CN103967794A - 一种单转子压缩机的振动补偿方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于家电技术领域，提供了一种单转子压缩机的振动补偿方法及控制器，所述方法包括：获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；将Q_c与cos(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与cos(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。本发明提供的技术方案具有降低单转子压缩机的振动，实现简单的优点。

Description

一种单转子压缩机的振动补偿方法及控制器

技术领域

本发明属于家电技术领域，尤其涉及一种单转子压缩机的振动补偿方法及控制器。

背景技术

由于成本上的优势，单转子压缩机在我国的家电领域，例如家用空调或冰箱制造中被广泛使用。但单转子压缩机存在较大的负载波动，大大影响了压缩机运行的平稳性，若控制方式不当，容易引起较大的机械振动，严重时甚至会导致与单转子压缩机固连的铜管破裂，为此，不少降低单转子压缩机转速波动，抑制振动的控制方法被提出并应用。

为降低单转子压缩机的振动，Fukumoto等人在文献（Reduction of CyclicSpeed Change Using a Bandpass Filter for Compressor PMSM Sine-WavePosition Sensorless Drives,Electrical Engineering in Japan,Vol.169,No.4,2009）提出了一种基于带通滤波器的振动补偿方法。该方法要求无位置传感器的速度估计与电流控制均具有非常良好的动态性能，即速度估计与电流控制的动态滞后均能忽略，在应用中往往不易实现。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种单转子压缩机的振动补偿方法及控制器，旨在解决现有技术中的降低单转子压缩机的振动不易实现的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种单转子压缩机的振动补偿方法，所述方法包括：

获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ωe；

将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；

将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；

对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；

其中Δθ为振动补偿提前相位角；θ为单转子压缩机的机械角。

可选的，所述将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s具体包括：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数。

可选的，所述将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与s in(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值具体包括：

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\ω}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益。

可选的，所述方法将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿之后还包括：

当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；计算d轴电流补偿值具体为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，I_d(x)为d轴电流补偿值。

第二方面，提供一种单转子压缩机的振动补偿控制器，所述控制器包括：

获取单元，用于获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；

q轴补偿单元，用于将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与s in(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

输入单元，用于将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。

可选的，所述q轴补偿单元具体用于：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数；

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\ω}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益。

可选的，所述控制器还包括：

d轴补偿单元，用于当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，计算d轴电流补偿值具体为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，I_d(x)为d轴电流补偿值；

所述输入单元，还用于将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明具体实施方式提供的技术方案对振动基波有明显的抑制作用，从而减少压缩机运行的振动，改善空调运行时的因振动引起的噪音，增强空调运行的稳定性。。

附图说明

图1是本发明实施例提供的单转子压缩机的振动补偿方法的流程图；

图2是q轴电流补偿模块内部原理图；

图3是压缩机与控制器的闭环数学模型示意图；

图4是d轴电流补偿的函数波形图；

图5是d轴电流补偿量在不同坐标系下的映射示意图；

图6是振动补偿控制器使用前后压缩机速度波动对比图；

图7是本发明实施例提供的单转子压缩机的振动补偿控制器的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明具体实施方式提供一种单转子压缩机的振动补偿方法，该方法由处理器完成，该处理器完成，该处理器具体可以为：数字信号处理器或单片机等嵌入式处理器及其***电路实现。由于本发明提出的算法为连续时间算法，在嵌入式处理器中的软件实现需要用龙格库塔法、欧拉法等数值方法把连续时间算法转换为离散算法，软件的处理速度需满足实时性的要求，尽量让控制周期在500us以内。

S11、获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；

S12、将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；

S13、将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；

S14、对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

S15、将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。

上述S12的实现方法具体可以为：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\Δ\ω}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数。

可选的，上述S13、S14的实现方法具体可以为：

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\ω}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益。

需要说明的是，上述q轴电流补偿值的工作原理图如图2所示，

其中，θ为压缩机的机械角，ω*和ωe分别为转速的给定值与估计值。需要进行调整的参数如下：T_f为低通滤波器时间常数；Δθ为振动补偿提前相位角；k为高通滤波器的带宽参数；G为微分控制增益。由图可见，q轴电流补偿模块首先从转速的纹波中提取出与机械角转速基波的相位与幅值，然后运用微分控制产生ΔIq，对振动的基波进行抑制。由于微分在物理上不可实现，因此在应用中只能通过高通滤波器来近似微分运算。这种对微分算子的近似，以及速度估计与电流环的相位滞后，都会使得ΔIq的相位存在滞后，因此该方法需要对q轴电流的补偿值进行相位提前处理。

由图2可知，Δω=ω*-ωe为速度误差。对于压缩机而言，Δω包含了振动的基波谐波成分，可表示为：

其中，ωet=θ。图2中Qc与Qs分别为Δω的余弦与正弦振动成份。假设低通滤波器1/(1+Tfs)能准确提取直流分量，则Qc与Qs满足下式关系：

则ω_rip满足：

上式表明ω_rip为速度振动成分提前相位角Δθ对应的值。

图2中，s/(s+k)为高通滤波器，用作微分逼近。当k值较大时，高通滤波器在低频段的频率特性与微分非常接近；而在高频段可通过Δθ对高通滤波器的相位滞后进行补偿。

图3为在压缩机振动补偿控制器q轴电流补偿作用下，压缩机与控制器的闭环数学模型。该模型只考虑振动的基波成分，主要是因为对振动基波进行补偿能消除振动的主要成分，并避免高频噪声对闭环性能的影响。图3中Tl为压缩机固有的周期性外部扰动。Tl直流分量的影响可被PI控制器有效抑制，因此这里只分析Tl的基波部分。由图3可知，速度与扰动之间满足：

