实时监控送风管道内的风速，根据风速变化调节风机的转速，达到送风量基本恒定的控制效果。
发明人发现，相关技术的风机的恒风量控制方案，需要在送风管道内安装专门的传感器，从而，造成成本高，占用空间较大，安装和维修比较麻烦。
发明内容
为了解决上述问题，本公开实施例提出一种无传感器的风机风量控制方案。
本公开一些实施例提出一种风机风量控制方法，包括：风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将所述预设转矩作为指令转矩；根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，其中，所述指令电流根据所述指令转矩确定，所述反馈电流根据电机的三相电流确定。
在一些实施例中，该方法还包括：风机启动后，在选择当前档位相应的预设转矩的同时，选择当前档位相应的预设转速；在对电机的运行进行控制之前，将风机的电机的当前转速与用来判定补偿的转速阈值进行比较，并根据比较结果对所述预设转矩进行补偿，并将补偿后的预设转矩作为指令转矩，其中，所述转速阈值根据所述预设转速和预设的滞回转速确定。
在一些实施例中，所述转速阈值包括转速上限阈值和转速下限阈值；根据比较结果对所述预设转矩进行补偿包括：如果风机的电机的当前转速大于转速上限阈值，对所述预设转矩进行负补偿；如果风机的电机的当前转速小于转速下限阈值，对所述预设转矩进行正补偿。
在一些实施例中，所述转速上限阈值为所述预设转速与所述滞回转速之和；所述转速下限阈值为所述预设转速与所述滞回转速之差；其中，所述滞回转速是可配置的。
在一些实施例中，所述负补偿的单次补偿量为-ΔT，所述正补偿的单次补偿量为+ΔT，其中，ΔT表示预设的补偿转矩。
在一些实施例中，风机的电机的当前转速基于电机的三相电流利用观测器技术进行估算确定。
在一些实施例中，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，包括：对反馈电流相对于指令电流的差距进行比例积分运算；根据比例积分运算结果对脉冲调制的开关管的占空比进行调节，输出脉冲调制波；以及将脉冲调制波经由逆变器输入给电机，对电机的运行进行控制。
在一些实施例中，所述反馈电流根据电机的三相电流确定，包括：将电机的三相电流ia、ib、ic变换得到α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ，并将α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ变换得到作为反馈电流的d-q两相电机转子旋转坐标系下的电流id、iq。
在一些实施例中，所述指令电流根据所述指令转矩确定，包括：根据电机的转矩与q轴电流的对应关系，确定所述指令转矩对应的q轴电流，将所述指令转矩对应的q轴电流和预设的d轴电流确定为所述指令电流。
本公开一些实施例提出一种风机风量控制装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行任一些实施例的风机风量控制方法。
本公开一些实施例提出一种空调系统，包括：
风机，所述风机包括电机；
采样装置，被配置为对电机的三相电流进行采样，用于确定反馈电流；以及
风机风量控制装置；
其中，所述采样装置与所述电机和所述风机风量控制装置分别电连接。
在一些实施例中，空调系统还包括：连接在所述风机风量控制装置与所述电机之间的逆变器。
本公开一些实施例提出一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一些实施例的风机风量控制方法的步骤。
本公开实施例，在风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将预设转矩作为指令转矩，根据指令转矩确定指令电流，根据电机的三相电流确定反馈电流，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，相当于对电机的输出转矩进行控制，使得电机的输出转矩相对于指令转矩的差距不断缩小直至小于预设差距，保证风机负载能适应管道静压的变化，避免客户端送风量出现大幅衰减，不需要借助专门的传感器就能够实现对风机恒风量的控制。此外，考虑到实际负载的复杂性和不确定性，通过前馈转矩补偿方式，根据电机的当前转速实时修正电机的指令转矩，使电机输出转矩最大效率利用，同时弥补了电机本体参数差异导致的转速控制偏差，不需要借助专门的传感器就能够保证风机负载环境变化的时候风量稳定不衰减。
附图说明
下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。根据下面参照附图的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本公开一些实施例的空调系统的示意图。
图2示出了永磁同步电机的工作原理示意图。
图3示出了两相定子静止坐标系和转子旋转坐标系的示意图。
图4示出了本公开一些实施例的风机风量控制方法的流程示意图。
图5示出了本公开另一些实施例的风机风量控制方法的流程示意图。
图6示出本公开一些实施例的风机风量控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1示出了本公开一些实施例的空调系统的示意图。
