CN110266229B - 无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法 - Google Patents
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Abstract
无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，本发明涉及永磁同步电机驱动***的谐振抑制方法。本发明的目的是为了解决现有空调驱动***中的电解电容替换成薄膜电容后，***中出现谐振的问题。体过程为：一：计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；二：对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；将提取的母线电压波动分量分别乘以系数得到***阻尼调节信号；三：通过计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数的大小；四：将阻尼调节信号通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号转换至αβ轴，并叠加在α轴电压和β轴电压部分。本发明用于电机控制技术领域。
Description
技术领域
本发明应用在电机控制技术领域，尤其涉及永磁同步电机驱动***的谐振抑制方法。
背景技术
永磁同步电机以其结构简单、运行可靠、功率密度高的优点被广泛应用于各种工业制造领域，在家用变频空调***中常用其作为室外压缩机使用。在传统空调电机驱动***中，通常使用大容量的电解电容以抑制母线电压纹波，并引入PFC电路调节网侧功率因数。但是电解电容受温度影响较大，在室外温差较大的环境中容易损坏，从而导致空调***故障。可以将大容量的电解电容替换为容值较小的薄膜电容，使母线电容的寿命得到了提高。由于直流母线电容起到稳定母线电压、减小电压纹波的作用，当母线电容容值减小时，直流侧储存能量减少，导致母线电压波动量增加，整流电路的导通角增大，***输入功率因数增大，这样就可以去掉功率因数校正电路，节约***成本。
但是，由于去掉了PFC电路，使滤波电抗器与直流母线电容重新连在一起，导致了二者相互作用产生LC谐振现象，导致输入电流存在谐波，对电网电流造成污染。目前研究的方法中，对谐振现象的抑制策略可分为硬件方法及软件方法。硬件方法通过在前级电路中增加阻抗元件的方式对***阻尼进行调节，但是增加阻抗元件会增大***损耗，增加***故障点。软件方法可以避免对硬件电路的修改，通过先进的控制策略对***的阻尼进行调节，并且可以通过实时修改程序中的参数对***稳定性进行自适应调节。因此，研究出在无电解电容空调永磁同步电机驱动***中的软件谐振抑制方法具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有空调驱动***中的电解电容替换成薄膜电容后，***中出现谐振的问题，而提出无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法。
无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法具体过程为：
步骤一：计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；
步骤二：对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；
步骤三：通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；
步骤四：将步骤二中公式(11)(12)的阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在α轴电压uα和β轴电压uβ部分。
本发明的有益效果为：
本发明计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；通过计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗，通过最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；将阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在α轴电压uα和β轴电压uβ部分。
在无电解电容空调永磁压缩机驱动***中应用了本发明提出的谐振抑制方法之后，网侧电流与母线电压中的谐振现象得到了有效抑制，网侧电流与电网电压在额定转速下运行时在谐振点处的谐波幅值由0.72A与16.3V分别降至0.06A与0.8V，各次谐波的幅值均得到了削弱，稳定性得到提升。
附图说明
图1为本发明的无电解电容空调永磁压缩机驱动***的小信号建模框图；图1中的uin为电网输入电，ig为电网输入电流，iinv为逆变器输出电流，udc为母线电压输出值，Zin为负载输入侧的等效输入阻抗，Yin为负载输入侧的等效输入导纳，Cdc为直流母线电容容值，Lg为滤波电抗器的电感值，Rg为电路等效电阻值；
图2为电机dq轴电流信号控制框图，其中考虑了PWM驱动控制信号对电流状态的影响，图2中的
为dq轴电流给定值，
为dq轴电压给定值，Fid,q为dq轴电流控制器，GFOC为两相旋转坐标系下的电机***状态方程，Gud的表达式由下式得到：A为带通滤波器，D为PWM驱动控制信号的延迟时间，udq为dq轴电压参考信号，idq为dq轴电流参考信号；
图3为施加了本发明的电机dq轴电流小信号控制框图，其中gvd，q为gvq和gvd，gvd与gvq为用来调节***性能的参数；
图4为本发明的无电解电容永磁同步电机空调驱动***的内环电流环控制框图；此框图是在传统的电机驱动***上加上了谐振抑制模块；图4中的udc为直流母线电压，Δudc为直流母线电压波动分量，Pdamp为阻尼功率，Pinv为逆变器功率；Δuα为α轴的电压分量，Δuβ为β轴的电压分量；ua为三相静止坐标系下的a相电压，ub为三相静止坐标系下的b相电压，uc为三相静止坐标系下的c相电压；iα为两相静止坐标系下的α轴电流，iβ为两相静止坐标系下的β轴电流；
