專利名稱：永磁同步電機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制技術(shù)，尤其是涉及一種永磁同步電機(jī)應(yīng)用于變頻空調(diào)系統(tǒng)中的電機(jī)控制技術(shù)。

背景技術(shù)：
隨著世界范圍內(nèi)節(jié)能降耗技術(shù)的積極推廣，變頻空調(diào)因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐漸受到市場的關(guān)注，被比作空調(diào)心臟的壓縮機(jī)系統(tǒng)也越來越成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。
由于變頻器供電的特點(diǎn)以及壓縮機(jī)運(yùn)行的特殊性，普通異步電機(jī)(Induction Motor-IM)往往會(huì)出現(xiàn)效率低、噪聲大等問題，難以達(dá)到較好的運(yùn)行性能。永磁同步電機(jī)(PermanentMagnet Synchronous Motor-PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點(diǎn)。和異步電機(jī)相比，它由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，以及永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高功能化和微型化方面發(fā)展。永磁同步電機(jī)矢量控制(Vector Control-VC)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)在變頻空調(diào)中的應(yīng)用也引起了廣泛關(guān)注。永磁同步電機(jī)的矢量控制一般通過檢測或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。
矢量控制的基本思想源于對(duì)直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。直流電機(jī)本身具有良好的解耦性，它可以分別通過控制其電樞電流和勵(lì)磁電流來達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制的最終目的是改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能，而實(shí)施仍然落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。矢量控制通過電機(jī)磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯?lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性。在傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的控制中，為了得到轉(zhuǎn)子的精確位置和速度，最常用的方法是在轉(zhuǎn)子軸上安裝位置傳感器，但是這些傳感器增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。而且，在變頻空調(diào)器中，永磁同步電機(jī)處于密封的壓縮機(jī)中，壓縮機(jī)內(nèi)溫度超過120攝氏度，且充滿強(qiáng)腐蝕性的高壓制冷劑，無法安裝位置傳感器。因此，必須采用無位置傳感器的控制方法。無位置傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào)，通過適當(dāng)方法估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置和速度，取代機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。
另外一方面，空調(diào)壓縮機(jī)在低速范圍運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)氣體體積變化引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)引起很大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而產(chǎn)生低頻噪聲和振動(dòng)。受此限制，目前絕大多數(shù)的空調(diào)都運(yùn)行在中高速區(qū)。在壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電機(jī)的運(yùn)行范圍和帶載能力直接取決于逆變器輸出電壓的范圍和品質(zhì)。因此為了提高電機(jī)的性能，獲得最大的輸出電磁轉(zhuǎn)矩，必須盡可能地提高逆變器的電壓利用率。在三相橋式電壓型逆變器中，通常采用正弦電壓脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM)和空間矢量電壓脈寬調(diào)制(SpaceVector Pulse Width Modulation-SVPWM)兩種調(diào)制方式產(chǎn)生PWM波形。SPWM是出現(xiàn)較早，且應(yīng)用范圍廣的一種調(diào)制方式，基本原理是通過調(diào)制信號(hào)和三角波相比較后產(chǎn)生開關(guān)邏輯信號(hào)，具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)。但是逆變器輸出相電壓基波幅值最大只能達(dá)到0.5Udc。SVPWM的基本原理是通過逆變器8個(gè)不同輸出電壓矢量得到所需的電壓矢量，最大輸出相電壓的基波幅值可達(dá)0.577Udc，具有與交流電機(jī)空間矢量控制理論結(jié)合緊密、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、直流母線電壓利用率高的特點(diǎn)。但是，所有工作在線性調(diào)制狀態(tài)的PWM逆變器，都存在不能充分利用直流母線電壓的問題，因此要對(duì)逆變器進(jìn)行過調(diào)制控制，以提高電源電壓利用率。
