阅读说明：本技术 减小永磁同步电机变频器直流母线电压纹波幅值的方法 (Method for reducing DC bus voltage ripple amplitude of permanent magnet synchronous motor frequency converter ) 是由 童怀 陈新 陈新度 黄运保 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：为了解决现有技术中加入转矩前馈补偿引起电解电容的纹波电流增大而导致的电容发热的问题,本发明提供一种减小永磁同步电机变频器直流母线电压纹波幅值的方法,根据压缩机转矩前馈补偿的特点,在低速运行区域某些特定的频率节点上,在对转矩电流实施前馈补偿控制的同时对转矩电流进行锁相环控制,使转矩电流波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角,控制系统中电流环采用PI调节控制,补偿后的转矩电流<Image he="76" wi="45" file="DEST_PATH_FDA0002149681230000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>作为q轴电流环的输入量,电流环的输出作为dq坐标系的电压分量V<Sub>d</Sub>、V<Sub>q</Sub>,过SVPWM计算功率模块中六个功率管导通的占空比,形成6路PWM信号,从而有效减小直流母线电压纹波幅值。(In order to solve the problem of capacitor heating caused by the increase of ripple current of an electrolytic capacitor due to the addition of torque feedforward compensation in the prior art, the invention provides a method for reducing the ripple amplitude of the DC bus voltage of a frequency converter of a permanent magnet synchronous motorAccording to the characteristic of torque feedforward compensation of a compressor, on certain specific frequency nodes in a low-speed operation area, feedforward compensation control is carried out on torque current and phase-locked loop control is carried out on the torque current at the same time, so that a fixed phase angle exists between a torque current peak and a zero crossing point of an input alternating current power supply, PI regulation control is adopted in a current loop in a control system, and the compensated torque current is subjected to PI regulation control The output of the current loop is taken as the voltage component V of the dq coordinate system as the input of the q-axis current loop d 、V q And calculating the conduction duty ratio of six power tubes in the power module through SVPWM to form 6 paths of PWM signals, thereby effectively reducing the ripple amplitude of the voltage of the direct current bus.)

减小永磁同步电机变频器直流母线电压纹波幅值的方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种抑制低速运行永磁同步电机变频器母线电压纹波的方法，尤其适应于单转子压缩机变频空调中永磁同步电机的低速运行情况。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高、调速范围宽等优点，目前已被广泛应用于变频空调领域。单转子压缩机由于成本最低、效率高目前被广泛采用于家用变频空调中，然而单转子压缩机中永磁电机通过偏心曲轴带动滚子压缩冷媒，压缩机负载转矩周期波动，在低速情况下这种负载转矩周期波动将导致空调室外机的剧烈振动。

现有技术在低速运行区域加入了转矩前馈补偿，以抑制负载转矩周期波动引起的压缩机转速波动和室外机振动。变频空调的室外机控制器大多采用交-直-交拓扑电路，直流侧使用电解电容来稳定直流母线电压。

然而现有技术存在如下问题：在变频空调低速运行区域加入了转矩前馈补偿可以抑制室外机振动，却增大了直流母线电压纹波。直流母线电压纹波增大将导致电解电容的纹波电流增大，引起电容发热，更严重的可能影响电容使用寿命和变频器的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中加入转矩前馈补偿引起电解电容的纹波电流增大而导致的电容发热的问题，本发明提供一种减小永磁同步电机变频器直流母线电压纹波幅值的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种减小永磁同步电机变频器直流母线电压纹波幅值的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1：通过采样测量到永磁同步电机定子相电流i_u、i_v，通过计算获得第三路定子电流i_w＝-i_u-i_v；

S2：通过位置传感器或无位置传感器算法得到永磁同步电机转子位置的机械角度θ，对θ进行微分得到该永磁同步电机的机械角速度ω_r＝dθ/dt；

S3：将S1步骤得到的定子电流i_u、i_v、i_w经过Clarke变换和PARK变换得到定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

S4：根据特定的频率节点fN，设定永磁同步电机的运行速度为ω_set＝2πf_N，控制系统中速度调节采用PI控制，给定转速ω_set作为速度环输入，速度环的输出为

