CN106374808A - 一种压缩机用直线振荡电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩机用直线振荡电机控制方法，通过反馈信号检测模块、动子位移估算模块、行程控制模块、谐振频率跟踪控制模块和SPWM生成模块对直线振荡电机进行控制；其中动子位置检测模块通过采样电压电流，实现对动子位移和行程的估算，实现无位置控制；行程控制环采用PI反馈控制和重复控制相结合的复合控制方式实现对行程的控制；谐振频率跟踪控制模块采用二阶广义积分器产生位移和电流的正交信号量，并通过Park坐标变化将位移和电流的交流量转换为直流量进行控制，经过PI控制器输出频率控制量，实现对压缩机机械谐振频率的跟踪控制。本发明减少了直线压缩机***体积，提高了直线振荡电机的动态响应能力和***的稳态精度。

Description

一种压缩机用直线振荡电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机用直线振荡电机控制方法，是一种带有二阶广义积分控制的谐振频率跟踪控制技术和PI控制与重复控制技术相结合的复合控制方法，属于电机控制技术。

背景技术

近几年来，随着控制技术、材料技术和电力电子技术的发展，直线电机应用越为广泛。相比于传统旋转电机，采用直线电机驱动，不需要曲柄机构、凸轮机构等中间传动机构，使用电机直接进行往返直线运动，具有结构简单、控制容易、振动小、效率高等优点。直线振荡电机应用在压缩机上，使得冰箱、空调等家电更加节能、环保。

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。采用全控器件的桥式逆变电路，可以灵活地改变输出电压与频率，成为近几年直线压缩机的主要驱动电路。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；有人采用通过检测位移和电流之间的相角，通过给定相角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，该控制方式在相角检测中存在过零检测误差的问题。采用二阶广义积分器和坐标变换相结合的控制方式，可以有效的避免上述缺点，同时能够快速精确地实现电机谐振频率跟踪控制，从而实现效率最大化控制。在行程控制中采用传统PI控制技术，不能消除***周期性扰动，采用PI与重复控制相结合的控制方式，可以很好的跟踪给定，消除扰动，提高控制***的动态响应速度和静态误差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中直线压缩机存在余隙过大和撞缸等潜在危害，从而导致直线压缩机稳定性降低、效率下降的问题，本发明提供一种集无位置控制、行程控制和谐振频率跟踪控制为一体的压缩机用直线振荡电机控制方法：在行程控制中，为了克服行程控制中的周期性扰动，采用PI与重复控制相结合的控制进行行程环控制，实现行程的无静差跟踪；在谐振频率跟踪控制中，为了克服气体负载变化时等效机械频率变化而导致的直线压缩机效率低下的问题，采用带二阶广义积分器和坐标变换的谐振频率跟踪控制方法，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。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压缩机用直线振荡电机控制方法，该方法通过反馈信号检测模块、动子位移估算模块、行程控制模块、谐振频率跟踪控制模块和SPWM生成模块对直线振荡电机进行控制，包括如下步骤：

(1)所述反馈信号检测模块包括电流检测模块和电压检测模块，反馈信号检测模块将检测到的电流i和电压u发送给动子位移估算模块，通过动子位移估算模块估算出动子的位移x和行程A；

(2)所述行程控制模块采用PI控制与重复控制相结合的控制方法，给定行程A^*与行程A相减后产生的行程误差ΔA经行程控制模块输出电压控制信号V_p；

(3)谐振频率跟踪控制模块包括二阶广义积分控制器、Park坐标变换器和PI控制器；位移x经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号x'和qx'，正交信号x'和qx'经Park坐标变换器后输出q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；电流i经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号i'和qi'，正交信号i'和qi'经Park坐标变换器后输出q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；d轴位移直流信号x_d与q轴电流直流信号i_q相减后产生误差信号Δi，误差信号Δi经PI控制器后输出频率控制信号f；

