一種無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法與流程
2023-05-12 04:43:51 2
本發明涉及壓縮機變頻驅動控制領域，具體涉及一種無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法。
背景技術：
永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)憑藉體積小、功率密度高、效率高等顯著優點，已經逐步應用到了汽車空調變頻壓縮機中。永磁同步電機(PMSM)變頻驅動壓縮機由於壓縮機設計密封、體積、工作環境等原因無法實現位置傳感器的安裝，此外，為了提高汽車駕駛舒適性也要求必須控制壓縮機噪聲，因此採用無感PMSM矢量控制方式一直都是主要的研究方向之一。
由壓縮機工作原理和負載特性可知，壓縮機的轉矩是周期性變化的，特別是對於工作一段時間後，停機再啟動時，負載很大，在壓縮機啟動過程中，由開環加速到閉環切換的瞬間會產生很大的電流，容易造成瞬間過流保護，但是，無感運行方式的壓縮機控制驅動裝置必須平穩可靠的切換過渡，目前的啟動方法不能很好的滿足這一要求。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種啟動平穩、切換平滑、且能降低運行噪聲的無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法。
為達到以上目的，本發明採取的技術方案是：
一種無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法，該方法包括以下步驟：
採用矢量控制方式對壓縮機進行控制；
啟動壓縮機，設置壓縮機的轉子的預設角度，並逐漸提升壓縮機的轉速；
在提升壓縮機的轉速的過程中，以所述預設角度為初始值，採用迭代法估算轉子的速度和位置角度；以及
當估算的轉子的速度穩定時，確定對應的轉子的實際角度，檢測轉子的所述預設角度和實際角度的角度差，通過閉環控制使角度差逐漸縮小，使壓縮機轉入自同步運行模式。
在上述技術方案的基礎上，所述採用迭代法估算轉子的速度和位置角度的步驟包括：
S1：採樣重構壓縮機相電流Ia、Ib；
S2：通過Clark變換將壓縮機相電流Ia、Ib變換為α、β坐標系下的電流Iα、Iβ；
S3：根據Iα、Iβ和所述預設角度通過Park變換，變換為d、q坐標系下的電流Id、Iq；
S4：將Id、Iq再與速度環結合MTPA算法計算後的電流參考值Id*、Iq*進行PI閉環調節後得到d、q坐標系下的電壓Vd、Vq；
S5：通過RePark變換將Vd、Vq變換為α、β坐標系下的電壓Vα、Vβ；
S6：將Iα、Iβ、Vα、Vβ和母線電壓Vdc進行實時運算後得到反電勢eα和eβ，根據eα和eβ得到轉子的速度和位置角度；
S7：將步驟S6中得到的轉子的位置角度代替步驟S3中的預設角度，並重複步驟S1-S6，直到估算的轉子的速度趨於穩定時停止迭代。
在上述技術方案的基礎上，所述步驟S6中將eα和eβ再通過PLL鎖相環法計算得到轉子的速度和位置角度。
與現有技術相比，本發明的優點在於：
本發明的無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法，其通過設置壓縮機的轉子的預設角度，然後採用迭代法估算轉子的速度和位置角度，當估算的轉子的速度穩定後，確定對應的轉子的實際角度，檢測轉子的預設角度和實際角度的角度差，通過閉環控制使角度差逐漸縮小，當預設角度與實際角度基本重合時，快速切換到實際角度運行，壓縮機自然的轉入自同步運行模式，最後根據設定的電流和轉速進行閉環運行。這種啟動方法啟動平穩、切換平滑、且能降低壓縮機運行噪聲。
附圖說明
圖1為本發明中矢量控制系統的示意圖；
圖2為本發明中電流採樣電路原理圖；
圖3為本發明中角度追蹤的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明提供一種無感PMSM矢量控制角度追蹤切換啟動壓縮機的方法，該方法包括以下步驟：
採用矢量控制方式對壓縮機進行控制。本發明中的矢量控制又稱之為磁場定向控制(Field Oriented Control，FOC)，是通過控制變頻器輸出電壓的幅值和頻率控制三相交流電機的一種變頻驅動控制方法。