理論上，三相逆變器以180°導(dǎo)通六拍方式工作時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)每相橋臂上、下兩開關(guān)管各導(dǎo)通半個(gè)周期，其輸出線電壓達(dá)到最大值，此時(shí)最大輸出相電壓的基波幅值能夠達(dá)到0.637Udc，是采用SVPWM調(diào)制時(shí)逆變器所能輸出的最大相電壓的基波幅值的1.1倍。因此，引入過調(diào)制控制技術(shù)，使逆變器由正弦輸出變?yōu)榉讲ㄝ敵?，可以?shí)現(xiàn)提高輸出電壓基波的目的。但由于輸出方波只能使逆變器輸出電壓提高10％，因此過調(diào)制控制對(duì)于擴(kuò)展電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)意義不大。而在整個(gè)恒功率運(yùn)行區(qū)，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電機(jī)端電壓可以非常接近逆變器所能輸出的最高電壓，因此通過過調(diào)制控制技術(shù)提高逆變器輸出的最高電壓，就可以使電機(jī)的恒功率運(yùn)行區(qū)得到明顯擴(kuò)展，電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩和功率得以增大。所以，用過調(diào)制控制技術(shù)來擴(kuò)展永磁同步電機(jī)的恒功率運(yùn)行區(qū)是具有實(shí)際意義的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于無位置傳感器的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行過調(diào)制控制方法。
本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明中永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)采用的控制原理框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)的2相定子電流ia和ib首先經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換輸入到速度位置估算環(huán)節(jié)，通過無位置傳感器方法辨識(shí)出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，然后利用已有的矢量控制方法，將定子電流分為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別加以控制。其中PWM發(fā)生器采用單模式過調(diào)制方法，速度位置估算環(huán)節(jié)采用模型參考自適應(yīng)方法。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用過調(diào)制方法取代SVPWM/SPWM方法，并采用無位置傳感器方法估算電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速穩(wěn)定運(yùn)行，而且有效地提高了系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。
單模式過調(diào)制方法； 過調(diào)制方法的原則是保證系統(tǒng)從線性區(qū)平滑過渡到過調(diào)制區(qū)；輸出電壓矢量的幅值和相位應(yīng)盡可能的反映參考電壓矢量的幅值和相位變化；當(dāng)參考電壓矢量的幅值大于某一值后，系統(tǒng)工作在六階梯波(六拍方式)狀態(tài)。下面對(duì)本發(fā)明所采用的單模式過調(diào)制方法進(jìn)行說明。簡便起見，以下分析忽略了開關(guān)器件的死區(qū)影響。
三相兩電平電壓型逆變器根據(jù)橋臂開關(guān)的不同組合，共輸出8種狀態(tài)的電壓，分別對(duì)應(yīng)空間復(fù)平面內(nèi)6個(gè)長度為2Udc/3的基本電壓矢量u1～u6和兩個(gè)零電壓矢量u0、u7，如圖2所示。其中，ur為參考電壓矢量，其幅值和相位角分別為|ur|和θr，即 接下來以空間矢量六邊形的第1扇區(qū)為例對(duì)這種單模式過調(diào)制方法進(jìn)行說明，如圖3所示。其它扇區(qū)的工作原理與第1扇區(qū)類似。首先定義幅值系數(shù) 式中，/3Udc表示圖2中六邊形內(nèi)切圓對(duì)應(yīng)的電壓矢量的幅值。
當(dāng)|ur|小于六邊形內(nèi)切圓半徑，即當(dāng)k≤0時(shí)，逆變器處于SVPWM線性調(diào)制區(qū)，此時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)兩個(gè)相鄰非零電壓矢量加以組合，使其平均值與參考電壓矢量ur相等。以圖3中的第一扇區(qū)為例，有 式中，T為SVPWM的一個(gè)開關(guān)周期；T1，T2為電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間，經(jīng)過計(jì)算可得 T2＝Tr*sinθr 式中，r*＝|ur|/Udc。零矢量的作用時(shí)間為T0＝T-T1-T2。
隨著|ur|的進(jìn)一步增長，當(dāng)k＞0時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入過調(diào)制區(qū)，此時(shí)需對(duì)參考電壓矢量ur進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)整后逆變器輸出的實(shí)際電壓矢量落于六邊形內(nèi)。在六邊形的第一扇區(qū)中，設(shè)過調(diào)制發(fā)生時(shí)θr的初始角度為0，則有 (1)參考電壓矢量ur的旋轉(zhuǎn)軌跡將與六邊形相交，交角αg。αg與ur的關(guān)系如下式所示， αg＝π/6-arccos(Udc/|ur|) 式中，Udc為直流母線電壓值。
(2)設(shè)逆變器輸出的實(shí)際電壓矢量為u，其幅值和相角分別為|u|和θ。不改變參考電壓矢量幅值，只改變其相位，通過等比例映射，可以得到逆變器輸出的實(shí)際電壓矢量u的幅值為， |u|＝|ur| 而逆變器輸出的實(shí)際電壓矢量u在第一扇區(qū)的相位角由如下兩部分組成， 此時(shí)，可以推算得到電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間T1，T2及零矢量的作用時(shí)間T0如下所示 T0＝T-T1-T2 當(dāng)|ur|等于六邊形外接圓半徑，即當(dāng)k＝1時(shí)，逆變器進(jìn)入六階梯波(六拍方式)工作狀態(tài)，相應(yīng)地αg＝0，電壓利用率也達(dá)到理論上的最大值0.78。
模型參考自適應(yīng)(MRAS)轉(zhuǎn)速/位置辨識(shí)方法； PMSM在d-q軸下的定子電流數(shù)學(xué)模型為 根據(jù)所得電機(jī)數(shù)學(xué)模型可以看出，電流模型與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此可選PMSM本身作為參考模型，而電流模型為可調(diào)模型，采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)辨識(shí)轉(zhuǎn)速。為便于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)使轉(zhuǎn)速量被約束于系統(tǒng)矩陣A中，因此對(duì)控制量和狀態(tài)變量作相應(yīng)變換，得 為簡化，令 iq′＝iq， 則參考模型可調(diào)整為 建立如下并聯(lián)可調(diào)模型， 其中，并聯(lián)可調(diào)模型中