(4)电压控制信号V_p和频率控制信号f经SPWM生成模块产生频率和电压可变的脉宽调制信号，用以驱动直线振荡电机，从而控制直线振荡电机的行程和效率。

具体的，所述电流检测模块包括电流互感器，所述电压检测模块包括电压互感器。

具体的，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；所述二阶广义积分器的结构为：

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；

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，k和γ均为正数。

有益效果：本发明提供的一种压缩机用直线振荡电机控制方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明的行程控制环采用PI控制与重复控制相结合的控制方式，提高了行程环的控制精度，减小了控制环的周期性误差；2、本发明的谐振频率跟踪控制环采用二阶广义积分控制器实现了动子电流与动子位移相差90°的控制，相对于已经存在的谐振频率跟踪控制，减小了过零检测误差和乘法器带来对控制芯片的要求问题；3、本发明采用二阶广义积分控制器可以消除反馈信号检测带了检测误差，提高控制精度；4、由于电流控制为正弦信号，传统的PI控制器无法做到无静差控制，本发明在二阶广义积分控制器后加入Park变换，将交流控制量转换为直流控制量，实现了无静差控制；5、本发明采用动子位移估计控制模块，无需位置检测装置，即可实现直线振荡电机的无位置控制，从而减小了压缩机的体积。

附图说明

图1为本发明的控制框图；

图2为动子位移估算模块的结构框图；

图3为行程控制模块的结构框图；

图4为谐振频率跟踪控制模块的结构框图；

图5为二阶广义积分控制器的控制原理框图；

图中：LOM为直线振荡电机，SOGI-QSG为二阶广义积分控制器，P₁(z)为PI控制器的传递函数。

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所示为一种压缩机用直线振荡电机控制方法，该方法通过反馈信号检测模块、动子位移估算模块、行程控制模块、谐振频率跟踪控制模块和SPWM生成模块对直线振荡电机进行控制；具体控制方法包括如下步骤：

(1)所述反馈信号检测模块包括电流检测模块和电压检测模块，反馈信号检测模块将检测到的电流i和电压u发送给动子位移估算模块，通过动子位移估算模块估算出动子的位移x和行程A。

(2)所述行程控制模块采用PI控制与重复控制相结合的控制方法，给定行程A^*与行程A相减后产生的行程误差ΔA经行程控制模块输出电压控制信号V_p。

(3)谐振频率跟踪控制模块包括二阶广义积分控制器、Park坐标变换器和PI控制器；位移x经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号x'和qx'，正交信号x'和qx'经Park坐标变换器后输出q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；电流i经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号i'和qi'，正交信号i'和qi'经Park坐标变换器后输出q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；d轴位移直流信号x_d与q轴电流直流信号i_q相减后产生误差信号Δi，误差信号Δi经PI控制器后输出频率控制信号f。

当压缩机输出效率最高时，逆变器输出频率与***的机械谐振频率一致，此时输出的电流最小，且电流与位移角度相差90°；当电流与位移角度相差90°时，电流i和位移x经过二阶广义积分控制器和Park坐标变换器后输出的d轴直流信号x_d与q轴直流信号i_q恰好为0。

(4)电压控制信号V_p和频率控制信号f经SPWM生成模块产生频率和电压可变的脉宽调制信号，用以驱动直线振荡电机，从而控制直线振荡电机的行程和效率。

下面结合相关计算对本发明作进一步说明。

当直线振荡电机用于压缩机时，其机械动力学方程和电路方程分别为：

$m\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{\μ}v\left(t\right)+kx\left(t\right)=K_{i}i\left(t\right)---\left(1\right)$

$u\left(t\right)=i\left(t\right)R+L\frac{di\left(t\right)}{dt}+K_{i}v\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：m为动子质量，μ为等效粘滞系数，k为等效弹簧弹性系数，K_i为电磁力系数，R为绕线电阻，L为绕线电感；从而可得速度信号为：

$v\left(t\right)=\frac{1}{K_i}\left(u\right(t)-i(t)R-L\frac{di\left(t\right)}{dt})---\left(3\right)$

对速度信号进行积分，从而的位移信号为：

$\begin{array}{c}x\left(t\right)=\∫v\left(t\right)dt=\frac{1}{K_i}\∫\[u\left(t\right)-i\left(t\right)R-L\frac{di\left(t\right)}{dt}\]dt\\ =\frac{1}{K_i}\∫\[u\left(t\right)-i\left(t\right)R\]dt-Li\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

