CN117118292A - 一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法。该方法以电机给定转速与电机测量转速作为输入量，获取此时刻的转速误差值，经过压缩机速度调节模块获得压缩机交轴电流给定值，将此时刻的转速误差值通过迭代学习模块跟踪电机转速波形，并对压缩机交轴电流给定值施加前馈补偿。针对施加前馈补偿后系统测量噪声大、非周期性扰动抑制效果差，采用状态观测补偿模块与相位自调整模块，在迭代学习补偿量的基础上进行叠加，从而间接地抑制单转子压缩机转矩脉动。本发明提供的方法，无需进行补偿电流查表，易于工程实现，能够显著抑制单转子压缩机周期性转矩脉动、测量噪声等，有效降低变频空调的低频振动与运行噪音。

Description

一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及变频空调驱动领域，具体涉及一种新型迭代学习单转子压缩机控制器的负载转矩脉动抑制方法。

背景技术

节能技术已成为21世纪工业发展的重要绿色技术，研发高效节能的变频空调技术对节能技术的开发和应用具有重要的意义。其中，先进高效的变频技术作为压缩机节能技术的核心，通过满足压缩机负载变化来实现电机驱动，可以有效提高变频空调能效比，在变频空调领域内得到了广泛应用。

永磁同步电机具有功率密度大、运行效率高、结构可靠等特点，目前变频空调压缩机为了节约成本采用以内置式永磁同步电机为主的单转子压缩机，其采用不对称曲轴设计，导致单转子压缩机在一个吸气排气周期内负载转矩脉动大，尤其是在低频运行过程中，容易造成空调管架共振，影响变频空调的运行性能。

所以抑制单转子压缩机的低频转矩脉动问题迫在眉睫，目前常见的抑制方法主要是电机的控制算法设计，通过对定子电流波形进行优化控制，实现对电磁转矩的补偿，从而达到转矩脉动的抑制效果。

目前常用的单转子压缩机转矩脉动抑制算法有三大类，第一类是在低频段采用正弦转矩补偿，该类电机控制算法需要对补偿电流量与相位进行实时存储，占据控制器存储空间大，算法切入的初始相位调节繁琐且转矩脉动抑制效果较差。第二类是采用傅里叶变换补偿法，此类放大需要通过对转速波形进行傅里叶分解提取转矩基波分量，可消除算法带来的相位误差影响，但是只补偿了转矩的基波分量，并未对谐波分量进行补偿，同时需要对初始相位进行调节，需要不断试凑，调试周期长。第三类是重复控制补偿算法，通过比例积分控制器与重复控制器共同作用，有效抑制周期性与非周期性的负载扰动，但是该方法只能针对固定运行频率进行转矩脉动抑制，当运行频率改变时，需要重新调整参数。

发明内容

针对上述技术所存在的问题，本发明提供了一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，通过迭代学习模块跟踪压缩机的测量转速误差，间接获得补偿电流量，增强控制器前向通道的鲁棒性，有效抑制转矩脉动。然后加入状态观测补偿模块对压缩机负载转矩进行观测补偿，从而改善系统测量噪声，抑制系统非周期性扰动，有效降低变频空调的低频振动与运行噪音。

本发明首先提供了一种迭代学习单转子压缩机控制器，包括

压缩机速度调节模块，用于获得压缩机交轴电流给定值i_q ^*；

迭代学习模块，包括比例微分单元和遗忘自适应单元，比例微分单元用于将转速误差e_k转化为遗忘自适应单元的输入量r_k，遗忘自适应单元用于根据遗忘自适应单元的输入量r_k得到前馈电流补偿量i_qc；所述转速误差e_k为压缩机运行的给定转速ω_m ^*与此时刻压缩机运行的测量转速ω_m做差获得；

状态观测补偿模块，用于根据压缩机交轴电流给定值i_q ^*与测量转速ω_m获得观测负载转矩将观测负载转矩转换为观测电流量/>并将前馈电流补偿量i_qc和观测电流量叠加得到最终交轴电流补偿量i_qcom；

