CN114123907A - 永磁同步电机低速运行控制方法、装置和永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

提供了一种永磁同步电机低速运行控制方法，包括：检测永磁同步电机的相电流，当所述相电流与相电压均为正值时，在相电压上补偿第一电压，当相电压与相电流均为负值时，在相电压上补偿第二电压，当相电流和相电压的符号不同时，维持相电压上一次的补偿电压；将离散化的永磁同步电机的机械角度与预设的数组相对应，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现永磁同步电机的转矩补偿。本发明的方案能避免电流过零点判断异常，从而实现可靠的死区补偿，减少相电流六次谐波，减少实际输出到电机的电压矢量与给定矢量的误差,本发明的方案能实时适应压缩机负载曲线，增强压缩机低速下的出力。

Description

永磁同步电机低速运行控制方法、装置和永磁同步电机
技术领域
本发明涉及永磁同步压缩机控制领域，更具体地涉及永磁同步电机低速运行控制方法、装置、永磁同步电机和压缩机。
背景技术
为体现变频空调的舒适节能效果，压缩机的转速应足够低，为此，需要从电机控制角度提升永磁同步压缩机(尤其是单转子压缩机)的低速控制性能。本发明从死区补偿，转矩补偿这两个方面提升永磁同步压缩机的低速控制性能。
为防止逆变器上下桥直通，在上下桥驱动信号控制中普遍加入死区时间。死区时间导致实际电压矢量与给定电压矢量产生幅值与相位的偏差，在低速下尤为明显，为此需加入死区补偿。死区补偿方案中，需要检测相电流极性，但在实际系统中，电流在过零点易受噪声干扰导致补偿失效，本发明提出一种综合相电流与给定相电压判断的死区补偿方法，能避免电流过零点判断异常导致的补偿失效。
单转子压缩机低速下负载力矩呈周期性波动，若没有转矩补偿，压缩机在低速重负荷下容易失步，目前，大部分转矩补偿曲线相对固定，难以适应压缩机在不同转速不同负荷下负载力矩的需求。因此现有技术需要一种基于压缩机转子位置的迭代学习转矩补偿方法，可实时适应压缩机负载曲线。
上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机低速运行控制方法、装置、永磁同步电机和压缩机，通过综合相电流与给定相电压判断的逆变器死区补偿方法，能避免电流过零点判断异常导致的补偿失效。本发明的方案通过基于压缩机转子位置的迭代学习转矩补偿方法，能实时适应压缩机负载曲线。
本发明的第一方面提供了一种永磁同步电机低速运行控制方法，包括：检测永磁同步电机的相电流，当所述相电流与相电压均为正值时，在相电压上补偿第一电压，当相电压与相电流均为负值时，在相电压上补偿第二电压，当相电流和相电压的符号不同时，维持相电压上一次的补偿电压；将离散化的永磁同步电机的机械角度与预设的数组相对应，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现永磁同步电机的转矩补偿。
根据本发明的一个实施例，其中，在第一死区生成方式下，所述第一电压
Figure BDA0003375756300000021
所述第二电压Vcom2＝-Vcom1，其中Td为死区时间，Ts为载波周期值，Vd为直流母线电压。
根据本发明的一个实施例，其中在第二死区方式下，所述第一电压Vcom1＝0，所述第二电压
Figure BDA0003375756300000022
其中Td为死区时间，Ts为载波周期值，Vd为直流母线电压。
根据本发明的一个实施例，其中所述第一死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号和下桥信号每个开信号的起始处设置预设的第一死区时间，在第一死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。
根据本发明的一个实施例，其中所述第二死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号中不设置死区时间，在下桥信号所述永磁同步电机的开关信号中下桥信号的每个开信号中的起始处和结束处分别设置第二死区时间，在第二死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。
根据本发明的一个实施例，根据权利要求1所述的方法，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现转矩补偿包括：
根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值调整所述永磁同步电机的q轴电流，通过经调整后的q轴电流来实现永磁同步电机的转矩补偿。
根据本发明的一个实施例，其中，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线包括：采用迭代学习控制策略来更新所述预设数组中的元素θ(n)k，θ(1)k就是数组的第一个元素，如此类推，所述学习律采用带遗忘因子的不完全微分算法，所述不完全微分算法为：
θ(n)k＝(1-α)*θ(n)k-1+U(n)k
