CN106357183A - 一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，首先检测动子电流信号和动子位移信号，然后将电流信号和位移信号分别接入二阶广义积分器的输入，经二阶广义积分控制正交信号发生器，输出电流信号与其正交信号；同理，输出电压信号与其正交信号；经过二阶广义积分控制锁频环输出电流频率信号和电压频率信号。将上述输出信号经过Park坐标变换，分别输出电流直流信号与位移直流信号，选择电流输出信号的q轴电流作为反馈控制信号，位移输出信号的d轴位移作为电流给定信号，对上述信号进行PI反馈控制，最终输出频率控制信号。本发明提供的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，实施过程简单，跟踪频率快速，抗干扰能力强，控制精度高。

Description

一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，是一种带有二阶广义积分锁相控制的谐振频率跟踪控制方法，属于电机控制技术。

背景技术

直线压缩机相比于传统旋转电机，无需曲柄机构、凸轮机构等中间传动机构，具有结构简单、控制容易、振动小、效率高等优点。直线压缩机***将直线电机与机械弹簧相结合形成的谐振***，根据机械共振原理直线振荡电机的工作频率与共振频率保持一致时，***效率最高。随着气体负载的变换，采用直线压缩机存在余隙过大和撞缸等潜在危害。采用合适有效的控制方式，保证合适的行程和更高的效率成为直线压缩机控制的主要目标。

在保证直线电机控制行程稳定的情况下，在负载变动时，控制***能很好的跟踪机械谐振频率，成为直线压缩机控制研究的一个热点。根据在共振点处，电流最小、位移和电流相差90°的特点，有人采用控制位移和电流乘积的平均值的方法进行压缩机效率最大化控制，但该方法用到了乘法器，提高了对主控芯片的要求，同时当检测到的电流和位置信号干扰时，降低控制性能；有人采用检测位移和电流之间的相角控制，设定相角90°，通过给定与反馈进过PI控制器或者模糊控制器，实现效率最大化，该控制方法在相角检测中存在过零检测误差的问题。将位移交流信号和电流交流信号经过二阶广义积分控制器，分别输出该信号与其正交信号，并通过Park变换控制将控制的交流量转变为更加容易控制的直流信号量，控制简单，由于二阶广义积分控制中固有的滤波和锁相功能，很好的滤出电流和位置采样过程中的干扰信号，提高其控制精度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的气体负载变化时等效机械频率变化，从而导致的直线压缩机效率降低的问题，本发明提供一种带二阶广义积分器和坐标变换的谐振频率跟踪控制方法，该方法能有效地跟踪等效机械谐振频率，实现直线振荡电机效率最大化控制；该方法实施过程简单，控制精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，首先对动子电流信号i和动子位移信号x进行检测；然后将动子电流信号i接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i，对无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i进行Park变换，得到q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；同时将动子位移信号x接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x，对无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x进行Park变换，得到q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；选择q轴电流直流信号i_q作为反馈控制信号，选择d轴位移直流信号x_d作为电流给定信号经PI反馈控制器输出频率控制信号f，实现谐振频率跟踪控制。

具体的，所述二阶广义积分器的结构为：记二阶广义积分器的输入信号为v，输出信号为v'，输出信号v'的正交信号为qv'，其中输入信号v为正弦信号；输入信号v与输出信号v'相减得到的误差信号e＝v-v'，误差信号e经第一比例控制器后输出误差控制信号ke，误差控制信号ke与正交信号qv'的差值经第一积分控制器得到输出信号v'，输出信号v'经第二积分控制器得到正交信号qv'；其中第一比例控制器的比例系数为k，第一积分控制器和第二积分控制器的积分系数均为1，k为正数。

具体的，所述二阶广义积分器中，误差信号e与正交信号qv'相乘得到频率误差信号e_f，频率误差信号e_f经第二比例控制器、第三积分控制器后与直线振荡电机的额定工作频率ω_c叠加，得到二阶广义积分器的中心频率ω'；中心频率ω'经第四积分控制器后输出相角信号θ；其中第二比例控制器的比例系数为-γ，第三积分控制器和第四积分控制器的积分系数均为1，γ为正数。

具体的，使用电流互感器对动子电流信号i进行检测，使用涡流传感器对动子位移信号x进行检测。

具体的，所述PI反馈控制器有限幅输出。

有益效果：本发明提供的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，采用的二阶广义积分控制器能够抑制电流采样干扰和位移采样干扰，同时在二阶广义积分器的基础上实现电流和位移信号的锁相，经过Park变换将交流量转换为直流量，能够实现无静差控制；本发明的实施过程简单、跟踪频率快速、控制精度高。

附图说明

图1为本发明的控制框图；

图2为二阶广义积分器的正交信号发生器原理框图；

图3为二阶广义积分器的锁相控制器原理框图；

图4为一阶锁频环原理；

图5为PI反馈控制器的原理框图；

图6为直线振荡电机的控制矢量图，6(a)为ω＜ω_m情况，6(b)为ω＝ω_m情况，6(c)为ω＞ω_m情况；其中ω为直线振荡电机的工作频率，ω_m的直线振荡电机的机械角频率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，具体包括如下步骤：