是需要辨識(shí)的量，而其他參數(shù)不變化。
根據(jù)Popov超穩(wěn)定性定理，可證明模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的，進(jìn)而得到辨識(shí)方法為， 式中，k1，k2≥0為自適應(yīng)率，

由并聯(lián)可調(diào)模型計(jì)算得到，id，iq從電機(jī)本身檢測之后由計(jì)算得到。轉(zhuǎn)子位置可通過對(duì)轉(zhuǎn)速的積分得到， 整個(gè)辨識(shí)方法的運(yùn)算框圖如圖4所示。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果 本發(fā)明一種基于無位置傳感器的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行過調(diào)制控制方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM和SVPWM調(diào)制方法，其特點(diǎn)是將單模式過調(diào)制方法應(yīng)用到永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)中，以提高PWM逆變器的電壓利用率。同時(shí)采用基于模型參考自適應(yīng)方法辨識(shí)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器過調(diào)制永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)矢量控制系統(tǒng)。



圖1為永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為逆變器電壓矢量與扇區(qū)示意圖； 圖3為單模式過調(diào)制方法示意圖； 圖4為模型參考自適應(yīng)辨識(shí)方法的運(yùn)算框圖； 圖5為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意圖； 圖6為軟件系統(tǒng)控制流程圖。
以下為圖中符號(hào)與變量說明，其中 PMSM永磁同步電機(jī) ia，ib電機(jī)兩相定子電流

估算的轉(zhuǎn)子位置角

估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速 ωref設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速 id 電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的d軸電流，即勵(lì)磁電流 iq 電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的q軸電流，即轉(zhuǎn)矩電流 id_ref 勵(lì)磁電流參考值 iq_ref 轉(zhuǎn)矩電流參考值 abc→dq abc坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模塊 dq→αβ dq坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模塊 d/dt 微分環(huán)節(jié)模塊 PI 比例積分模塊 u1…u6 基本電壓矢量 ur 參考電壓矢量 u參考電壓矢量調(diào)整后的實(shí)際電壓矢量 θr 參考電壓矢量相位角 θ 參考電壓矢量調(diào)整后的實(shí)際電壓矢量的相位角 αg 參考電壓矢量軌跡與六邊形的交角 uα 電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的α軸電壓 uβ 電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的β軸電壓 ud 電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的d軸電壓 uq 電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的q軸電壓

