专利名称：一种直流变频压缩机驱动装置和方法
技术领域：
本发明涉及空调技术、变频技术和电机学领域，尤其是涉及一种直流变频压缩机驱动装置和方法。
背景技术：
目前，直流变频空调因为良好的节能性、精确控温、超低温启动、快速制热等特点而越来越受到消费者的喜爱。直流变频空调的变频方式属于电压变频，其中压缩机的驱动部分如图1所示。参照图1，该系统主要包括整流部分、平波部分、控制部分和逆变部分。其中整流部分采用整流桥对输入的交流电进行全桥整流，从而输出直流电压；平波部分采用电解电容对整流后的电压进行平波处理，消除该电压的交流含量，输出稳定的直流母线电压，给逆变部分提供电源；逆变部分采用智能变频模块，将输入的直流电压转变为频率可变的三相电压，驱动压缩机运行；控制部分采用微处理器，通过数学模型对采集到的压缩机转子位置信息进行计算，控制智能变频模块的开关，从而实现对压缩机的变频控制。
在逆变阶段，系统需要调节压缩机的频率和驱动力矩。随着压缩机运转频率的增加，压缩机在运转过程中所受到的阻力也相应增加，即压缩机在高频运行时需要更大的驱动力矩。对压缩机驱动力矩的调节就是使压缩机在运行时保持力矩平衡，而对压缩机驱动力矩的调节是通过对压缩机驱动电压的调节来实现的，驱动电压越大则驱动力矩越大。压缩机的驱动电压来自于母线，在高频时，如果压缩机的母线不能提供足够高的电压，则压缩机就不能得到足够大的驱动力矩，因而压缩机就不能在该频率下运行。
现在空调行业一般采用两种方法解决直流压缩机的高频运行问题一种方法是限制空调的最高频率，另一种方法是PFC(Power FactorCorrection，功率因素校正)升压法。限制空调的最高频率就是把压缩机的最高运行频率限制在一个较低的水平。PFC升压法是在系统中增加一个BOOST(推进)升压电路，该电路能够提高系统的母线电压，从而解决母线电压不足的问题。采用该方法可以为压缩机提供较大的驱动力矩，使压缩机在较高的频率下运行。采用PFC升压法的电路如图2所示，该电路在图1所示电路的整流部分和平波部分之间接入一个由DC/DC(直流电压到直流电压转换)开关变换器构成的BOOST升压电路，该电路包括一个电感L、一个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)T、一个电阻R、一个二极管D和两个电容C1、C2。该电路应用电流反馈技术，通过PFC专用逻辑芯片进行控制，使母线电压稳定在一个较高的水平，并且使输入端电流波形在整个电周期内跟踪交流输入正弦电压波形。采用该方法可以解决直流变频压缩机的高频运行问题，使压缩机运行到120赫兹以上(一般压缩机推荐最高频率为120赫兹)，而且提高系统的功率因数。
然而，采用限制空调的最高频率的方法会降低用户的舒适度。因为直流变频空调的一个优点是可以快速制冷、制热，而且可以适用于较大的使用空间，因此需要直流变频空调能够运行在较高的频率。而采用该方法后，空调的最高运行频率变低，从而降低空调制冷、制热的速度，使直流变频空调的优势得不到发挥。采用PFC升压法会增加系统的成本。因为BOOST升压电路内部IGBT的开关频率非常高(一般在20K赫兹以上)，所以工作时会产生很大的电磁干扰，为抑制该电路产生的电磁干扰，一般采取多级滤波，增加滤波元件，因此会增加系统的成本。另外，由于IGBT的开关频率很高，需要非晶态磁性材料作磁芯的高频电感与该IGBT配和，而该电感价格很高，进一步增加系统的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流变频压缩机驱动装置和方法，以克服现有技术中直流变频压缩机如果不加主动PFC不能在高频下运行的缺陷。
本发明的实现原理基于矢量弱磁控制技术。直流变频压缩机是一种无传感器的永磁同步电动机，根据电机学的他励直流电动机的调速控制知识，他励直流电动机的电磁方程如下E＝Ce×φ×n；N=ECe×φ=U-Ia×RaCe×φ;]]>φ∝If式中，E为直流电动机反电动势，Ce为直流电动机电势系数，φ为直流电动机每相磁通，n为直流电动机定子的线圈扎数，U为直流电动机定子电压，Ia为直流电动机电枢电流，Ra直流电动机电枢电阻，If为直流电动机励磁电流。
根据上式，当他励直流电动机的端电压达到极限电压值时，要提高电动机的运行速度，就应设法降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡，即他励直流电动机可以通过降低励磁电流而进行弱磁扩速。
与电励磁的同步电动机不同，永磁同步电动机的励磁磁动势因为是由永磁体产生的，因而无法调节，只能通过调节定子电流来保持高速运行时的电压平衡，从而达到弱磁扩速的目的。永磁同步电动机的电压方程如下u=ω(ρLdiq)2+(Ldid+Ψf)2]]>式中，u为电动机的端电压，ω为电动机转子电角速度，ρ为电动机的突极率(常数)，Ψf为电动机转子磁链，Ld为电动机d轴电感(常数)，id为电动机d轴电流，iq为电动机q轴电流。
根据上式，当永磁同步电动机的端电压达到逆变部分所能提供的最高电压时，要想继续提高转速只有调节d轴电流id和q轴电流iq，该调节方式就是永磁同步电动机的弱磁控制方式。本发明在弱磁控制阶段使d轴电流id＞0，并起去磁作用，以削弱永磁场，且随着速度的提高，起去磁作用的id要不断增加，保持电磁平衡，从而本发明用较低的母线电压实现压缩机的高频驱动。当母线电压不足以驱动压缩机运转到设定频率时，本发明启动弱磁控制功能，给压缩机提供去磁电流以满足压缩机的设定频率要求。不过d轴电流也不能无限制地增加，因为压缩机的转子是永磁体，当转子受到较大的逆磁(去磁电流会产生相对永磁体磁场的逆磁场)时会出现退磁现象。压缩机一旦退磁，该压缩机的工作特性就会变坏，甚至不能正常工作。因此本发明根据压缩机的退磁特性对压缩机的去磁电流id的大小做了限制，保证压缩机不会因为采用弱磁控制而出现退磁现象。