啟動壓縮機，設置壓縮機的轉子的預設角度，並逐漸提升壓縮機的轉速。
在提升壓縮機的轉速的過程中，以預設角度為初始值，採用迭代法估算轉子的速度和位置角度。
參見圖1所示，壓縮機的位置與速度反饋模塊與相電流採樣模塊採用虛線連接，這表示實際系統中不需要物理連接，位置與速度反饋模塊採用算法估算出來，本發明中採用迭代法估算轉子的速度和位置角度的步驟包括：
S1：採樣重構壓縮機相電流Ia、Ib；
永磁同步電機(PMSM)實行FOC控制，需要使用電流閉環，在安裝空間有限的情況下，需要捨棄封裝體積較大的電流傳感器，採用逆變橋下橋低端安裝電阻的方式來採樣電流。參見圖2所示，這種方式由於只能在對應的下橋開關T2、T4、T6打開時，才有電流流過採樣電阻R1、R2和R3，才能採樣。因此所採集的相電流受限，必須採用電流重構算法來還原出三相電流。
本發明重構壓縮機相電流的具體實施步驟為：根據空間矢量扇區判斷原則，預先安排好將要採集的某兩相電流的隊列，然後設置判電流的採集時刻，當採樣時刻到達後，啟動AD轉換器，進行雙路同時採樣，採集到的兩相電流，再按規則區分出濾波，然後再計算出第三相電流。當空間矢量SVPWM佔空比較高時，由於下橋開通時間變短，導致電流的採集窗口變小甚至失效，為了能正常運行FOC，此時需要採用推算的方法，使用先前的數據判斷或人為插入新的採樣窗口的方法來採集相電流。
S2：通過Clark變換將壓縮機相電流Ia、Ib變換為α、β坐標系下的電流Iα、Iβ。
S3：根據Iα、Iβ和所述預設角度通過Park變換，變換為d、q坐標系下的電流Id、Iq。
S4：將Id、Iq再與速度環結合MTPA算法計算後的電流參考值Id*、Iq*進行PI閉環調節後得到d、q坐標系下的Vd、Vq。
上述MPTA算法和PI閉環調節的工作步驟為：
參見圖1所示，根據速度環輸出的Q軸的電流參考值Iq*，依據預先由電機參數定子電阻Rs、D軸電感Ld、Q軸電感Lq和永磁鏈Ψf計算好的表格，進行插值獲取D軸電流參考值Id*，從而實現最大轉矩最小電流控制。由Q軸和D軸電流參考值Iq*和Id*結合電流兩次坐標變換得到的Id和Iq進行線性PI運算，線性PI包含了比例環節和積分環節，分別控制系統的高頻增益和低頻帶寬，最終得到Vd和Vq。
S5：通過RePark變換將Vd、Vq變換為α、β坐標系下的電壓Vα、Vβ。
S6：將Iα、Iβ、Vα、Vβ和母線電壓Vdc進行實時運算後得到反電勢eα和eβ，根據eα和eβ得到轉子的速度和位置角度。
本發明中將eα和eβ再通過PLL(Phase Locked Loop)鎖相環法計算得到轉子的速度和位置角度。
S7：將步驟S6中得到的轉子的位置角度代替步驟S3中的預設角度，並重複步驟S1-S6，直到估算的轉子的速度趨於穩定時停止迭代。
轉子的速度趨於穩定是指，根據多次迭代得到的轉子的速度的波動在一定範圍內即可認為轉子的速度趨於穩定。
當轉子的速度和位置角度估算出來後，便可確定轉子的實際角度。當估算的轉子的速度穩定時，確定對應的轉子的實際角度，檢測轉子的預設角度和實際角度的角度差，通過閉環控制使角度差逐漸縮小，使壓縮機轉入自同步運行模式。
空調壓縮機負載對於啟動過程的要求比較高，無感矢量控制來控制壓縮機必須通過複雜的算法和可靠的硬體電路滿足大負載、頻繁啟動的要求，啟動過程中力求衝擊電流小、啟動平穩，為了儘快的讓壓縮機內部PMSM進入同步運行模式，自適應負載電流，本發明設計了矢量角度追蹤啟動的算法，原理參見圖3所示。從圖3可以看出，本發明使用的角度追蹤方式是在矢量坐標下進行的，Ψf為永磁鏈，Mf為預設磁場角度，θ*為轉子的預設角度，θ為轉子的實際角度，Δθ為轉子的實際角度與轉子的預設角度的差值，壓縮機在啟動時由於角度未知，無法自同步運行，所以在低速階段，必須採用人工強制升速，在升速啟動過程中，檢測角度差，並通過調整預設角度的大小來控制角度差逐漸縮小。然後自然過渡到轉子的實際磁場角度上，通過這樣的控制器方式可以很好降低角度切換時帶來的電流波形畸形衝擊，使壓縮機在重載條件下也能平穩啟動。
本發明不局限於上述實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。