θ(n)k为当前机械周期n位置机械角的补偿量，也即所述预设数组中的元素，0<n≤N，θ(n)k-1为上一机械周期n位置补偿量，α为遗忘因子，0<α<1，k为当前机械周期,k-1为上一机械周期，U(n)为当前位置不完全微分环节的输出，所述N为所述永磁同步电机机械角度的N等分，对应的所述预设数组中的元素也为N个；所述U(n)的迭代公式为：
U(n)k＝β*U(n-1)k+KD*(1-β)*(wn-1-wn),其中，U(n-1)为当前机械周期(n-1)位置不完全微分输出，β为惯性滤波系数，0<β<1，当β＝0时，则变为纯微分环节，KD为微分系数，wn为当前机械周期当前位置转速，转速由控制器估算得出，wn-1为当前机械周期上一位置转速。
本发明的第二方面提供了一种永磁同步电机低速运行控制装置，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现本发明的永磁同步电机低速运行控制方法。
本发明的第三方面提供了一种永磁同步电机，其采用了上述的永磁同步电机低速运行控制方法，或包括上述的永磁同步电机低速运行控制装置。
本发明的第四方面提供了一种压缩机，包括控制器和永磁同步电机，其中所述控制器用于根据上述的永磁同步电机低速运行控制方法来控制所述永磁同步电机。
本发明提出的死区补偿方法能避免电流过零点判断异常，从而实现可靠的死区补偿，减少相电流六次谐波，减少实际输出到电机的电压矢量与给定矢量的误差。本发明的方案采用基于压缩机转子位置的迭代学习转矩补偿方法，能实时适应压缩机负载曲线，增强压缩机低速下的出力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机低速运行控制方法流程图。
图2是根据本发明的示例性的实施例的根据死区生成方式在三相静止坐标下对相电压进行补偿方法的流程图。
图3是根据本发明的示例性的实施例的死区生成方式示意图。
图4是根据本发明的示例性的实施例的死区生成方式一下补偿电压与相电流波形图。
图5是根据本发明的示例性的实施例的低速下补偿前后相电流波形图。
图6是根据本发明的示例性的实施例的不同转速及负荷下补偿曲线与转速曲线。
图7是根据本发明的示例性的实施例的另一不同转速及负荷下补偿曲线与转速曲线。
具体实施例
如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备，术语“空调”可以指代类似于空调的设备。存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
本发明综合相电流与给定相电压对电流极性进行判断，能避免电流过零点判断异常导致的补偿电压在电流过零点反复振荡，对电流极性判断后，根据死区生成方式在三相静止坐标下对相电压进行补偿。
本发明提出一种基于压缩机转子位置的迭代学习转矩补偿方法，学习律采用带遗忘因子的不完全微分环节，实时调整补偿曲线以适应压缩机不同工况下的负载曲线。
图1是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机低速运行控制方法流程图。
如图1所示，对于电压补偿的方法为：检测永磁同步电机的相电流，当所述相电流与相电压均为正值时，在相电压上补偿第一电压，当相电压与相电流均为负值时，在相电压上补偿第二电压，当相电流和相电压的符号不同时，维持相电压上一次的补偿电压；
对应转矩补偿的方法为：将离散化的永磁同步电机的机械角度与预设的数组相对应，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现永磁同步电机的转矩补偿。
根据本发明的一个或多个实施例，为防止逆变器上下桥直通，在上下桥驱动信号控制中普遍加入死区时间，死区时间内上下桥驱动信号均关断。
图2是根据本发明的示例性的实施例的根据死区生成方式在三相静止坐标下对相电压进行补偿方法的流程图。
如图2所示，为避免电流过零点判断异常导致的补偿电压在电流过零点反复振荡，本发明综合相电流与给定相电压对电流极性进行判断。
如图2所示，在永磁同步电机中控制器给定的相电压Va,Vb,Vc(给定相电压通过SPWM(正弦脉宽调制)得到)与检测的相电流Ia,Ib,Ic相位相同或超前于相电流，相电流以流进电机为正。当相电压与相电流极性均为正时，在相电压上补偿电压Vcom1，当相电压与相电流均为负时，在相电压上补偿电压Vcom2，当相电压与相电流符号不相同时，维持上一次的补偿电压。
以永磁同步电机的A相为例进行分析，当Ia从负过零变正时，当前时刻电流采样值为正，相电压Va为正，补偿电压为Vcom1，此时电流采样值较小，容易受干扰，下一时刻电流采样值为负，而此时相电压Va仍为正，那么相电压与相电流符号不相同，维持上一时刻的补偿值Vcom1。补偿流程如图2所示，其余两相B,C与之相似。
图3是根据本发明的示例性的实施例的死区生成方式示意图。