S5：根据所设定运行速度ω_set，获得前馈补偿电流；

S6：对交流输入电源进行过零检测获得交流输入电源过零信号；

S7：根据S6步骤获得的交流输入电源过零信号，对转矩电流i_q通过锁相环控制系统进行锁相环控制，使i_q的波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角θ_PLL，锁相环的输出为ω_PLL；

S8：将S7步骤中的锁相环控制系统的输出为ω_PLL与设定运行速度ω_set相加作为速度环的输入；

S9：将S7步骤中的锁相环控制系统中电流环采用PI调节控制，补偿后的转矩电流作为q轴电流环的输入量，d轴电流环的输入量S3步骤获得的i_d、i_q为电流环的反馈，电流环的输出作为dq坐标系的电压分量V_d、V_q；

S10：将S9步骤所述的电压分量的V_d、V_q通过PARK逆变换计算出αβ坐标系的电压分量V_α、V_β；

S11：电压分量V_α、V_β通过SVPWM计算功率模块中六个功率管导通的占空比，形成六路PWM信号；

S12：将S11步骤所述的六路PWM信号控制三相功率模块驱动永磁同步电机工作，达到抑制永磁同步电机变频器母线电压纹波的目的。

其中，所述步骤(4)中fN的取值规律是：当输入交流电源频率为f时，fN可选择或或中的一个值。

其中，前馈补偿电流的获得方法是：

式中i_{q_Amp}为前馈补偿电流幅值、θ_{q_comp}为前馈补偿角度、i_{q_comp}为前馈补偿电流、为速度环输出的转矩电流，为补偿后的转矩电流；ω_set为给定转速。

有益效果：本发明针对永磁同步电机低速运行在特定的频率节点，对转矩电流实施前馈补偿控制的同时对转矩电流进行锁相环控制，使转矩电流波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角，从而有效减小直流母线电压纹波幅值，能够有效减小直流母线电压纹波幅值。

附图说明

图1永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统框图。

图2单转子压缩机负载转矩曲线。

图3a转矩电流i_q的仿真波形。

图3b为全波整流输出电压|V_ac|的仿真波形。

图3c为直流母线电压V_PN的仿真波形。

图4a为锁相稳定前的过零点信号的相位图。

图4b为锁相稳定前的i_q的相位图。

图5a为锁相稳定后的过零点信号的相位图。

图5b为锁相稳定后的i_q的相位图。

其中，图3a、3b以及3c以横轴(时间轴)为基准对齐形成图3。

其中，图4a和图4b以横轴(时间轴)为基准对齐形成图4。

其中，图5a和图5b以横轴(时间轴)为基准对齐形成图5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明根据压缩机转矩前馈补偿的特点，在低速运行区域某些特定的频率节点上，在对转矩电流实施前馈补偿控制的同时对转矩电流进行锁相环控制，使转矩电流波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角，从而有效减小直流母线电压纹波幅值。

本发明在Matlab/Simulink平台上搭建了图1三相永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的仿真模型。永磁电机的参数为：极对数pn＝3；定子电阻R_s＝1.7Ω；定子直轴电感L_d＝8.9mH；交轴电感L_q＝12.m7H；反电势系数k_e＝46.8V/krpm；转子转动惯量J＝7.6*10-⁴kg*m²；交流输入电压为220V，输入电压频率f＝50Hz，整流桥后的电解电容大小为680μF。

具体的步骤如下：

步骤1：通过采样测量到电机并联的定子相电流i_u、i_v，通过计算获得第三路定子电流i_w＝-i_u-i_v；

步骤2：通过位置传感器或无位置传感器算法得到电机转子位置的机械角度θ，对θ进行微分得到电机的机械角速度ω_r＝dθ/dt；

步骤3：将定子电流i_u、i_v、i_w经过进行Clarke变换和PARK变换得到定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤4：因为输入电压频率f＝50Hz，选择压缩机的给定运行速度为ω_set＝50πrad/s。，设定压缩机的运行速度为ω_set＝2πf_N，控制系统中速度调节采用PI控制，给定转速ω_set作为速度环输入，速度环的输出为

步骤5：为了抑制负载转矩波动引起的转速波动，本发明对转矩电流实施了前馈补偿控制，转速为50πrad/s对应的补偿幅度i_{q_Amp}＝4A、补偿角度θ_{q_comp}＝121.5°机械角。