相位自调整模块，用于根据转速误差e_k获得将最终交轴电流补偿量i_qcom前馈到压缩机交轴电流给定值i_q ^*投入的最优补偿时刻t_opt；

压缩机电流调节模块，用于获得逆变器控制信号，对逆变器与单转子压缩机进行控制。本发明还提供了一种基于上述迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

1)压缩机运行的给定转速为ω_m ^*，将给定转速ω_m ^*与此时刻的测量转速ω_m做差获得此时刻的转速误差e_k；将转速误差e_k输入到压缩机速度调节模块，压缩机速度调节模块输出压缩机交轴电流给定值i_q ^*，而压缩机直轴电流给定值i_d ^*保持为恒定的零值；

2)将转速误差e_k经过比例微分单元，得到遗忘自适应单元的输入量r_k，设置初始时刻遗忘自适应单元的输出量u₀＝0，并通过遗忘自适应单元对前一时刻的输出量u_k-1与遗忘自适应单元的输入量r_k进行校正得到前一时刻的校正量并将前一时刻的校正量/>与此时刻的输出量u_k进行迭代，经过限幅环节，得到前馈电流补偿量i_qc；

3)将压缩机交轴电流给定值i_q ^*与测量转速ω_m作为状态观测补偿模块的输入量，通过状态观测补偿模块获得此时刻的观测负载转矩并将其转换为观测电流量/>叠加到步骤2)中的前馈电流补偿量i_qc中，得到最终交轴电流补偿量i_qcom；

4)根据所得的转速误差e_k，经过相位自调整模块，获得补偿算法投入的最优补偿时刻t_opt，并在最优补偿时刻将步骤3)得到的最终交轴电流补偿量i_qcom前馈到压缩机交轴电流给定值i_q ^*中；

5)将步骤4)中最终交轴电流补偿量i_qcom前馈后的压缩机交轴电流给定值i_q ^*与压缩机的交轴电流实际值i_q做差，并将差值输入到电流调节器得到q轴给定电压值u_q ^*；同理将压缩机直轴电流给定值i_d ^*与压缩机直轴电流实际值i_d做差，并将差值输入到电流调节器得到d轴给定电压值u_d ^*；将得到的u_q ^*、u_d ^*通过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到三相参考电压u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*，再将u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术得到逆变器控制信号，从而对逆变器与单转子压缩机进行控制。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益效果：

1)本发明提出的迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，通过迭代学习环节跟踪压缩机的转速误差，经过遗忘自适应单元、限幅环节，进行迭代修正，间接获得补偿电流量，增强控制器前向通道的鲁棒性，有效抑制转矩脉动。

2)本发明采用状态观测补偿模块对单转子压缩机负载转矩进行精准观测，从而改善系统测量噪声，抑制系统非周期性扰动，有效降低变频空调的低频振动与运行噪音。并经过相位自调整模块，对测量转速误差设置启动阈值，对算法投入的初始相位进行自校正，得到最优补偿时刻，减少系统超调，降低算法观测误差，有效提高算法准确性。

附图说明

图1为单转子压缩机运行过程分析图

图2为迭代学习模块的控制框图。

图3为状态观测补偿模块的控制框图。

图4为迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法的控制框图。

图5为未实施本发明提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法的转速波形图。

图6为实施重复控制提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法的转速波形图。

图7为实施本发明提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法的转速波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限定于本发明。

首先，如图1所示为单转子压缩机运行过程分析图，其中单转子压缩机的主要结构有滑片、滚子、气缸。由于单转子压缩机采用不对称的曲轴设计，在一个周期内受到吸气压缩、吸气排气的影响，导致单转子压缩机负载产生周期性的转矩脉动。在吸气压缩过程中，随着气体压强的不断增大，其气体力不断增大，负载转矩也随之增大。在吸气排气过程中，随着气体压强的不断减小，其气体力不断减小，负载转矩也随之减小。以此循环往复，形成周期性转矩脉动。图1中的单转子压缩机负载转矩曲线存在最小值，主要原因是单转子压缩机内部与汽缸内壁、曲轴之间存在摩擦，导致最小负载转矩大于0。