为直轴电流给定值，id为直流电流反馈值；
为交轴电流给定值，iq为交轴电流反馈值；
为两相旋转坐标系下的直轴电压给定值，
为两相旋转坐标系下的交轴电压给定值；ud为两相旋转坐标系下的直轴电压输出值，uq为两相旋转坐标系下的交轴电压输出值；uα和uβ为通过坐标变换得到的两相静止坐标系下的电压参考值；-ωrLqiq为直轴电压解耦分量，ωrLdid+ωrψf为交轴电压解耦分量，PI为PI控制器；
图5为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流实验波形图；
图6为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流傅里叶分析图；
图7为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压实验波形图；
图8为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压傅里叶分析图；
图9为采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流实验波形图；
图10为采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流傅里叶分析图；
图11为采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压实验波形图；
图12为采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压傅里叶分析图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法具体过程为：
下面将结合附图对本发明进行详细而完整的说明。结合图1与图12，本发明提出无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，所述谐振抑制方法用于抑制电机驱动***中的谐振现象，具体包括以下步骤：
步骤一：无电解电容驱动***中的谐振现象是由于直流母线电容与滤波电抗器产生谐振现象造成的，在实际***中为了抑制谐振现象需要通过增大***阻抗的方式保持***稳定性并抑制谐振。根据永磁同步电机本体参数及其矢量控制***控制回路参数，计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；
步骤二：通过步骤一计算得出，***的阻抗可以通过对母线电压波动信号进行调节得到。因此可以对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；对母线电压的波动信息提取可由带通滤波器得到，带通滤波器的截止频率设为母线电压的波动频率。将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；
步骤三：通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；
步骤四：在实际***中，电机驱动***采用双闭环矢量控制***进行控制，其中外环为转速环，内环为电流环。由于***的谐振频率一般会大于内环电流环的带宽，将阻尼信号在电流中进行注入不会取得良好的效果。因此选择在电压信号中进行注入，将步骤二中公式(11)(12)的阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在矢量控制***中的α轴电压uα和β轴电压uβ部分。
由于母线电容与电抗器产生的谐振频率通常超过内环电流环的带宽，因此在电流环中进行信号注入无法起到良好的效果。因此选择在电压信号中进行注入。通过逆park变换将dq轴阻尼信号变换至αβ轴进行注入，抑制无电解电容电机驱动***的谐振现象，改善***稳定性。
图1为无电解电容电机驱动***从阻抗角度的小信号模型，其中Zin为从输入角度的电机驱动***输入阻抗。通过电机驱动***的各部分分立器件参数可计算出***的输入阻抗的大小。图2为电机的电流小信号PWM模型表达式，其中考虑到了PWM驱动信号的延迟效应，通过该框图可以得到母线电压波动信号对d轴和q轴电流的影响。图3为施加了本方法的电机电流小信号PWM模型表达式，其中A为带通滤波器，D为PWM延迟。母线电压信号通过带通滤波器得到母线电压的波动信号，通过对母线电压波动信号得到的阻尼信号进行电压注入可调节***阻抗，使***阻抗增大至满足稳定性条件的最小阻抗值以上，调节***稳定。
如图4所示，为施加了谐振抑制算法的无电解电容电机驱动***算法框图。控制***采用双闭环矢量控制***，其中外环为转速环，内环为电流环。转速环与电流环的控制器均选用PI控制器，对给定值与反馈值之间的差值进行调节。电机定子三相电流通过Clark和Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流。电机位置与转速信息由无位置传感器观测算法得到。谐振抑制环节分为以下步骤：首先将母线电压信号udc通过带通滤波器，得到母线电压波动信号Δudc；母线电压波动信号通过乘以系数gvd与gvq得到dq轴下的阻尼调节信号；将dq轴下的阻尼调节信号通过Clark变换转换至αβ坐标系下，并在uα与uβ进行注入，将***的阻尼增大，以抑制谐振现象。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中无电解电容驱动***中的谐振现象是由于直流母线电容与滤波电抗器产生谐振现象造成的，在实际***中为了抑制谐振现象需要通过增大***阻抗的方式保持***稳定性并抑制谐振。根据永磁同步电机本体参数及其矢量控制***控制回路参数，计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；具体过程为：
永磁同步电机运行时，从电网输入侧(就是以电网输入端口看进去的阻抗模型)建立电机驱动***的阻抗信号模型，
式中，Δ表示信号变量，Δud、Δuq分别是电机驱动***在两相旋转坐标系下d、q轴的输出电压信号变化量，
