空调压缩机的闭环零速启动方法

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1、空调压缩机的闭环零速启动方法朱良红;张国柱;李曹磊【摘 要】空调压缩机启动一般需要转子定位和开环拖动过程,高频注入法虽可实现 零速与低速段的压缩机转子位置估计,但通常会伴随电磁噪音与功率损耗.本文提出 了一种闭环零速启动方法,可以全过程位置闭环启动且大幅降低电磁噪音.实验结果 表明,压缩机启动电流幅值明显降低,可降低启动能耗.期刊名称】家电科技年(卷),期】2017(000)011【总页数】3页(P61-63) 【关键词】 闭环零速启动;压缩机;高频注入法;磁链观测法【作 者】 朱良红;张国柱;李曹磊【作者单位】 广东美的制冷设备有限公司 广东佛山5283 1 1;广东美的制冷设备有限公司 广

2、东佛山5283 1 1;广东美的制冷设备有限公司 广东佛山5283 1 1【正文语种】 中 文因节能性与舒适性方面的优势，以永磁同步电机驱动的变频空调已逐步成为市场的 主流。通过矢量控制技术，永磁同步电机可实现良好的驱动效率与噪声水平。常规 的矢量控制需利用永磁同步电机的转子位置信息进行启动。然而压缩机为了降低成 本和增加可靠性，内部没有安装位置传感器。其转子位置一般通过扩展反电势法、 磁链观测法等位置估计算法获取1，这类位置估计算法需要转速达到一定值时才 能给出准确的位置估计值。在压缩机启动阶段，转速从零逐步增加，在初始阶段转 速低于速度估计算法需求值，无法实现有效的转子位置估计。针对此问题

3、，通常的 做法是进行压缩机定位和开环拖动，在压缩机达到一定转速时使用位置估计算法来 切入矢量控制。此类方法的问题在于，压缩机定位和开环启动过程中，压缩机转子 位置未知，因而无法实现电流指令的准确给定。这一方面会导致压缩机启动电流偏 大，从而使压缩机启动的功耗增大；另一方面会使压缩机启动过程存在明显的振动 与噪声。针对上述问题，本文引入了一种压缩机闭环零速启动方法。该方法无需转子定位和 开环拖动过程，可实现全过程未知闭环启动，压缩机启动电流幅值明显低于常规方 法，可以达到降低能耗的效果。压缩机启动具体流程如图1 所示，整个启动过程共分为3个阶段：第一阶段向压 缩机注入电压信号，并检测压缩机相电流

4、响应以确定转子的初始位置。第二阶段利 用初始位置，对位置估计器与锁相环进行初始化；第三阶段，利用位置估算器推算 出的转子位置进行矢量控制，压缩机控制系统进入闭环控制状态。图1 中第一阶段向压缩机注入电压信号，并检测压缩机相电流响应以确定转子的 初始位置。此阶段需在确保压缩机转子不产生运动与机械噪声的情况下，快速获取 转子的位置信息。采用旋转式2,4或脉振式3,5的高频信号注入法，获取转子初 始位置。通常高频注入法在实现零速与低速段的压缩机转子位置估计的同时，会带 来明显的电磁噪音与功率损耗等不良影响。为降低电磁噪音与功率损耗，本文使用 了一种优化作用时间的高频注入法，即只在初始位置估计的短时间

5、内使用。一般情 况下，在合理设置参数的条件下，高频注入阶段可以在 0.5秒以内完成。紧接着根据估计出来的初始位置，对位置估计器与锁相环进行初始化。假设转子初 始位置估计值为，则可把磁链观测器与锁相环的值初始化为：(1)式中久m为压缩机转子永磁体的磁链值，为当前的角度估计值，与分别为a/讎的磁链观测值。磁链观测器可通过(2 )式实现。(2) 式中,Ld与Lq分别为D/Q轴电感,Va与邓分别为a/p轴电压，1a与 甲分别为a/p轴电流，R为电机绕组的相电阻。位置估计的误差角度可根据磁链 观测值计算获得，计算式如(3)式：(3) 式中，Idref为d轴电流指令值，根据转子位置估计误差角度eerr,可