如图3所示，第一死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号和下桥信号每个开信号的起始处设置预设的第一死区时间，在第一死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。第二死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号中不设置死区时间，在下桥信号所述永磁同步电机的开关信号中下桥信号的每个开信号中的起始处和结束处分别设置第二死区时间，在第二死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。
根据本发明的一个或多个实施例，死区生成方式一与死区生成方式二是由不同的芯片导致，目前，大部分芯片产生死区的方式要么是方式一，要么是方式二。
根据本发明的一个或多个实施例，由于有不同的死区生成方式，只需修改补偿电压值，如图3(a)所示为理想开关信号，1表示开通，0表示关断，对于死区生成方式一，如图3(b)所示，阴影区域为死区时间，如t1-t2，t4-t5，死区时间内上下桥均关断，此时
Figure BDA0003375756300000071
其中Td为死区时间，Ts为载波周期值，Vd为直流母线电压，Vcom2＝-Vcom1，对于死区生成方式二，如图3(c)所示，所述第一电压Vcom1＝0，所述第二电压
Figure BDA0003375756300000072
图4是根据本发明的示例性的实施例的死区生成方式一下补偿电压与相电流波形图。图5是根据本发明的示例性的实施例的低速下补偿前后相电流波形图。
如图4和图5所示，可见，同样条件下，加入死区补偿后相电流波形过零失真更小，波形更接近正弦，同时能减少相电流基波的6次谐波含量，降低电机径向振动，从而减少噪声。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明永磁同步电机转矩补偿的方法为：
单转子压缩机负载曲线为位置的周期函数，因此可建立基于压缩机位置的迭代学习控制方法以抑制周期性扰动。
将压缩机机械角度(角度信息由控制器估算得出)分成N等分，将压缩机位置离散化便于控制器实现，控制器建立一个有N个元素的数组与机械角度相对应，当压缩机在某一角度，则更新对应的元素，在转矩补偿区，数组中的元素不断更新以适应压缩机当前工况的负载曲线。
根据本发明的一个或多个实施例，如何更新数组中的元素是转矩补偿的关键，本发明采用迭代学习控制策略，学习律采用带遗忘因子的不完全微分环节，如下式所示：
θ(n)k＝(1-α)*θ(n)k-1+U(n)k
θ(n)k为当前机械周期n位置机械角的补偿量，也即所述预设数组中的元素，0<n≤N，θ(n)k-1为上一机械周期n位置补偿量，α为遗忘因子，0<α<1，k为当前机械周期,k-1为上一机械周期，U(n)为当前位置不完全微分环节的输出，所述N为所述永磁同步电机机械角度的N等分，对应的所述预设数组中的元素也为N个；所述U(n)的迭代公式为：
U(n)k＝β*U(n-1)k+KD*(1-β)*(wn-1-wn)
其中，U(n-1)为当前机械周期(n-1)位置不完全微分输出，β为惯性滤波系数，0<β<1，当β＝0时，则变为纯微分环节，KD为微分系数，wn为当前机械周期当前位置转速，转速由控制器估算得出，wn-1为当前机械周期上一位置转速。
根据本发明的一个或多个实施例，不完全微分能避免对转速进行纯微分运算带来的干扰，使补偿曲线更光滑，采用不完全微分会给补偿曲线带来滞后，可通过对补偿曲线加入提前角进行弥补。得出补偿曲线后，补偿曲线结合当前相电流有效值补偿至q轴给定电流，从而完成转矩补偿。
图6是根据本发明的示例性的实施例的不同转速及负荷下补偿曲线与转速曲线。图7是根据本发明的示例性的实施例的另一不同转速及负荷下补偿曲线与转速曲线。
根据图6和图7在不同转速及负荷下补偿曲线与转速曲线，可以看出，本发明提出的迭代学习控制策略能使转矩补偿曲线实时与转速曲线相匹配，由于负载曲线最终会影响到转速曲线，因此补偿曲线能实时与负载曲线相匹配。
根据本发明的一个或多个实施例，是相电压补偿和电机的转矩补偿两个独立的算法，两者共同作用于低频控制，这两个算法要同时起作用，才能提升压缩机低频性能。
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了一种永磁同步电机低速运行控制装置，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现本发明的永磁同步电机低速运行控制方法。
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了提供了一种永磁同步电机，其采用了上述的永磁同步电机低速运行控制方法，或包括上述的永磁同步电机低速运行控制装置。