可調(diào)模型中電機(jī)的d軸電流

可調(diào)模型中電機(jī)的q軸電流 p 微分算子 ψr 轉(zhuǎn)子永磁磁鏈 Ld 電機(jī)d軸電感 k1，k2 自適應(yīng)率 AC 交流電源
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例加以說明 圖4為本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)硬件采用日本Myway公司的電機(jī)控制開發(fā)系統(tǒng)PE-Expert，該平臺(tái)利用了NEC公司的DSP芯片V85OIA4，采用C語言編程。硬件系統(tǒng)主要由PC機(jī)、DSP板、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器和專為交流電機(jī)矢量控制設(shè)計(jì)的兩電平電壓型逆變器組成。本發(fā)明系統(tǒng)通過傳感器檢測PMSM定子回路的電流、逆變器的直流母線電壓，利用開發(fā)系統(tǒng)PE-Expert進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并在其DSP中進(jìn)行無位置傳感器矢量控制，以及坐標(biāo)變換，PI調(diào)節(jié)等模塊。利用單模式過調(diào)制方法形成PWM脈沖，控制逆變器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻空調(diào)中的永磁同步電機(jī)的高性能控制。
圖5為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意圖； 本發(fā)明的系統(tǒng)控制流程如圖6所示，可以分為以下幾個(gè)步驟 首先對(duì)軟件進(jìn)行初始化。設(shè)定轉(zhuǎn)速的參考值ωref，d軸參考電流值id_ref，控制周期T，死區(qū)時(shí)間Tdead。設(shè)定各個(gè)調(diào)節(jié)器的比例、積分常數(shù)Kp，Ki，速度位置估算環(huán)節(jié)的自適應(yīng)率k1，k2。初始化電機(jī)參數(shù)極對(duì)數(shù)pn、轉(zhuǎn)子永磁磁鏈ψr、定子電阻R，d-q軸電感Ld，Lq、反電勢系數(shù)KE。同時(shí)設(shè)定上述電機(jī)的d-q軸電壓初始值為零，即ud(0)＝0，uq(0)＝0； DSP檢測電機(jī)定子兩相電流、直流母線電壓Udc和計(jì)算電機(jī)的d-q軸電壓。DSP經(jīng)過上述電機(jī)定子側(cè)的電流互感器、濾波電容、A/D轉(zhuǎn)換器，依次檢測電機(jī)定子的兩相電流ia(n)，ib(n)，則ic(n)＝-ia(n)-ib(n)。對(duì)于n≥1的ud，uq，取DSP中上一個(gè)數(shù)字控制周期T計(jì)算得到的實(shí)際參考d-q軸電壓，即ud(n)＝ud_ref(n-1)，uq(n)＝uq_ref(n-1)； 判斷系統(tǒng)是否發(fā)生過流，過壓或欠壓故障。是，封鎖PWM脈沖信號(hào)，中止控制程序；否，繼續(xù)下一步驟； 通過速度位置估算環(huán)節(jié)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。本發(fā)明系統(tǒng)采用了一種基于模型參考自適應(yīng)的永磁同步電機(jī)無位置傳感器轉(zhuǎn)速、位置辨識(shí)方法。根據(jù)前面模型參考自適應(yīng)方法的原理分析，首先將ud(n)，uq(n)代入到下面的并聯(lián)可調(diào)模型當(dāng)中， 即可計(jì)算得到

然后將步驟2得到的定子三相電流按照下面的abc→dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到id(n)，iq(n)， 其中，θ取DSP中上一個(gè)數(shù)字控制周期T計(jì)算得到的估算轉(zhuǎn)子位置角

令 根據(jù)合適的自適應(yīng)率計(jì)算估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速

即估算轉(zhuǎn)子位置則按照下式計(jì)算得到， 這樣，通過模型參考自適應(yīng)方法，得到了估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速