基于上述主电路结构，本发明提出一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，图4为本发明采用了新型迭代学习转矩脉动抑制方法后的单转子压缩机控制器的控制框图。控制器部分主要包括用于获得压缩机交轴电流给定值i_q的压缩机速度调节模块、迭代学习模块、用于根据压缩机交轴电流给定值i_q ^*与测量转速ω_m获得观测负载转矩的状态观测补偿模块、用于根据转速误差e_k获得压缩机补偿算法投入的最优补偿时刻t_opt的相位自调整模块以及用于获得逆变器控制信号，对三相逆变电路与单转子压缩机进行控制，实现压缩机转矩脉动的抑制的压缩机电流调节模块；如图2所示，迭代学习模块包括比例微分单元和遗忘自适应单元，比例微分单元用于将转速误差ek转化为遗忘自适应单元的输入量rk，遗忘自适应单元用于根据遗忘自适应单元的输入量rk得到前馈电流补偿量iqc；

本发明的转矩脉动抑制方法，其具体实施过程如下：

1)给定压缩机运行转速为ω_m ^*，将给定转速ω_m ^*与此时刻的测量转速ω_m做差获得在此时刻的转速误差e_k，将转速误差e_k输入到压缩机速度调节模块，压缩机速度调节模块输出压缩机交轴电流给定值i_q ^*，而压缩机直轴电流给定值i_d ^*保持为恒定的零值。

其中，此时刻的转速误差e_k，输入到压缩机速度调节模块后，压缩机速度调节模块输出交轴电流给定值i_q ^*表示为：

式中，G_p代表压缩机速度调节模块的比例系数，G_i代表压缩机速度调节模块的积分系数，s代表拉普拉斯算子。

2)将转速误差e_k经过比例微分单元，得到遗忘自适应单元的输入量r_k：其迭代学习PD环节表达式为：

r_k＝K_p·e_k+K_d·(e_k-e_k-1)

其中，K_p代表比例微分单元中的比例系数，K_d代表比例微分单元中的微分系数，e_k-1代表转速误差在上一时刻的值，k＝(1，2，3，4……)。

进一步地，利用遗忘自适应单元对遗忘自适应单元输入量r_k与前一时刻输出量u_k-1进行校正，得到前一时刻的校正量表达式如下：

其中，α代表遗忘因子，β代表自适应因子。

进一步地，通过前一时刻的校正量对此时刻的输出量u_k进行迭代，表达式如下：

进一步地，获得转速误差输入量e_k与遗忘自适应单元此时刻的输出量u_k的迭代学习控制算法表达式：

具体地，遗忘因子α、自适应因子β的参数配置需要结合压缩机固有的转矩脉动特性，压缩机的转矩脉动特性表现为倍频周期脉动，进行傅里叶分解后，得到转矩脉动特性表达式T_L(t)：

其中，ω_s为压缩机运行角频率，T_L0为负载转矩直流分量，T_Lk为负载转矩谐波分量。

具体地，提取转矩脉动T_L(t)中的谐波分量，得到转矩脉动的谐波分量传递函数表达式T_rk(s)：

其中，a_Lk分别代表k次谐波的转矩加速度即a_Lk＝T_Lk/J，影响转矩脉动的谐波分量主要是k＝1时的基波分量。如图5所示，为未实施本发明提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法下的转速波形图。从图中可以看出单转子压缩机转矩脉动变化明显，说明转矩脉动基波分量幅值高。

进一步地，配置i_qc传递函数零极点与转矩脉动的谐波传递函数T_rk(s)零极点进行对消，为了保证系统具有充足的带宽，引入阻尼频率ω_c，需要将其设计为s²+2ω_cs+ω_s ²，参数设计满足表达式：

其中，取阻尼频率为10Hz—40Hz，根据实际压缩机系统运行状态，自适应因子β随着压缩机实际转速ω_s变化而变化，呈现反比例关系，遗忘因子α与阻尼频率呈线性关系，随着阻尼频率变化而变化。