如图1所示，该实施例的空调系统100包括：风机的电机110，采样装置120，风机风量控制装置130，以及，逆变器140等。其中，采样装置120与电机110和风机风量控制装置130分别电连接，逆变器140连接在风机风量控制装置130与电机110之间。
风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，是一种从动的流体机械。风机除了包括电机110，还包括叶轮、传动件等，具体可以参考相关技术，这里不再赘述。
电机(Electric machinery)110是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，可以作为用电器或各种机械的动力源。图1示出了一种永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor，简称PMSM)，是指一种转子用永久磁铁代替绕线的同步电机。
图2示出了永磁同步电机的工作原理示意图。
如图2所示，永磁同步电机看作是定子的旋转磁场与转子旋转磁场相互作用的结果，图2中有两个坐标系，一个是转子旋转坐标系d-q轴；另一个三相电机定子静止坐标系A-B-C轴(可以转换成α-β轴相互垂直的两相定子静止坐标系)，转子可以看作是励磁电流if的作用以转速wr旋转，定子可以看作是励磁电流is的作用以转速ws旋转，定子的合成矢量用S表示。根据电磁转矩的计算公式：T＝P0·ψf×iq，其中，P0是电机的极对数(常数)，Ψf是励磁电流if的作用产生的磁链，由于转子是永磁转子，if＝0,Ψf变成常数，因此，电磁转矩的公式变成：T＝K×iq，其中，K是一个常数，因此，永磁同步电机的电磁转矩T只与q轴电流有关。
图3示出了两相定子静止坐标系和转子旋转坐标系的示意图。
如图3所示，α-β两相电机定子静止坐标系中的α轴和β轴相互垂直，d-q两相电机转子旋转坐标系中的d轴和q轴相互垂直，α-β两相电机定子静止坐标系与d-q两相电机转子旋转坐标系的夹角是θ。
采样装置120被配置为对电机的三相电流(ia，ib，ic)进行采样，用于确定反馈电流(id，iq)，如果有需要，还可以对直流母线的电压进行采样。后续会具体描述反馈电流的确定方法。
风机风量控制装置130能够通过对电机110的控制实现对风机风量的控制。风机风量控制装置130例如包括电流模型、PI(Proportional Integral，比例积分)控制、SVPWM(Space vector pulse width modulation，空间矢量脉宽调制)、转速反馈、转矩补偿等功能或功能模块。其中，如果不需要转矩补偿功能，风机风量控制装置130中可以不设置转速反馈、转矩补偿的功能或功能模块，如果需要转矩补偿功能，空间矢量脉宽调制设置转速反馈、转矩补偿的功能或功能模块。电流模型包括Clark变换、Park变换、Park反变换、转速位置观测器等功能或功能模块。其中，“Clark变换”将电流从三相电机定子静止坐标系变换到α-β两相电机定子静止坐标系，即，从(ia，ib，ic)变换到(iα，iβ)；“Park变换”将电流从α-β两相电机定子静止坐标系变换到d-q两相电机转子旋转坐标系，即，从(iα，iβ)变换到(id，iq)；“Park反变换”将电压从d-q两相电机转子旋转坐标系变换到α-β两相电机定子静止坐标系，即，从(Ud，Uq)变换到(Uα，Uβ)。“转速位置观测器”能够通过电机的电流、电压等电信号对电机的转速和位置等信息进行估计，相关的观测器技术例如包括反电动势观测器、滑模观测器、以及其他观测器技术等。“PI控制”是对输入的信号进行比例和积分的运算。SVPWM是对脉冲调制的开关管的占空比进行调节，输出脉冲调制波。风机风量控制装置130中的部分或全部的功能或功能模块可以基于数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)处理器实现。后续会结合风机风量控制装置130中的各个功能或功能模块具体描述风机风量控制方法。
逆变器14是把直流电转变成定频定压或调频调压的交流电的转换器，例如，由逆变桥、控制逻辑和滤波电路等组成，具体可以参考相关技术，这里不再赘述。
图4示出了本公开一些实施例的风机风量控制方法的流程示意图。
如图4所示，该实施例的风机风量控制方法包括：步骤410-420。
在步骤410，风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将预设转矩作为指令转矩。
其中，不同的档位对应不同的预设转矩。
在步骤420，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，其中，指令电流根据指令转矩确定，反馈电流根据电机的三相电流确定。
在一些实施例中，根据电机的三相电流确定反馈电流，包括：通过Clark变换，将电机的三相电流ia、ib、ic变换得到α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ，并通过Park变换，将α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ变换得到作为反馈电流的d-q两相电机转子旋转坐标系下的电流id、iq。
