CN113067483A - 母线电容小型化电机驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种母线电容小型化电机驱动控制方法，属于电机驱动技术领域。本发明针对现有空调压缩机的驱动方法中，母线电容上两倍电网频率的纹波电流造成母线电容容量需求增加的问题。包括：采用整流单元对交流电源的电源电压进行全波整流，整流后输入电压通过功率因数矫正电路进行母线电压提升和功率因数矫正，并通过母线电容使母线电压保持为相对稳定的直流母线电压，然后采用逆变桥单元实现直流母线电压到交流电压的逆变，最后输出交流电压驱动压缩机；采集电源电压、直流母线电压和压缩机三相电流，通过控制器进行计算获得功率因数矫正电路控制信号和逆变桥单元控制信号，实现转矩电流波形的调整，使母线电容的纹波电流减小。本发明可实现母线电容小型化。

Description

母线电容小型化电机驱动控制方法

技术领域

本发明涉及母线电容小型化电机驱动控制方法，属于电机驱动技术领域。

背景技术

家用空调的输入为交流电网，电网电压频率为50Hz或60Hz。交流电压通过整流和功率因数矫正电路(PFC)控制后成为直流电；在直流侧通过大容量的电解电容稳定直流电压，然后通过逆变桥给空调压缩机供电。由于电网电压为交流电，电网侧电流在PFC的作用下，成为与交流电压同步的交流电，这导致交流输入功率大幅波动，波动频率为两倍电网电压频率。

现有空调压缩机的驱动方法中，交流输入功率大幅波动，波动频率为两倍电网电压频率，而压缩机输出功率基本维持恒定，导致母线电解电容上有两倍电网频率的纹波电流，该纹波电流使母线电解电容发热，造成母线电容的容量需求增加，因而增加了系统成本。

发明内容

针对现有空调压缩机的驱动方法中，母线电解电容上两倍电网频率的纹波电流造成母线电容容量需求增加的问题，本发明提供一种母线电容小型化电机驱动控制方法。

本发明的一种母线电容小型化电机驱动控制方法，包括，

采用整流单元对交流电源的电源电压进行全波整流，整流后输入电压通过功率因数矫正电路进行母线电压提升和功率因数矫正，并通过母线电容使母线电压保持为相对稳定的直流母线电压，然后采用逆变桥单元实现直流母线电压到交流电压的逆变，最后输出交流电压驱动压缩机；

采集电源电压、直流母线电压和压缩机三相电流，通过控制器进行计算获得功率因数矫正电路控制信号和逆变桥单元控制信号，从而实现转矩电流波形的调整，使母线电容的纹波电流减小。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，获得逆变桥单元控制信号的方法包括：

根据采集的电源电压相位，获得转矩波形函数：

w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)，

式中w_f为转矩波形调节量；K为补偿系数，在0-2之间，0表示完全不补偿，2表示充分补偿；ω_g为电源电压角速度，t为时间。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，所述转矩波形函数的获得方法包括：

设定注入转矩波形调节量前母线输出电流为I_cout，注入转矩波形调节量后目标母线输出电流为I’_cout：

I’_cout＝2*I_cout*sin²(ω_gt)，

目标母线输出电流I’_cout跟随母线输入电流波动；

引入补偿系数K控制目标母线输出电流I’_cout的波动：

I’_cout＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]，

当目标母线输出电流I’_cout如上式波动时，输出功率P_cout为：

P_cout＝I’_cout*U_dc＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]*U_dc，

式中U_dc为直流母线电压；

输出功率P_cout与q轴实际电流i_q的关系式为：

式中P1为压缩机极对数、ω_e为压缩机实际运行速度、k_e为电机反电动势常数；

进而得到转矩波形函数w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，补偿系数K根据驱动器腔体温度自动调节，随腔体温度的升高而变大；所述驱动器腔体为容纳包括整流单元、功率因数矫正电路、母线电容、逆变桥单元及控制器的腔体。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，获得逆变桥单元控制信号的方法还包括：

将压缩机速度指令

和压缩机实际运行速度ω_e做差得到差值Δω_e，对Δω_e进行PI控制得到压缩机转矩指令

式中PI表示PI调节器。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，采用最大转矩电流比控制，由压缩机转矩指令

计算获得压缩机d轴电流指令

和q轴电流指令

其中L_d为压缩机d轴电感，L_q为压缩机q轴电感。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，

采用d轴电流指令

q轴电流指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q计算获得d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q的获得方法为：

采集压缩机三相电流i_u、i_v、i_w，经过CLARK变换转换为静止坐标系下两相电流i_α、i_β，再经过PARK变换得到旋转坐标系下d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q。

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，对d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

进行限幅操作获得d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q：

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，对d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q经过旋转-静止坐标转换，得到静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β：