(1)使用电流互感器对动子电流信号i进行检测，使用涡流传感器对动子位移信号x进行检测；

(2)将动子电流信号i接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i，对无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i进行Park变换，得到q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；

(3)将动子位移信号x接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x，对无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x进行Park变换，得到q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；

(4)选择q轴电流直流信号i_q作为反馈控制信号，选择d轴位移直流信号x_d作为电流给定信号经PI反馈控制输出频率控制信号f，实现谐振频率跟踪控制。

如图2所示为二阶广义积分器的正交信号发生器，其结构为：记二阶广义积分器的输入信号为v，输出信号为v'，输出信号v'的正交信号为qv'，其中输入信号v为正弦信号；输入信号v与输出信号v'相减得到的误差信号e＝v-v'，误差信号e经第一比例控制器后输出误差控制信号ke，误差控制信号ke与正交信号qv'的差值经第一积分控制器得到输出信号v'，输出信号v'经第二积分控制器得到正交信号qv'；其中第一比例控制器的比例系数为k，第一积分控制器和第二积分控制器的积分系数均为1，k为正数。

如图2所示，二阶广义积分器的正交信号发生器中涉及的传递函数包括：

$SOGI\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{ke}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(1\right)$

$D\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{v}=\frac{{\mathrm{k\ω}}^{\′}s}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(2\right)$

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\′}}{v}=\frac{{\mathrm{k\ω}}^{\′2}}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(3\right)$

$E\left(s\right)=\frac{e}{v}=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(4\right)$

其中：SOGI(s)为二阶广义积分器的输出误差传递函数，D(s)为二阶广义积分器的输出传递函数，Q(s)为二阶广义积分器的正交输出传递函数，E(s)为二阶广义积分器的误差输入传递函数，ω'为二阶广义积分器的中心频率。

由公式(2)和公式(3)可知，该二阶广义积分器输出两个有90°相移的正交信号，其中输出信号v'与输入信号v的相序一致，正交信号qv'滞后输入信号v90°；D(s)对应一个自适应带通滤波器，用于对输入信号v进行滤波；E(s)对应一个二阶陷波器，在中心频率ω'处增益为零，当输入信号v的频率从略高于中心频率ω'转变为略低于中心频率ω'时，输出的相角信号θ会发生180°跳变，从而实现对输入信号v的锁相。

如图3所示为二阶广义积分器的锁相控制器，其结构为：误差信号e与正交信号qv'相乘得到频率误差信号e_f，频率误差信号e_f经第二比例控制器、第三积分控制器后与直线振荡电机的额定工作频率ω_c叠加，得到二阶广义积分器的中心频率ω'；中心频率ω'经第四积分控制器后输出相角信号θ；其中第二比例控制器的比例系数为-γ，第三积分控制器和第四积分控制器的积分系数均为1，γ为正数。

如图3所示，二阶广义积分器的锁相控制器相当于图4中的一阶锁频环，一阶锁频环的传递函数为：

$\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^{\′}}{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\Γ}}{s+\mathrm{\Γ}}---\left(5\right)$

其中：当***稳定时，中心频率ω'等于输入信号v的输入频率，V为输入信号v的幅值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，其特征在于：首先对动子电流信号i和动子位移信号x进行检测；然后将动子电流信号i接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i，对无干扰电流信号i'及其正交信号qi'和相角信号θ_i进行Park变换，得到q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；同时将动子位移信号x接入二阶广义积分器，经二阶广义积分器的滤波和锁相功能输出无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x，对无干扰位移信号x'及其正交信号qx'和相角信号θ_x进行Park变换，得到q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；选择q轴电流直流信号i_q作为反馈控制信号，选择d轴位移直流信号x_d作为电流给定信号经PI反馈控制器输出频率控制信号f，实现谐振频率跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，其特征在于：所述二阶广义积分器的结构为：记二阶广义积分器的输入信号为v，输出信号为v'，输出信号v'的正交信号为qv'，其中输入信号v为正弦信号；输入信号v与输出信号v'相减得到的误差信号e＝v-v'，误差信号e经第一比例控制器后输出误差控制信号ke，误差控制信号ke与正交信号qv'的差值经第一积分控制器得到输出信号v'，输出信号v'经第二积分控制器得到正交信号qv'；其中第一比例控制器的比例系数为k，第一积分控制器和第二积分控制器的积分系数均为1，k为正数。

3.根据权利要求2所述的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，其特征在于：所述二阶广义积分器中，误差信号e与正交信号qv'相乘得到频率误差信号e_f，频率误差信号e_f经第二比例控制器、第三积分控制器后与直线振荡电机的额定工作频率ω_c叠加，得到二阶广义积分器的中心频率ω'；中心频率ω'经第四积分控制器后输出相角信号θ；其中第二比例控制器的比例系数为-γ，第三积分控制器和第四积分控制器的积分系数均为1，γ为正数。

4.根据权利要求1所述的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，其特征在于：使用电流互感器对动子电流信号i进行检测，使用涡流传感器对动子位移信号x进行检测。

5.根据权利要求1所述的直线振荡电机的谐振频率跟踪控制方法，其特征在于：所述PI反馈控制器有限幅输出。