在一些实施例中，根据指令转矩确定指令电流，设为(id’，iq’)，包括：如前，电机的转矩与q轴电流有对应关系，因此，根据电机的转矩与q轴电流的对应关系，确定指令转矩对应的q轴电流，将指令转矩对应的q轴电流和预设的d轴电流(d轴电流例如设置为0)确定为指令电流。
在一些实施例中，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，包括：步骤421-423。
在步骤421，通过PI控制功能或功能模块，对反馈电流(id，iq)相对于指令电流(id’，iq’)的差距进行比例积分运算，得到电压(Ud，Uq)，还可以通过Park反变换功能或功能模块，将电压从d-q两相电机转子旋转坐标系变换到α-β两相电机定子静止坐标系，即，从(Ud，Uq)变换到(Uα，Uβ)。
在步骤422，通过SVPWM功能或功能模块，根据比例积分运算结果并结合直流母线电压，对脉冲调制的开关管的占空比进行调节，输出脉冲调制波。
在步骤423，将脉冲调制波经由逆变器输入给电机，对电机的运行进行控制。
如前，电机的转矩与q轴电流有对应关系，因此，根据反馈电流相对于指令电流的差距对电机的运行进行控制，相当于根据电机的输出转矩相对于指令转矩的差距对电机的运行进行控制。从而，在负载相对稳定的情况下，电机的输出转矩恒定不变；在负载变化的情况下，通过闭环调节不断缩小转矩误差，直至输出转矩同指令转矩保持一致，达到转矩稳定控制的效果。
在风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将预设转矩作为指令转矩，根据指令转矩确定指令电流，根据电机的三相电流确定反馈电流，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，相当于对电机的输出转矩进行控制，使得电机的输出转矩相对于指令转矩的差距不断缩小直至小于预设差距，保证风机负载能适应管道静压的变化，避免客户端送风量出现大幅衰减，不需要借助专门的传感器就能够实现对风机恒风量的控制。
图5示出了本公开另一些实施例的风机风量控制方法的流程示意图。
如图5所示，该实施例的风机风量控制方法包括：步骤410-420。
在步骤510，风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩和预设转速。
其中，不同的档位对应不同的预设转矩和不同的预设转速。
在步骤520，将风机的电机的当前转速与用来判定补偿的转速阈值进行比较，并根据比较结果对预设转矩进行补偿，并将补偿后的预设转矩作为指令转矩，其中，转速阈值根据预设转速和预设的滞回转速确定。
其中，如前，风机的电机的当前转速可以基于电机的三相电流利用观测器技术进行估算确定。待风机启动一段时间t1运行稳定后，再确定风机的电机的当前转速。
在一些实施例中，转速阈值包括转速上限阈值和转速下限阈值；转速上限阈值为预设转速Nset与滞回转速ΔN之和，即，Nset+ΔN；转速下限阈值为预设转速Nset与滞回转速ΔN之差，即，Nset-ΔN；其中，滞回转速ΔN是可配置的。
在一些实施例中，根据比较结果对预设转矩进行补偿包括：步骤521-523。
在步骤521，如果风机的电机的当前转速大于转速上限阈值，对预设转矩进行负补偿。
在一些实施例中，如果风机的电机的当前转速大于转速上限阈值，且持续第二时间t2，再对预设转矩进行负补偿，避免过于频繁的负补偿。
负补偿的单次补偿量为-ΔT，ΔT表示预设的补偿转矩，是可配置的。
在计算机程序设计时，负补偿的公式可以表示为Tset＝Tset-ΔT，其中，在＝右边的Tset表示补偿前的转矩，在＝左边的Tset表示补偿后的转矩，ΔT表示预设的补偿转矩。其中，在第一次补偿时，在＝右边的Tset是预设转矩，在第二次补偿以及后续的补偿时，在＝右边的Tset是前一次补偿后的转矩。
在步骤522，如果风机的电机的当前转速小于转速下限阈值，对预设转矩进行正补偿。
在一些实施例中，如果风机的电机的当前转速小于转速下限阈值，且持续第三时间t3，再对预设转矩进行正补偿，避免过于频繁的正补偿。
正补偿的单次补偿量为+ΔT，ΔT表示预设的补偿转矩，是可配置的。
在计算机程序设计时，正补偿的公式可以表示为Tset＝Tset+ΔT，其中，在＝右边的Tset表示补偿前的转矩，在＝左边的Tset表示补偿后的转矩，ΔT表示预设的补偿转矩。其中，在第一次补偿时，在＝右边的Tset是预设转矩，在第二次补偿以及后续的补偿时，在＝右边的Tset是前一次补偿后的转矩。
在步骤523，如果风机的电机的当前转速不大于转速上限阈值、且不小于转速下限阈值，本次不进行补偿，采用当前转矩运行。
在步骤530，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，其中，指令电流根据指令转矩确定，反馈电流根据电机的三相电流确定。指令电流和反馈电流具体确定方法参数前述，这里不再赘述。
在一些实施例中，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，包括：步骤531-533。
在步骤531，通过PI控制功能或功能模块，对反馈电流(id，iq)相对于指令电流(id’，iq’)的差距进行比例积分运算，得到电压(Ud，Uq)，还可以通过Park反变换功能或功能模块，将电压从d-q两相电机转子旋转坐标系变换到α-β两相电机定子静止坐标系，即，从(Ud，Uq)变换到(Uα，Uβ)。