ω(s)/Tl(s)=J/(1+JGψm)·(1/s)

首先，上式中的积分可令周期性外部扰动Tl的影响得以抑制。对于频率为F的振动基波，积分环节可把振动幅值抑制为原来的1/F。压缩机的运行频率一般满足F>5Hz，因此该积分环节对于压缩机的振动基波有明显的抑制作用。另一方面，由上式的前一项可知，q轴电流补偿的控制增益G越大，则J/(1+JGψm)越小，即扰动对速度的影响越小。由上述分析可见，若微分控制增益G足够大，则能把速度波动抑制到一个期望的范围以内。所以本发明具体实施方式提供的方法具有振动基波有明显的抑制作用，并且其实现方式也很容易。

可选的，上述方法在S16之后，还可以包括：

当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；其具体的计算方法可以为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，另外，ω*为上述函数的输入值x；其具体的函数图像如图4所示，其中，ω₁、ω₂分别为设定范围的最低转速和最高转速；ID1、ID2分别为ω₁、ω₂对应的d轴电流补偿值。

在实际应用中，加入正的d轴电流有利于维持压缩机的稳定运行（详见图5与相关说明）。由于低频时往往振动更大，因此在低频时加入更大的正向d轴电流补偿值。

图5是d轴电流补偿模块输出的电流矢量在不同坐标系下的映射。在图5中，d-q坐标系和dc-qc坐标系分别表示转子固连的坐标系和角度估计值所对应的坐标系。假设旋转方向为顺时针方向。则由图5中的(a)可知，当负载增大时，转速将下降，d-q坐标系将滞后于dc-qc坐标系。因此，d轴电流补偿所施加的d轴电流矢量Idc，将在q轴形成一个正向的分量ΔIq>0，从而使转子加速，以保证压缩机维持原来的转速。反之，当负载减少时，转速将上升，d-q坐标系将超前于dc-qc坐标系。因此，d轴电流补偿所施加的d轴电流矢量Idc，将在q轴形成一个负向的分量ΔIq<0，从而使转子减速，这样便能使压缩机维持原来的转速。这样能够进一步提高单转子压缩机的稳定性。

图6是振动补偿控制器（加d轴补偿和q轴补偿）使用前后压缩机速度波动的对比。其中，图6（a1）、图6（b1）未加振动补偿控制，图6（a2）、图6（b2）加入振动补偿控制;可见使用了本发明提出的振动补偿控制器，压缩机运行时的速度波动可大大降低。以一台单转子压缩机驱动的分体变频空调为对象，对本发明提出的振动补偿控制器进行实验验证。分别测量25Hz与30Hz频率下运行时，未使用振动补偿控制器与使用了该控制器情况下的转速波动曲线。由图可见，使用了该振动补偿控制器后压缩机的转速波动得以有效抑制。随着速度波动的降低，压缩机的振动也能得到有效的抑制。

本发明具体实施方式还提供一种单转子压缩机的振动补偿控制器，该控制器如图7所示，包括：

获取单元71，用于获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；

q轴补偿单元72，用于将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

输入单元73，用于将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。

可选的，q轴补偿单元72具体用于：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数；

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\&omega;}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益；

可选的，上述控制器还包括：

d轴补偿单元74，用于当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，计算d轴电流补偿值具体为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，I_d(x)为d轴电流补偿值；

所述输入单元，还用于将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单转子压缩机的振动补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；

将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；

将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；

对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；

其中Δθ为振动补偿提前相位角；θ为单转子压缩机的机械角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s具体包括：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值具体包括：

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\&omega;}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿之后还包括：

当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿；计算d轴电流补偿值具体为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，T_d(x)为d轴电流补偿值。

5.一种单转子压缩机的振动补偿控制器，其特征在于，所述控制器包括：

获取单元，用于获取单转子压缩机的速度指令值对应的转速给定值ω*和估计值ω_e；

q轴补偿单元，用于将速度误差Δω与cosθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的余弦分量Q_c，将Δω与sinθ相乘后进行低通滤波处理得到速度波动基波的正弦分量Q_s；将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘，将Q_s与sin(θ+Δθ)相乘，将Q_c与C O S(θ+Δθ)相乘结果和Q_s与sin(θ+Δθ)相乘结果相加得到中间转速ω_rip；对ω_rip进行高通滤波处理后得到q轴电流补偿值；

输入单元，用于将q轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。

6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述q轴补偿单元具体用于：

$Q_c=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right]$

$Q_s=\frac{1}{1+T_{f}s}\left[\mathrm{\&Delta;\&omega;}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\right];$

其中，T_f为低通滤波器时间常数；

ω_rip=Q_c cos(θ+Δθ)+Q_s sin(θ+Δθ)

$I_{\mathrm{qcom}}=\frac{s}{s+k}\left[{\mathrm{G\&omega;}}_{\mathrm{rip}}\right];$

其中，I_qcom为q轴电流补偿值，k为高通滤波器的带宽参数，G为微分控制增益。

7.根据权利要求5或6所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括：

d轴补偿单元，用于当ω*在设定范围内时，依据转速给定值ω*计算出d轴电流补偿值，计算d轴电流补偿值具体为：

I_d(x)=hx+b；其中，h，b可以在单转子压缩机调试时确定的常数，I_d(x)为d轴电流补偿值；

所述输入单元，还用于将d轴电流补偿值输入单转子压缩机以实现振动补偿。