进一步地，迭代学习的输出量u_k经过限幅环节，得到前馈电流补偿量i_qc，其表达式为：

其中，u_m为迭代学习输出量的限幅值。

3)如图3所示，将压缩机交轴电流给定值i_q ^*作为状态观测补偿模块的输入量u，压缩机运行角频率ω_s作为状态变量x₁，负载转矩T_L作为状态观测补偿模块的扩张状态变量x₂，可得系统的状态方程：

进一步地，建立状态观测补偿模块，负载转矩作为状态观测补偿模块的观测变量/>其表达式为：

其中，e₂表示观测误差，h₁表示观测补偿模块带宽。

具体地，对观测误差e₂进行求导，其表达式为：

其中，观测误差e₂随时间变化而指数衰减，且观测误差e₂与初始状态e₂(0)与观测补偿模块带宽h₁有关。

进一步地，结合压缩机地交轴电流给定值i_q ^*与转速误差e_k获得观测负载转矩的表达式为：

其中，J代表压缩机的转动惯量，e_k-1代表上一时刻的转速误差值。

具体地，观测负载转矩的时域表达式进行欧拉化简，得到状态观测补偿模块的传递函数表达式为：

进一步地，观测转矩经过增益单元转化为观测电流量/>与压缩机实际交轴电流i_q进行比较，满足“负差值大增益，正差值小增益”的特点，有效减少系统超调，其表达式为：

其中，K_T代表大增益系数，K_t代表小增益系数，i_q压缩机的交轴电流实际值。

进一步地，叠加到步骤三中的前馈电流补偿量i_qc，得到最终交轴电流补偿量i_qcom。

根据所得的转速误差e_k，推算补偿算法投入的初始相位，经过相位自调整模块，获得最优补偿相位

其中，ε代表算法的启动阈值。一般ε代取1—20之间，保证最优补偿相位尽可能接近零相位。

进一步地，根据最优补偿相位推算系统最优补偿时刻t_opt，其表达式为：

其中，f_r代表压缩机的运行频率，压缩机运行频率的改变会导致最优补偿时刻的变化，实现系统补偿的动态调整。

进一步地，在最优补偿时刻将步骤四得到的最终电流补偿量i_qcom前馈到压缩机交轴电流给定值i_q ^*。

4)将压缩机交轴电流给定值i_q ^*与压缩机的交轴电流实际值i_q做差，并将差值输入到电流调节器得到q轴给定电压值u_q ^*；同理将压缩机直轴电流给定值i_d ^*与压缩机的直轴电流实际值i_d做差，并将差值电流调节器得到d轴给定电压值u_d ^*；通过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到三相参考电压u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*，再通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术得到逆变器控制信号，对三相逆变电路与永磁单转子压缩机进行控制，实现压缩机转矩脉动抑制。

如图6所示，为实施重复控制提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法的转速波形图。从图中可以看出单转子压缩机转矩脉动降低到原来的2/3，说明传统重复控制算法对压缩机转矩脉动抑制效果不明显。

图7为实施本发明提供的单转子压缩机转矩脉动抑制方法的转速波形图。，从图中可以看出单转子压缩机转矩脉动降低到原来的1/3，说明转矩脉动基波分量得到抑制，算法有效。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，但本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种迭代学习单转子压缩机控制器，其特征在于，包括

压缩机速度调节模块，用于获得压缩机交轴电流给定值i_q ^*；

迭代学习模块，包括比例微分单元和遗忘自适应单元，比例微分单元用于将转速误差e_k转化为遗忘自适应单元的输入量r_k，遗忘自适应单元用于根据遗忘自适应单元的输入量r_k得到前馈电流补偿量i_qc；所述转速误差e_k为压缩机运行的给定转速ω_m ^*与此时刻压缩机运行的测量转速ω_m做差获得；

状态观测补偿模块，用于根据压缩机交轴电流给定值i_q ^*与测量转速ω_m获得观测负载转矩将观测负载转矩转换为观测电流量/>并将前馈电流补偿量i_qc和观测电流量/>叠加得到最终交轴电流补偿量i_qcom；