式中θ为压缩机转子角度；

对静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β经过两相-三相电压转换，得到压缩机三相电压指令u_u、u_v和u_w：

根据本发明的母线电容小型化电机驱动控制方法，根据压缩机三相电压指令u_u、u_v和u_w，由智能功率模块获得相应等效电压作为逆变桥单元控制信号，控制压缩机运行。

本发明的有益效果：本发明方法中，输入交流电源经过整流单元和功率因数矫正电路(PFC)，在母线电容的作用下可形成一个相对稳定的直流量。控制器采用速度外环和电流内环双闭环控制，通过逆变桥单元控制压缩机运行。

本发明方法通过控制器计算获得逆变桥单元控制信号，其在压缩机控制的转矩电流给定中注入与交流输入同步的波动，从而可实时调整转矩电流波形，降低了母线电解电容纹波电流，同时降低了母线电解电容发热量及母线电解电容量的需求，实现电解电容小型化，并提高电解电容寿命。

附图说明

图1是本发明所述母线电容小型化电机驱动控制方法的控制流程图；

图2是获得逆变桥单元控制信号的控制框图；

图3是驱动器腔体温度T_temp和补偿系数K的关系图；

图4是现有逆变桥单元控制信号的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种母线电容小型化电机驱动控制方法，包括，

采用整流单元对交流电源的电源电压进行全波整流，整流后输入电压通过功率因数矫正电路进行母线电压提升和功率因数矫正，并通过母线电容使母线电压保持为相对稳定的直流母线电压，然后采用逆变桥单元实现直流母线电压到交流电压的逆变，最后输出交流电压驱动压缩机；

采集电源电压、直流母线电压和压缩机三相电流，通过控制器进行计算获得功率因数矫正电路控制信号和逆变桥单元控制信号，从而实现转矩电流波形的调整，使母线电容的纹波电流减小。

功率因数矫正电路控制信号的获得过程包括：

根据压缩机dq轴电压矢量合U₁和直流母线电压U_dc计算目标直流母线电压U_{dc_ref}：

式中，K_{P_dc}为控制比例系数。

再根据交流电源电压平均值U_{in_avg}、交流电源电流平均值i_{in_avg}、目标直流母线电压U_{dc_ref}，以及交流电源电流瞬时值i_in，计算功率因数矫正电路输出占空比D：

控制器输出相应占空比信号到功率因数矫正电路，实现直流母线电压的控制。

本实施方式中，控制器作为控制核心，控制器包含转矩波形发生函数，用于调整转矩电流波形

所述主控控制单元包含转矩波形发生函数，用于调整转矩电流波形，实现母线电解电容的纹波电流减小，母线电解电容发热降低，实现电解电容小型化，提高电解电容寿命。

图1中，交流输入经过整流单元和PFC电路，在母线电容的帮助下形成一个相对稳定的直流量。直流母线通过逆变桥控制压缩机运行。通过逆变桥的控制，可使母线输出电流与母线输入电流同步波动，从而降低母线电解电容的纹波电流，降低电解电容的发热和容量需求。

图2在图4所示现有变频压缩机驱动控制框图的基础上，增加了虚线框中的部分作为本发明的核心；可采用电网电压相角模块通过检测过零点或AD采样等方式获取交流输入电网电压的相角；对于

按上述方法注入波动后，进入电流环模块和调制输出模块，得到逆变桥的六路开关控制信号。

进一步，获得逆变桥单元控制信号的方法包括：

根据采集的电源电压相位，获得转矩波形函数：

w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)，

式中w_f为转矩波形调节量；K为补偿系数，在0-2之间，0表示完全不补偿，2表示充分补偿，K越大表示补偿越充分；ω_g为电源电压角速度，t为时间。

本实施方式可采用转矩波形发生器，通过检测输入交流电源相位，获得转矩波形函数，并且根据驱动器腔体温度自动调节波形发生器参数，实时调整转矩波形发生形状，实现母线电解电容纹波电流减小，母线电解电容发热降低的目的。

再进一步，所述转矩波形函数的获得方法包括：

在交流输入侧，通常接电网，电网电压为正弦波，可用下式表达：

U_in＝U_m*sin(ω_gt)，

式中U_in为电网电压，U_m为电网电压幅值；

在PFC的作用下，交流侧电流I_in会跟随交流电压U_in，也是正弦波，可用下式表达：

I_in＝I_m*sin(ω_gt)；

式中I_m为交流侧电流幅值；

则交流电源输入功率为：

即交流输入功率是大幅波动的，且频率为两倍电网频率。

在直流母线上，母线电容输入功率：

P_cin＝P_in；

由于直流母线电压基本维持恒定，则直流母线输入电流I_cin为：

直流母线输入电流也是大幅波动的，且频率为两倍电网频率。

而母线输出功率基本维持恒定，即母线输出电流基本维持稳定。则母线电容上有强烈的充放电，这会导致母线电容发热，降低母线电容寿命。

以往解决这一问题的手段就是选取大容量的母线电容，从而提升母线电容充放电能力，但是这会增加成本。为降低直流母线电流电容的充放电，降低电解电容容量，降低系统成本，本发明方法中增加以下控制。具体如下：由于直流母线输入电流是大幅波动的，如果能够让直流母线输出电流跟随输入电流波动，则可以降低母线电容的充放电。