基于公式(4)，当直线振荡电机一定时，其机械参数K_i、电气参数R和L已知，根据图2可以实现对位移信号的估算：在一个周期内，通过对位移信号进行排序可以得到最大值x_max和最小值x_min，通过A＝x_max-x_min得到行程A。

为了使行程取得良好的动态和静态性能，行程环采用PI控制和重复控制相结合的控制策略。如图3为“PI+重复控制”的结构框图，图中P₁(z)为PI控制传递函数，令PI调节控制器为P₁(s)＝K_P+K_I/s，采用后向差分进行离散化，得到PI控制器离散化传递函数为：

$P_1\left(z\right)=K_P+K_{I}T\frac{z}{z-1}---\left(5\right)$

其中：K_P为比例系数，K_I为积分系数，T为采样周期。

如图3所示，Q(z)z^-N为重复控制内模，K_rz^kS(z)为控制补偿器，包括幅值补偿和相位补偿。其中：z^kS(z)将控制对象的中低频段校正为1，高频段使其衰减，保证***的稳定性；z^-N为一个基波周期的延迟环节，保证控制补偿器的实现。

PI控制器输出u_PI和重复控制其输出u_PC，经过叠加输出电压控制信号V_P。PI+重复控制的控制器结合PI控制良好的动态性能和重复控制良好的稳态性能特点。当***负载突变时，PI控制器起主要作用，保证***的动态响应；当在稳态时，重复控制起主要作用，经过一个周期的控制延时，保证***的稳态精度。

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。

如图5所示，二阶广义积分器的正交信号发生器的结构为：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。涉及的传递函数包括：

$SOGI\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{ke}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(6\right)$

$D\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{v}=\frac{{\mathrm{k\ω}}^{\′}s}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(7\right)$

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\′}}{v}=\frac{{\mathrm{k\ω}}^{\′2}}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(8\right)$

$E\left(s\right)=\frac{e}{v}=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}---\left(9\right)$

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(7)和公式(8)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5所示，二阶广义积分器的锁相控制器的结构为：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。

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 (4)

1.一种压缩机用直线振荡电机控制方法，其特征在于：通过反馈信号检测模块、动子位移估算模块、行程控制模块、谐振频率跟踪控制模块和SPWM生成模块对直线振荡电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的压缩机用直线振荡电机控制方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

(1)所述反馈信号检测模块包括电流检测模块和电压检测模块，反馈信号检测模块将检测到的电流i和电压u发送给动子位移估算模块，通过动子位移估算模块估算出动子的位移x和行程A；

(2)所述行程控制模块采用PI控制与重复控制相结合的控制方法，给定行程A^*与行程A相减后产生的行程误差ΔA经行程控制模块输出电压控制信号V_p；

(3)谐振频率跟踪控制模块包括二阶广义积分控制器、Park坐标变换器和PI控制器；位移x经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号x'和qx'，正交信号x'和qx'经Park坐标变换器后输出q轴位移直流信号x_q和d轴位移直流信号x_d；电流i经二阶广义积分控制器后输出一对正交信号i'和qi'，正交信号i'和qi'经Park坐标变换器后输出q轴电流直流信号i_q和d轴电流直流信号i_d；d轴位移直流信号x_d与q轴电流直流信号i_q相减后产生误差信号Δi，误差信号Δi经PI控制器后输出频率控制信号f；

(4)电压控制信号V_p和频率控制信号f经SPWM生成模块产生频率和电压可变的脉宽调制信号，用以驱动直线振荡电机，从而控制直线振荡电机的行程和效率。

3.根据权利要求1所述的压缩机用直线振荡电机控制方法，其特征在于：所述电流检测模块包括电流互感器，所述电压检测模块包括电压互感器。

4.根据权利要求1所述的压缩机用直线振荡电机控制方法，其特征在于：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；所述二阶广义积分器的结构为：

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；

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，k和γ均为正数。