在步骤532，通过SVPWM功能或功能模块，根据比例积分运算结果并结合直流母线电压，对脉冲调制的开关管的占空比进行调节，输出脉冲调制波。
在步骤533，将脉冲调制波经由逆变器输入给电机，对电机的运行进行控制。
在图4所示实施例的效果的基础上，考虑到实际负载的复杂性和不确定性，通过前馈转矩补偿方式，根据电机的当前转速实时修正电机的指令转矩，使电机输出转矩最大效率利用，同时弥补了电机本体参数差异导致的转速控制偏差，不需要借助专门的传感器就能够保证风机负载环境变化的时候风量稳定不衰减。
图6示出本公开一些实施例的风机风量控制装置的结构示意图。
如图6所示，该实施例的风机风量控制装置130包括：存储器610以及耦接至该存储器610的处理器620，处理器620被配置为基于存储在存储器610中的指令，执行前述任意一些实施例中的风机风量控制方法。
其中，存储器610例如可以包括系统存储器、固定非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)以及其他程序等。
本公开一些实施例提出一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任意一些实施例中的风机风量控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应当明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用非瞬时性存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种风机风量控制方法，其特征在于，包括：
风机启动后，选择当前档位相应的预设转矩，并将所述预设转矩作为指令转矩，选择当前档位相应的预设转速；
将风机的电机的当前转速与用来判定补偿的转速阈值进行比较，所述转速阈值包括转速上限阈值和转速下限阈值，并根据比较结果对所述预设转矩进行补偿，如果风机的电机的当前转速大于转速上限阈值，对所述预设转矩进行负补偿，如果风机的电机的当前转速小于转速下限阈值，对所述预设转矩进行正补偿，并将补偿后的预设转矩作为指令转矩；
根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，以便控制风机的风量，使得反馈电流相对于指令电流的差距不断缩小直至小于预设差距，其中，所述指令电流根据所述指令转矩确定，所述反馈电流根据电机的三相电流确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转速阈值根据所述预设转速和预设的滞回转速确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述转速上限阈值为所述预设转速与所述滞回转速之和；
所述转速下限阈值为所述预设转速与所述滞回转速之差；
其中，所述滞回转速是可配置的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述负补偿的单次补偿量为-ΔT，
所述正补偿的单次补偿量为+ΔT，
其中，ΔT表示预设的补偿转矩。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
风机的电机的当前转速基于电机的三相电流利用观测器技术进行估算确定。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，根据反馈电流相对于指令电流的差距，对电机的运行进行控制，包括：
对反馈电流相对于指令电流的差距进行比例积分运算；
根据比例积分运算结果对脉冲调制的开关管的占空比进行调节，输出脉冲调制波；以及
将脉冲调制波经由逆变器输入给电机，对电机的运行进行控制。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，
所述反馈电流根据电机的三相电流确定，包括：
将电机的三相电流ia、ib、ic变换得到α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ，并将α-β两相电机定子静止坐标系下的电流iα、iβ变换得到作为反馈电流的d-q两相电机转子旋转坐标系下的电流id、iq；
或者，所述指令电流根据所述指令转矩确定，包括：
根据电机的转矩与q轴电流的对应关系，确定所述指令转矩对应的q轴电流，将所述指令转矩对应的q轴电流和预设的d轴电流确定为所述指令电流。
8.一种风机风量控制装置，包括：
存储器；以及
耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行权利要求1-7中任一项所述的风机风量控制方法。
9.一种空调系统，包括：
风机，所述风机包括电机；
采样装置，被配置为对电机的三相电流进行采样，用于确定反馈电流；以及
权利要求8所述的风机风量控制装置；
其中，所述采样装置与所述电机和所述风机风量控制装置分别电连接。
10.根据权利要求9所述的空调系统，其特征在于，还包括：
连接在所述风机风量控制装置与所述电机之间的逆变器。
11.一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的风机风量控制方法的步骤。
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