在母线输入电流的表达式中，当空调器运行在某一稳态时，式中U_m、I_m和U_dc均为固定不变的量，变化的部分为sin²(ω_gt)，该值在0-1之间以两倍电网频率波动。即母线输入电流可简化为I_cin：

I_cin＝K_msin²(ω_gt)，

式中K_m为一个常数。

设定注入转矩波形调节量前母线输出电流为I_cout，由于压缩机负载转矩由空调系统决定，则注入波动后，母线输出电流平均值应该维持不变，同时若要完全消除母线电容的充放电，则母线输出电流应跟随母线输入电流，注入转矩波形调节量后目标母线输出电流为I’_cout：

I’_cout＝2*I_cout*sin²(ω_gt)，

此时，目标母线输出电流I’_cout完全跟随母线输入电流波动，母线电解电容没有充放电；

考虑到，母线输出电流对应提供给压缩机的转矩，波动太大，会影响压缩机的正常运行，所以引入一个补偿系数控制波动的大小。由此可得注入波动后的母线输出电流I’_cout。

引入补偿系数K控制目标母线输出电流I’_cout的波动：

I’_cout＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]，

从而可使电流平均值维持不变，且与母线输入电流同步波动。式中K越大表示补偿越充分，直流母线电容的充放电就越小，但是这也会导致压缩机的转矩波动增大，造成压缩机的振动。所以，实际应用过程中需要综合两者，选取合适的值。

当目标母线输出电流I’_cout如上式波动时，输出功率P_cout为：

P_cout＝I’_cout*U_dc＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]*U_dc，

式中U_dc为直流母线电压；

对压缩机进行控制时，可以在压缩机的转矩电流给定中注入同步的波动；

压缩机输出功率P_cout与q轴实际电流i_q(转矩电流)的关系式为：

式中P1为压缩机极对数、ω_e为压缩机实际运行速度、k_e为电机反电动势常数；

由于当空调器运行在某一稳态时，P1、ω_e、k_e、U_dc、I_cout均为固定不变的量，则进而得到转矩波形函数w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)。

再进一步，结合图3所示，补偿系数K根据驱动器腔体温度自动调节，随腔体温度的升高而变大；所述驱动器腔体为容纳包括整流单元、功率因数矫正电路、母线电容、逆变桥单元及控制器的腔体。

当腔体温度高时，散热环境差，提高K值减小母线电容电流纹波和发热；当驱动器腔体温度低时，散热环境好，减小K值，减少因波形注入产生的谐波电流。

图3所示，当驱动器腔体温度T_temp高时，散热环境差，提高K值减小母线电容电流纹波和发热；当驱动器腔体温度T_temp低时，散热环境好，可减小K值，减少因波形注入产生的谐波电流。例如，当T_temp≤50时，K可设置为0.5；当50＜T_temp≤70时，K设置为在0.5至1.5之间并与温度之间呈线性变化，即随温度升高而增加；当T_temp＞70时，K设置为1.5。

再进一步，结合图2所示，获得逆变桥单元控制信号的方法还包括：

本实施方式中压缩机电机采用速度外环和电流内环双闭环控制；

速度外环工作原理：

可以采用变频驱动器将压缩机速度指令

和压缩机实际运行速度ω_e做差得到差值Δω_e，对Δω_e进行PI控制得到压缩机转矩指令

式中PI表示PI调节器。

其中压缩机速度指令

由空调系统根据用户设定温度和实际温度计算得到；压缩机实际运行速度ω_e和压缩机转子角度θ由驱动器根据压缩机的电压、电流指令以及电机参数计算得到。

再进一步，结合图2所示，采用最大转矩电流比MTPA控制，由压缩机转矩指令

计算获得压缩机d轴电流指令

和q轴电流指令

其中L_d为压缩机d轴电感，L_q为压缩机q轴电感。

通过控制转矩波形函数w_f可实现母线电解电容纹波电流减小和电解电容发热降低。

电流内环工作原理：

再进一步，结合图2所示，采用d轴电流指令

q轴电流指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q计算获得d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q的获得方法为：