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了提供了一种压缩机，包括控制器和永磁同步电机，其中所述控制器用于根据上述的永磁同步电机低速运行控制方法来控制所述永磁同步电机。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的方法中的控制逻辑可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、光盘、数字多功能磁盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其他存储设备或存储磁盘)上的编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现如本发明以上所述方案的处理，在非暂时性计算机和/或机器可读介质中存储任何时间期间(例如，延长的时间段、永久的、短暂的实例、临时缓存和/或信息高速缓存)的信息。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号并排除传输介质。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的方法或设备的控制电路、(控制逻辑、主控系统或控制模块)可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，在设备或装置中(主控系统或控制模块)可以包括微控制器MCU，其布置在空调中，用于自动实现本发明的操作和实施多种功能。用于实现本发明的方案的处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制器上运行的各种应用和/或操作系统。
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机低速运行控制方法，包括：
检测永磁同步电机的相电流，当所述相电流与相电压均为正值时，在相电压上补偿第一电压，当相电压与相电流均为负值时，在相电压上补偿第二电压，当相电流和相电压的符号不同时，维持相电压上一次的补偿电压；
将离散化的永磁同步电机的机械角度与预设的数组相对应，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现永磁同步电机的转矩补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一死区生成方式下，所述第一电压
Figure FDA0003375756290000011
所述第二电压Vcom2＝-Vcom1，其中Td为死区时间，Ts为载波周期值，Vd为直流母线电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在第二死区方式下，所述第一电压Vcom1＝0，所述第二电压
Figure FDA0003375756290000012
其中Td为死区时间，Ts为载波周期值，Vd为直流母线电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号和下桥信号每个开信号的起始处设置预设的第一死区时间，在第一死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二死区方式为：在所述永磁同步电机的开关信号中的上桥信号中不设置死区时间，在下桥信号所述永磁同步电机的开关信号中下桥信号的每个开信号中的起始处和结束处分别设置第二死区时间，在第二死区时间内所述永磁同步电机的上桥和下桥均关断。
6.根据权利要求1所述的方法，根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值来实现转矩补偿包括：
根据所述补偿曲线和所述永磁同步电机的相电流有效值调整所述永磁同步电机的q轴电流，通过经调整后的q轴电流来实现永磁同步电机的转矩补偿。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过更新所述预设数组中的元素获取来获取压缩机的转矩补偿曲线包括：采用迭代学习控制策略来更新所述预设数组中的元素，所述学习律采用带遗忘因子的不完全微分算法，所述不完全微分算法为：
θ(n)k＝(1-α)*θ(n)k-1+U(n)k
θ(n)k为当前机械周期n位置机械角的补偿量，也即所述预设数组中的元素，0＜n≤N，θ(n)k-1为上一机械周期n位置补偿量，α为遗忘因子，0＜α＜1，k为当前机械周期，k-1为上一机械周期，U(n)为当前位置不完全微分环节的输出，所述N为所述永磁同步电机机械角度的N等分，对应的所述预设数组中的元素也为N个；所述U(n)的迭代公式为：
U(n)k＝β*U(n-1)k+KD*(1-β)*(wn-1-wn)
其中，U(n-1)为当前机械周期(n-1)位置不完全微分输出，β为惯性滤波系数，0＜β＜1，当β＝0时，则变为纯微分环节，KD为微分系数，wn为当前机械周期当前位置转速，wn-1为当前机械周期上一位置转速。
8.一种永磁同步电机低速运行控制装置，包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现根据权利要求1-8任一项所述的方法。
9.一种永磁同步电机，其采用根据权利要求1-7任一项所述的方法，或包括根据权利要求8所述的控制装置。
10.一种压缩机，包括控制器和永磁同步电机，其中所述控制器用于根据权利要求1-8任一项所述的方法来控制所述永磁同步电机。
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