相位自调整模块，用于根据转速误差e_k获得将最终交轴电流补偿量i_qcom前馈到压缩机交轴电流给定值i_q ^*投入的最优补偿时刻t_opt；

压缩机电流调节模块，用于获得逆变器控制信号，对逆变器与单转子压缩机进行控制。

2.一种基于权利要求1所述迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)压缩机运行的给定转速为ω_m ^*，将给定转速ω_m ^*与此时刻的测量转速ω_m做差获得此时刻的转速误差e_k；将转速误差e_k输入到压缩机速度调节模块，压缩机速度调节模块输出压缩机交轴电流给定值i_q ^*，而压缩机直轴电流给定值i_d ^*保持为恒定的零值；

2)将转速误差e_k经过比例微分单元，得到遗忘自适应单元的输入量r_k，设置初始时刻遗忘自适应单元的输出量u₀＝0，并通过遗忘自适应单元对前一时刻的输出量u_k-1与遗忘自适应单元的输入量r_k进行校正得到前一时刻的校正量并将前一时刻的校正量/>与此时刻的输出量u_k进行迭代，经过限幅环节，得到前馈电流补偿量i_qc；

3)将压缩机交轴电流给定值i_q ^*与测量转速ω_m作为状态观测补偿模块的输入量，通过状态观测补偿模块获得此时刻的观测负载转矩并将其转换为观测电流量/>叠加到步骤2)中的前馈电流补偿量i_qc中，得到最终交轴电流补偿量i_qcom；

4)根据所得的转速误差e_k，经过相位自调整模块，获得补偿算法投入的最优补偿时刻t_opt，并在最优补偿时刻将步骤3)得到的最终交轴电流补偿量i_qcom前馈到压缩机交轴电流给定值i_q ^*中；

5)将步骤4)中最终交轴电流补偿量i_qcom前馈后的压缩机交轴电流给定值i_q ^*与压缩机的交轴电流实际值i_q做差，并将差值输入到电流调节器得到q轴给定电压值u_q ^*；同理将压缩机直轴电流给定值i_d ^*与压缩机直轴电流实际值i_d做差，并将差值输入到电流调节器得到d轴给定电压值u_d ^*；将得到的u_q ^*、u_d ^*通过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换，得到三相参考电压u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*，再将u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术得到逆变器控制信号，从而对逆变器与单转子压缩机进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，通过压缩机速度调节模块对转速误差e_k进行调节，转速误差e_k输出作为压缩机交轴电流给定值i_q ^*：

其中，G_p代表压缩机速度调节模块的比例系数，G_i代表压缩机速度调节模块的积分系数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的步骤2)中将转速误差e_k经过比例微分单元，得到遗忘自适应单元输入量r_k表示为：

r_k＝K_p·e_k+K_d·(e_k-e_k-1)

其中，K_p代表比例微分单元中的比例系数，K_d代表比例微分单元中的微分系数，e_k-1代表转速误差在上一时刻的值。

5.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中根据初始时刻输出量u₀＝0，通过遗忘自适应单元对前一时刻输出量u_k-1与遗忘自适应单元输入量r_k进行调节，同理将前一时刻的输出量u_k-1与此时刻的输出量u_k进行迭代，其表达式为：

其中，α代表遗忘因子，β代表自适应因子，T_s为算法采样时间，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中，此时刻的输出量u_k经过限幅环节，得到前馈电流补偿量i_qc，其表达式为：

其中，u_m为迭代学习输出量的限幅值。

7.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的步骤3)中采用状态观测补偿模块来获得此时刻的观测负载转矩其表达式为：

其中，J代表压缩机的转动惯量，h代表观测器带宽；代表前一时刻的观测转矩，dt为时间微分量。

8.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的步骤3)中所得此时刻的观测转矩通过增益单元转化为观测电流量其表达为：

其中，K_T代表大增益系数，K_t代表小增益系数，i_q压缩机交轴电流实际值。

9.根据权利要求2所述的一种迭代学习单转子压缩机控制器的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的步骤4)中所述补偿算法投入的最优补偿时刻最优补偿时刻t_opt，其表达式为：

其中，f_r代表压缩机的运行频率，ε代表算法的启动阈值。