分别是电机驱动***在两相旋转坐标系下d、q轴的电压参考值信号变化量，Δudc是直流母线电压信号变化量，ud0、uq0分别是两相旋转坐标系下d、q轴的输出电压直流分量，udc0是母线电压直流分量，A代表带通滤波器，D代表PWM驱动控制信号的延迟时间；
求得电机驱动***的总输入阻抗：
式中，Yin为电机驱动***的总输入阻抗；Δiinv为逆变器电流信号变化量；Δudc为直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量；udc0为母线电压直流分量；pn为电机极对数；ψf为永磁体磁链；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；id为d轴电流平均值；ωm0为转速给定值；Te0为压缩机输出转矩基值；Gdd、Gdq为母线电压波动量对电机的影响；
电机驱动***稳定所满足的稳定性方程为：
式中，Cdc为直流母线电容容值；Lg为滤波电抗器的电感值；Rg为电路等效电阻值；通过式(7)计算出满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗；
最小输入阻抗的计算公式为：
式中，
为最小输入阻抗。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述Gdd、Gdq表达式如下：
式中，GFOC为dq轴坐标系下的电机模型方程；Fid为d轴的电流控制器；Fiq为q轴的电流控制器；A为带通滤波器；D为PWM驱动控制信号的延迟时间；Gud为反电动势系数。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述反电动势系数Gud的表达式由下式得到：
式中，Udc0为直流母线电压平均值；ωe为永磁同步电机运行的电频率。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤二中通过步骤一计算得出，***的阻抗可以通过对母线电压波动信号进行调节得到。因此可以对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；对母线电压的波动信息提取可由带通滤波器得到，带通滤波器的截止频率设为母线电压的波动频率。将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；具体过程为：
通过带通滤波器对母线电压进行处理，以获得相应频率的母线电压波动信号。
带通滤波器表达式为：
式中，ωB为带通滤波器中心频率；s表示拉氏变换中的复数变量；
经过带通滤波器，直流母线电压中的母线电压波动分量可以被提取出来，通过乘以系数gvd与gvq作为阻尼信号输入到电机***中，可以消除无电解电容电机驱动***中的谐振现象对永磁同步电机运行性能的影响。
直流母线电压经带通滤波器处理后得到直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量(直流母线电压在谐振频率附近的波动分量)，表达式如下式所示：
式中，udc为直流母线电压；Δudc为直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量；
进一步得到阻尼调节信号的表达式如下式所示：
ud_damp＝gvd·Δudc (11)
uq_damp＝gvq·Δudc (12)
式中，gvd与gvq为用来调节***性能的参数，ud_damp为d轴的***阻尼调节信号，uq_damp为q轴的***阻尼调节信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤三中通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；具体过程为：
在向永磁同步电机驱动***(αβ轴)注入阻尼调节信号之后，永磁同步电机驱动***的总输入阻抗变为：
其中，
式中，Gdq_c为注入阻尼调节信号之后母线电压波动对q轴实际电流的影响；Gdd_c为注入阻尼调节信号之后母线电压波动对d轴实际电流的影响；iq为q轴电流平均值；
通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗，计算参数gvd与gvq的值；
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤四中在实际***中，电机驱动***采用双闭环矢量控制***进行控制，其中外环为转速环，内环为电流环。由于***的谐振频率一般会大于内环电流环的带宽，将阻尼信号在电流中进行注入不会取得良好的效果。因此选择在电压信号中进行注入，将步骤二中公式(11)(12)的阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在矢量控制***中的α轴电压uα和β轴电压uβ部分；具体过程为：
转换公式如下所示：
式中，uα_damp为注入到α轴的电压阻尼信号，uβ_damp为注入到β轴的电压阻尼信号，θ为dq轴与αβ轴之间的夹角。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例具体是按照以下步骤制备的：
在无电解电容永磁同步电机空调平台上验证本发明提出的谐振抑制法的有效性。实验平台的各项参数设置为：电网电压220V，电网频率50Hz，直流母线电容为薄膜电容，容值为20μF，输入侧电感滤波器2.5mH，d轴电感7.9mH，q轴电感11.7mH，转子磁链0.11Wb，转子极对数为3，额定功率为1.0kW，额定转速为3000r/min，定子电阻为2.75Ω。实验中所有的控制算法都是在瑞萨RX62T中完成的。开关和采样频率设为10kHz。