6、利用 锁相环获取转子角度估计值。计算式如(4)式：(4) 式中，Kp_pll与Ki_pll分别为锁相环PI控制器的比例与积分参数，3f为速 度低通滤波器带宽。以上三个参数均需要取正数。锁相环可通过(3)(4)实 现。如图1第三阶段，压缩机控制系统进入闭环控制状态。利用位置估计器(2) (4)推算出的转子位置进行矢量控制。其推算过程为周期性的迭代计算。取一定 值的间隔时间(如0.1ms )对(2)-(4 )进行计算与数据更新。速度控制器与 电流控制器通过PI(比例积分)控制器实现。本文涉及的压缩机闭环启动方法主要包含四个功能模块：(1)初始转子位置估计 器；(2)运行转子位置估计器；(3)电流控

7、制器；(4)速度控制器。其中，初 始转子位置估计器用于在压缩机启动的初始阶段估计出转子的初始位置，对压缩机 注入电压激励信号，根据压缩机的电流响应推算出转子的初始位置；运行转子位置 估计器用于在压缩机的正常运行阶段，估计出转子的位置，其原理是根据压缩机的 相电压与相电流，以及压缩机的电机参数模型，实时估计出压缩机的位置；电流控 制器用于控制压缩机的DQ轴电流，根据DQ轴电流值与指令值的偏差调整DQ 轴电压指令，实现电流的反馈控制，使其DQ轴电流值可跟踪指令值。速度控制 器用于控制压缩机转速，使其实际转速跟踪给定转速。其工作原理是根据实际转速 与给定转速的差值调整Q轴电流指令，实现速度的反馈控制

8、。如图 2 所示，初始位置估计器分为三个子模块。其中，激励信号产生器输出频率 为3的高频旋转电压所对应的PWM波；电流谐波提取模块用于提取压缩机相电 流中频率为3的高频电流成分Ialpha_cn与Ibeta_cn ;初始位置估算锁相环，根 据提取出的高频电流成分推算出转子角度估计值。初始转子位置估计器工作约0.1s 后将收敛于一个固定值。值得注意的是，该收敛值可能与转子初始角度一致， 也可能与转子初始角度相差180度。也就是说，该角度值有可能与N极一致，也 可能与S极一致。因而，极性判断是必要的环节，而后才能获取正确的值。电机极性判断原理如图3所示，向电机的D轴方向注入正反向的脉冲电压，然后

9、根据两个脉冲电压所激发的脉冲电流幅值大小关系来判断极性。具体实现过程为， 在计数脉冲0与计数脉冲5分别输出两个脉宽相等方向相反的D轴电压脉冲，然 后检测两个脉冲对应的D轴电流响应幅值ID1与ID2。如果ID1 vID2,则；否 则，。基于空调外机进行压缩机启动实验，实验平台如图4所示。按照上述步骤，利用 空调外机压缩机进行实验。获得的压缩机闭环启动波形曲线如图5所示。图5中从上到下分别为，压缩机转子位置估计值，压缩机U相电流，Q轴电流指 令。根据实验结果，速度环与位置估计器可直接进入闭环工作状态，该方法可实现 平稳的压缩机闭环启动。此外，进入闭环后压缩机电流幅值小于1A，因而可有效 降低启动过

10、程中的功耗。针对压缩机开环拖动方法和高频注入法的缺点，本文提出了一种新型闭环零速启动 方法，实现了压缩机的全过程闭环启动。根据对测试结果的分析，表明该方法可以 有效启动压缩机，并且可以避免一般高频注入法带来的缺陷。该方法不但可以在空 调压缩机领域运用，而且可扩展应用于永磁同步电机相关的其他领域。【相关文献】1 夏建生，赵进全，赵宁宁.PMSM低速下无位置传感器矢量控制算法的工程实现J.自动化技术 与应用，2016,06:87-92,96.2 林环城，王志新.高频注入PMSM无位置传感器位置观测器设计J.电机与控制应用， 2014(04).3 Fernandez D ， Reigosa D D

11、， Guerrero J M，et al.Permanent-Magnet Magnetization State Estimation Using High-Frequency Signal InjectionJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016，52(4):2930-2940.4 Kwon Y C, Sul S K. Reduction of Injection Voltage in Signal Injection Sensorless Drives Using Capacitor-Integrated InverterJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, PP(99):1-1.5 Liu K, Zhu Z Q. Mechanical Parameter Estimation of Permanent-Magnet Synchronous Machines With Aiding From Estimation of Rotor PM Flux LinkageJ.IEEE Transactions on Industry Applications,2015,51(4):3115-3125.