和轉(zhuǎn)子位置
計(jì)算電機(jī)的參考d-q軸電流和電壓。在本系統(tǒng)中，電流、速度調(diào)節(jié)器均采用了典型的限幅加PI(比例積分)調(diào)節(jié)器的形式。常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器輸入輸出的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 其中，e(n)為調(diào)節(jié)器輸入，y(n)為調(diào)節(jié)器輸出，Kp，Ki分別為比例、積分常數(shù)。轉(zhuǎn)速的參考值ωref與估算轉(zhuǎn)速

的差值輸入速度調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到q軸參考電流iq_ref(n)，即 將q軸參考電流iq_ref(n)與iq(n)的差值Δiq(n)＝iq_ref(n)-iq(n)輸入轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到q軸參考電壓uq_ref(n)，即 將d軸參考電流id_ref與id(n)的差值Δid(n)＝id_ref-id(n)輸入轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到d軸參考電壓ud_ref(n)，即 利用單模式過調(diào)制方法得到逆變器的開關(guān)信號(hào)。
首先計(jì)算出參考電壓矢量的幅值和相位角，即 根據(jù)前面單模式過調(diào)制方法原理分析，計(jì)算此時(shí)的幅值系數(shù)k(n)。仍以第一扇區(qū)為例進(jìn)行說明，其他扇區(qū)類似。當(dāng)k(n)≤0時(shí)，按照下面的式子計(jì)算電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間T1(n)，T2(n)及零矢量的作用時(shí)間T0(n)， T2(n)＝Tr*(n)sin(θr(n)) T0(n)＝T-T1(n)-T2(n) 當(dāng)k(n)＞0時(shí)，則按照下面的式子計(jì)算電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間T1(n)，T2(n)及零矢量的作用時(shí)間T0(n)， T0(n)＝T-T1(n)-T2(n) 這樣，就得到每個(gè)開關(guān)器件的開通關(guān)斷時(shí)間，發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖控制逆變器的輸出電壓，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)的控制； 記錄數(shù)據(jù)和顯示波形； 判斷是否中止控制程序；否，則重新回到采用DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測步驟，開始執(zhí)行；是，中止控制程序。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，其特征在于包括以下步驟
步驟1；進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)；其中
步驟11設(shè)定轉(zhuǎn)速的參考值ωref；d軸參考電流值id_ref；控制周期T；死區(qū)時(shí)間Tdead；
步驟12；各個(gè)調(diào)節(jié)器的比例積分常數(shù)Kp，Ki；速度位置估算環(huán)節(jié)的自適應(yīng)率k1，k2；
步驟13；初始化電機(jī)參數(shù)包括極對(duì)數(shù)pn；轉(zhuǎn)子永磁磁鏈ψr；定子電阻R；d-q軸電感Ld，Lq；反電勢系數(shù)KE；
步驟14；設(shè)定上述電機(jī)的d-q軸電壓初始值為零，即ud(0)＝0，uq(0)＝0；
步驟2；采用DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測；檢測的內(nèi)容包括電機(jī)定子兩相電流；直流母線電壓Udc和計(jì)算電機(jī)的d-q軸電壓；
步驟3；對(duì)是否發(fā)生過流，過壓或欠壓故障進(jìn)行判斷；如是，封鎖PWM脈沖信號(hào)，中止控制程序；如否，繼續(xù)下一步驟；
步驟4；通過速度位置估算環(huán)節(jié)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置；
步驟5；計(jì)算電機(jī)的參考d-q軸電流和電壓；
步驟6；利用單模式過調(diào)制方法得到逆變器的開關(guān)信號(hào)；
步驟7；記錄數(shù)據(jù)和顯示波形；
步驟8；判斷是否中止控制程序，如否，則重新回到步驟2開始執(zhí)行；如是，中止控制程序。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，其特征在于其中步驟2所述的采用DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測；依次檢測電機(jī)定子的兩相電流ia(n)，ib(n)，則ic(n)＝-ia(n)-ib(n)；對(duì)于n≥1的ud，uq，取DSP中上一個(gè)數(shù)字控制周期T計(jì)算得到的實(shí)際參考d-q軸電壓，即ud(n)＝ud_ref(n-1)，uq(n)＝uq_ref(n-1)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，其特征在于其中步驟4所述的通過速度位置估算環(huán)節(jié)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，采用了一種基于模型參考自適應(yīng)的永磁同步電機(jī)無位置傳感器轉(zhuǎn)速、位置辨識(shí)方法；首先令