步骤6：对交流输入电源进行过零检测；

步骤7：根据交流输入电源过零信号，对转矩电流i_q进行锁相环控制，使i_q的波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角θ_PLL，锁相环的输出为ω_PLL；

步骤8：锁相环的输出为ω_PLL与设定运行速度ω_set相加作为速度环的输入；

步骤9：控制系统中电流环采用PI调节控制，补偿后的转矩电流作为q轴电流环的输入量，d轴电流环的输入量i_d、i_q为电流环的反馈，电流环的输出作为dq坐标系的电压分量V_d、V_q；

步骤10：电压分量的V_d、V_q通过PARK逆变换计算出αβ直角坐标系的电压分量V_α、V_β；

步骤11：电压分量V_α、V_β通过SVPWM计算功率模块中六个功率管导通的占空比，形成6路PWM信号；

步骤12：6路PWM信号控制三相功率模块驱动永磁同步电机工作。

根据附图对上述实施例进行分析：如图1所示为本发明具体实施方案中滚动转子压缩机中永磁同步电机采用的无位置传感器矢量控制系统框图，包括速度环、dq轴电流环、Clarke和PARK变换、速度和位置估算、最大转矩电流比控制(MTPA)、转矩电流前馈补偿、PARK逆变换、SVPWM计算、三相PWM逆变器、永磁同步电机等单元。

上述实施方案公开了抑制变频空调控制器母线电压纹波的技术方案，所述的变频空调采用单转子压缩机，这种压缩机中永磁电机通过偏心曲轴带动滚子压缩冷媒的旋转过程中会遇到负载转矩的突变：对应永磁电机的每一个机械周期负载突变一次；负载变化与压缩机转子的机械位置密切相关；负载突变的幅值，与空调的工况密切相关，随内部压力增大而增大；当转速越低时入口和出口压力差值越大，这种转矩突变越厉害。

如图2是本发明采用的压缩机在三种不同工况下，在一个转子机械周期360°范围内的负载转矩曲线的波形。当变频空调的工况发生变化时，压缩机负载转矩的轮廓是基本相同的，负载转矩的波动随压缩机内部压力增大而增大，如图中所示轻负载时转矩在0.3～4.2Nm之间变化，重负载时转矩波动增大到0.3～6.8Nm之间变化。在不同的工况下，最大负载转矩对应的转子机械角会有变化，如轻负载工况对应的机械角为245°，而重负载工况对应的机械角为230°。

如图3所示为转矩电流i_q、输入交流电源全波整流输出电压|V_ac|以及电解电容端直流母线电压V_PN的仿真波形，f_N＝25Hz，输入交流电压频率为50Hz，因此一个转矩电流i_q周期与|V_ac|四个周期相对应。在t＝2s之前，不对转矩电流i_q进行锁相环控制，在t＝2s时开始对转矩电流i_q进行锁相环控制，经过大约0.5s锁相控制达到稳定。如图4为锁相稳定前的i_q波形与输入交流电源过零点之间相位关系图，锁相稳定前i_q的波峰与输入交流电源过零点之间相位角是一个随机值；如图5为锁相稳定后的i_q波形与输入交流电源过零点之间相位关系示意图，锁相稳定后i_q的波峰与输入交流电源过零点之间存在一个固定的相位角θ_PLL。

图5中θ_PLL≈70°机械角，这个值是用户在实验时通过在线调整获取，以获得最小的直流母线电压纹波幅值为目标，不同的硬件电路参数、不同的给定速度和不同负载工况θ_PLL的取值可能不相同。

如图3所示，在t＝2.5s前，由于没有对转矩电流i_q进行稳定的锁相环控制，直流母线电压V_PN的纹波范围在270V～315V之间，纹波幅值达45V；在t＝2.5s后，对转矩电流i_q的锁相环控制进入稳态，这时直流母线电压V_PN的纹波范围在278V～308V之间，纹波幅值减小到30V，直流母线电压纹波幅值减小约30％。

本发明在对转矩电流i_q实施前馈补偿控制的同时对转矩电流i_q进行锁相环控制，可以有效减小直流母线电压纹波幅值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。