变频驱动器采集压缩机三相电流i_u、i_v、i_w，经过CLARK变换转换为静止坐标系下两相电流i_α、i_β，再经过PARK变换得到旋转坐标系下d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q。dq轴两相电流指令和两相实际电流对应做差进行PI控制，并加上解耦项后得到dq轴电压的初始电压指令。

再进一步，结合图2所示，对d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

进行限幅操作获得d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q：

再进一步，结合图2所示，对d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q经过旋转-静止坐标转换，得到静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β：

式中θ为压缩机转子角度；

对静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β经过两相-三相电压转换，得到压缩机u、v、w三相电压指令u_u、u_v和u_w：

再进一步，结合图2所示，根据压缩机三相电压指令u_u、u_v和u_w，由智能功率模块MOD获得相应等效电压作为逆变桥单元控制信号，控制压缩机运行。

图2中，由静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β以及静止坐标系下两相电流i_α、i_β，可通过磁链观测获得压缩机实际运行速度ω_e和压缩机转子角度θ。

本发明方法通过在压缩机控制的转矩电流给定中注入与交流输入同步的波动，降低了母线电解电容纹波电流，从而降低了母线电解电容发热和母线电解电容需求。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于包括，

采用整流单元对交流电源的电源电压进行全波整流，整流后输入电压通过功率因数矫正电路进行母线电压提升和功率因数矫正，并通过母线电容使母线电压保持为相对稳定的直流母线电压，然后采用逆变桥单元实现直流母线电压到交流电压的逆变，最后输出交流电压驱动压缩机；

采集电源电压、直流母线电压和压缩机三相电流，通过控制器进行计算获得功率因数矫正电路控制信号和逆变桥单元控制信号，从而实现转矩电流波形的调整，使母线电容的纹波电流减小。

2.根据权利要求1所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，获得逆变桥单元控制信号的方法包括：

根据采集的电源电压相位，获得转矩波形函数：

w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)，

式中w_f为转矩波形调节量；K为补偿系数，在0-2之间，0表示完全不补偿，2表示充分补偿；ω_g为电源电压角速度，t为时间。

3.根据权利要求2所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

所述转矩波形函数的获得方法包括：

设定注入转矩波形调节量前母线输出电流为I_cout，注入转矩波形调节量后目标母线输出电流为I’_cout：

I’_cout＝2*I_cout*sin²(ω_gt)，

目标母线输出电流I’_cout跟随母线输入电流波动；

引入补偿系数K控制目标母线输出电流I’_cout的波动：

I’_cout＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]，

当目标母线输出电流I’_cout如上式波动时，输出功率P_cout为：

P_cout＝I’_cout*U_dc＝I_cout*[1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)]*U_dc，

式中U_dc为直流母线电压；

输出功率P_cout与q轴实际电流i_q的关系式为：

式中P1为压缩机极对数、ω_e为压缩机实际运行速度、k_e为电机反电动势常数；

进而得到转矩波形函数w_f＝1+K*(sin²(ω_gt)-0.5)。

4.根据权利要求3所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

补偿系数K根据驱动器腔体温度自动调节，随腔体温度的升高而变大；所述驱动器腔体为容纳包括整流单元、功率因数矫正电路、母线电容、逆变桥单元及控制器的腔体。

5.根据权利要求3或4所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

获得逆变桥单元控制信号的方法还包括：

将压缩机速度指令

和压缩机实际运行速度ω_e做差得到差值Δω_e，对Δω_e进行PI控制得到压缩机转矩指令

式中PI表示PI调节器。

6.根据权利要求5所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

采用最大转矩电流比控制，由压缩机转矩指令

计算获得压缩机d轴电流指令

和q轴电流指令

其中L_d为压缩机d轴电感，L_q为压缩机q轴电感。

7.根据权利要求6所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

采用d轴电流指令

q轴电流指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q计算获得d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q的获得方法为：

采集压缩机三相电流i_u、i_v、i_w，经过CLARK变换转换为静止坐标系下两相电流i_α、i_β，再经过PARK变换得到旋转坐标系下d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q。

8.根据权利要求7所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，对d轴初始电压指令

和q轴初始电压指令

进行限幅操作获得d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q：

9.根据权利要求8所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

对d轴最终电压指令u_d和q轴最终电压指令u_q经过旋转-静止坐标转换，得到静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β：

式中θ为压缩机转子角度；

对静止坐标系下两相电压指令u_α和u_β经过两相-三相电压转换，得到压缩机三相电压指令u_u、u_v和u_w：

10.根据权利要求9所述的母线电容小型化电机驱动控制方法，其特征在于，

根据压缩机三相电压指令u_u、u_v和u_w，由智能功率模块获得相应等效电压作为逆变桥单元控制信号，控制压缩机运行。

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