图5为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流实验波形图。图6为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流傅里叶分析图。图7为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压实验波形图。图8为未采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压傅里叶分析图。由波形图可以看出，电网电流、母线电压中存在着明显的谐振现象，由傅里叶分析波形看出谐振点附近的谐波幅值较大。图9为采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流实验波形图。图10为采用本发明提出的谐振抑制方法时的电网电流傅里叶分析图。图11为采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压实验波形图。图12为采用本发明提出的谐振抑制方法时的母线电压傅里叶分析图。由波形图可以看出，采用本方法提出的谐振抑制方法之后，电网电流、母线电压中的谐振现象得到了抑制，由傅里叶分析波形看出谐振点附近的谐波幅值明显减小。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一：计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；
步骤二：对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；
步骤三：通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；
步骤四：将步骤二中阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在α轴电压uα和β轴电压uβ部分。
2.根据权利要求1所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤一中计算永磁同步电机驱动***的总输入阻抗及电机驱动***稳定所满足的条件；具体过程为：
永磁同步电机运行时，建立电机驱动***的阻抗信号模型，
式中，Δ表示信号变量，Δud、Δuq分别是电机驱动***在两相旋转坐标系下d、q轴的输出电压信号变化量，Δud ref、Δuq ref分别是电机驱动***在两相旋转坐标系下d、q轴的电压参考值信号变化量，Δudc是直流母线电压信号变化量，ud0、uq0分别是两相旋转坐标系下d、q轴的输出电压直流分量，udc0是母线电压直流分量，A代表带通滤波器，D代表PWM驱动控制信号的延迟时间；
求得电机驱动***的总输入阻抗：
式中，Yin为电机驱动***的总输入阻抗；Δiinv为逆变器电流信号变化量；Δudc为直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量；udc0为母线电压直流分量；pn为电机极对数；ψf为永磁体磁链；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；id为d轴电流平均值；ωm0为转速给定值；Te0为压缩机输出转矩基值；Gdd、Gdq为母线电压波动量对电机的影响；
电机驱动***稳定所满足的稳定性方程为：
式中，Cdc为直流母线电容容值；Lg为滤波电抗器的电感值；Rg为电路等效电阻值；通过式(7)计算出满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗；
最小输入阻抗的计算公式为：
式中，
为最小输入阻抗。
3.根据权利要求2所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述Gdd、Gdq表达式如下：
式中，GFOC为dq轴坐标系下的电机模型方程；Fid为d轴的电流控制器；Fiq为q轴的电流控制器；A为带通滤波器；D为PWM驱动控制信号的延迟时间；Gud为反电动势系数。
4.根据权利要求3所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述反电动势系数Gud的表达式由下式得到：
式中，Udc0为直流母线电压平均值；ωe为永磁同步电机运行的电频率。
5.根据权利要求4所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤二中对母线电压信号进行处理，提取母线电压波动分量；将提取的母线电压波动分量分别乘以系数gvd与gvq得到d轴与q轴的***阻尼调节信号；具体过程为：
带通滤波器表达式为：
式中，ωB为带通滤波器中心频率；s表示拉氏变换中的复数变量；
直流母线电压经带通滤波器处理后得到直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量，表达式如下式所示：
式中，udc为直流母线电压；Δudc为直流母线电压信号变化量，即为母线电压波动分量；
进一步得到阻尼调节信号的表达式如下式所示：
ud_damp＝gvd·Δudc (11)
uq_damp＝gvq·Δudc (12)
式中，gvd与gvq为用来调节***性能的参数，ud_damp为d轴的***阻尼调节信号，uq_damp为q轴的***阻尼调节信号。
6.根据权利要求5所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤三中通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗选择调节参数gvd与gvq的大小；具体过程为：
在向永磁同步电机驱动***注入阻尼调节信号之后，永磁同步电机驱动***的总输入阻抗变为：
其中，
式中，Gdq_c为注入阻尼调节信号之后母线电压波动对q轴实际电流的影响；Gdd_c为注入阻尼调节信号之后母线电压波动对d轴实际电流的影响；iq为q轴电流平均值；
通过步骤一中计算出的满足电机驱动***稳定性所需的最小输入阻抗，计算参数gvd与gvq的值；
7.根据权利要求6所述无电解电容永磁同步电机空调驱动***的谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤四中将步骤二中阻尼调节信号ud_damp和uq_damp通过逆park变换，将dq轴阻尼调节信号ud_damp和uq_damp转换至αβ轴，并叠加在α轴电压uα和β轴电压uβ部分；
具体过程为：
转换公式如下所示：
式中，uα_damp为注入到α轴的电压阻尼信号，uβ_damp为注入到β轴的电压阻尼信号，θ为dq轴与αβ轴之间的夹角。
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