則并聯(lián)可調(diào)模型為
將ud(n)，uq(n)代入到上面的并聯(lián)可調(diào)模型當(dāng)中，即可計(jì)算得到
然后將
步驟2得到的定子三相電流按照下面的abc→dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到id(n)，iq(n)，
其中，θ取DSP中上一個(gè)數(shù)字控制周期T計(jì)算得到的估算轉(zhuǎn)子位置角
令
根據(jù)合適的自適應(yīng)率計(jì)算估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速
即估算轉(zhuǎn)子位置則按照下式計(jì)算得到，
這樣，通過模型參考自適應(yīng)方法，得到了估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速
和轉(zhuǎn)子位置
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，其特征在于其中步驟5所述的計(jì)算電機(jī)的參考d-q軸電流和電壓，采用了典型的限幅加PI調(diào)節(jié)器的形式。常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器輸入輸出的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
其中，e(n)為調(diào)節(jié)器輸入，y(n)為調(diào)節(jié)器輸出，Kp，Ki分別為比例、積分常數(shù)。轉(zhuǎn)速的參考值ωref與估算轉(zhuǎn)速
的差值輸入速度調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到q軸參考電流iq_ref(n)，即
將q軸參考電流iq_ref(n)與iq(n)的差值Δiq(n)＝iq_ref(n)-iq(n)輸入轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到q軸參考電壓uq_ref(n)，即
將d軸參考電流id_ref與id(n)的差值Δid(n)＝id_ref-id(n)輸入轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器，通過比例積分運(yùn)算得到d軸參考電壓ud_ref(n)，即
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，其特征在于其中步驟6所述的利用單模式過調(diào)制方法得到逆變器的開關(guān)信號(hào)，
首先計(jì)算出參考電壓矢量的幅值和相位角，即
根據(jù)后面單模式過調(diào)制方法原理分析，計(jì)算此時(shí)的幅值系數(shù)k(n)。以第一扇區(qū)為例進(jìn)行說明，其他扇區(qū)類似。當(dāng)k(n)≤0時(shí)，按照下面的式子計(jì)算電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間T1(n)，T2(n)及零矢量的作用時(shí)間T0(n)，
T2(n)＝Tr*(n)sin(θr(n))
T0(n)＝T-T1(n)-T2(n)
當(dāng)k(n)＞0時(shí)，則按照下面的式子計(jì)算電壓矢量u1，u2的作用時(shí)間T1(n)，T2(n)及零矢量的作用時(shí)間T0(n)，
T0(n)＝T-T1(n)-T2(n)
得到每個(gè)開關(guān)器件的開通關(guān)斷時(shí)間，發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖控制逆變器的輸出電壓。
全文摘要
一種永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)行控制方法，包括進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)；采用DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測；檢測的內(nèi)容包括電機(jī)定子兩相電流；直流母線電壓Udc和計(jì)算電機(jī)的d-q軸電壓；對(duì)是否發(fā)生過流，過壓或欠壓故障進(jìn)行判斷；如是，封鎖PWM脈沖信號(hào)，中止控制程序；如否，繼續(xù)下一步驟；通過速度位置估算環(huán)節(jié)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置；計(jì)算電機(jī)的參考d-q軸電流和電壓；利用單模式過調(diào)制方法得到逆變器的開關(guān)信號(hào)；記錄數(shù)據(jù)和顯示波形；判斷是否中止控制程序，如否，則重新回到步驟2開始執(zhí)行；如是，中止控制程序。本發(fā)明將單模式過調(diào)制方法應(yīng)用到永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器過調(diào)制永磁同步電機(jī)—壓縮機(jī)矢量控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02P6/08GK101252336SQ20081010149
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者葵 劉, 凱 孫, 黃立培 申請(qǐng)人:清華大學(xué)