本发明是在对压缩机控制实行矢量控制的基础上实现的，因为矢量控制可以把压缩机的电流分解成d轴电流id和q轴电流iq。本发明采用180度正弦波直流变频方式，是矢量控制技术；而现有的压缩机控制技术是120度控制技术，不是矢量控制技术，所以不能对压缩机实施弱磁控制。
本发明提供一种直流变频压缩机驱动装置，包括整流部分、平波部分、控制部分和逆变部分，检测电阻，串联在所述压缩机直流电源的母线回路中，对母线电流进行采样，输出母线电流信息；智能控制模块，输入为检测电阻采集的母线电流信息，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，向逆变部分输出控制信号。
按照本发明的一个方面，智能控制模块进一步包括电流演算器，输入为检测电阻采集的母线电流，输出为驱动所述压缩机的三相电流；矢量控制分析和变频控制部，输入为电流演算器计算的三相电流，输出为逆变部分控制信号。
按照本发明的另一个方面，矢量控制分析和变频控制部进一步包括3/2转换模块，输入为电流演算器计算的三相电流和目标角度，输出为d轴实际电流和q轴实际电流；PI控制模块1，输入为目标角速度和实际角速度，输出为目标力矩；dq电流指令演算器，输入为目标力矩，输出为d轴目标电流和q轴目标电流；PI控制模块2，输入为d轴实际电流和d轴目标电流，输出为d轴电压；PI控制模块3，输入为q轴实际电流和q轴目标电流，输出为q轴电压；2/3转换模块，输入为d轴目标电压、q轴目标电压和目标角度，输出为三相电压；位置、速度推定器，输入为d轴目标电压、q轴目标电压、d轴实际电流和q轴实际电流，输出为目标角度和实际角速度；非干涉化演算器，输入为d轴实际电流和q轴实际电流，输出为d轴调整电压和q轴调整电压。
本发明提供一种直流变频压缩机驱动方法，包括整流过程、平波过程、控制过程和逆变过程，其特征在于，控制过程包括电流采样过程，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；智能控制过程，根据检测电阻采集的母线电流，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，并对压缩机的d轴电流和q轴电流进行独立调节。
按照本发明的再一个方面，智能控制过程进一步包括电流计算过程，根据检测电阻采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；矢量控制分析和变频控制过程，根据电流演算器计算的三相电流，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，并对压缩机的d轴电流和q轴电流进行独立调节。
按照本发明的再一个方面，智能控制过程采用180度正弦波直流变频方式。
按照本发明的再一个方面，矢量控制分析和变频控制过程进一步包括根据电流演算器计算的三相电流和目标角度，利用3/2转换模块计算d轴实际电流和q轴实际电流；根据目标角速度和实际角速度，利用PI控制模块1计算目标力矩；根据目标力矩，利用dq电流指令演算器计算d轴目标电流和q轴目标电流；根据d轴实际电流和d轴目标电流，利用PI控制模块2计算d轴电压；根据q轴实际电流和q轴目标电流，利用PI控制模块3计算q轴电压；根据d轴目标电压、q轴目标电压和目标角度，利用2/3转换模块计算三相电压；根据d轴目标电压、q轴目标电压、d轴实际电流和q轴实际电流，利用位置、速度推定器计算目标角度和实际角速度；根据d轴实际电流和q轴实际电流，利用非干涉化演算器计算d轴调整电压和q轴调整电压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明采用矢量弱磁控制技术，通过调节d轴电流id和q轴电流iq，用较低的母线电压实现压缩机的高频驱动，解决直流变频压缩机的高频运转问题。而本发明不用加入BOOST升压电路，因此不会增加系统的成本。
图1是现有技术压缩机的驱动电路图。
图2是采用PFC升压法的压缩机的驱动电路图。
图3是本发明的压缩机的驱动电路图。
图4是本发明控制部分和逆变部分的结构图。
图5是图4中智能控制模块的结构图。
图6是本发明电流演算器运行的一种时序图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述本发明压缩机的驱动电路如图3所示。该系统包括整流部分、平波部分、控制部分、逆变部分、交流电源和压缩机。其中整流部分由一个整流桥构成，平波部分由一个电容构成，控制部分包括一个检测电阻和一个智能控制模块，逆变部分由一个智能变频模块构成。交流电源通过整流部分和平波部分转换为直流电源；逆变部分将该直流电源变频后，驱动压缩机的运转；控制部分对逆变部分的智能变频模块进行控制。
本发明控制部分和逆变部分的结构如图4所示。该系统包括一个检测电阻，一个智能控制模块，一个直流电源V，一个智能变频模块和一个压缩机。直流电源V通过智能变频模块变频后，驱动压缩机的运转；检测电阻对智能变频模块的母线电流进行采样，然后将采样电流Idc送到智能控制模块进行检测；智能控制模块向智能变频模块发出控制信号，对压缩机的d轴电流和q轴电流进行控制。智能控制模块还包括电流演算器与矢量控制分析和变频控制部。电流演算器对采样电流Idc进行检测，计算出三相电流Iu、Iv、Iw，并将三相电流送到矢量控制分析和变频控制部。智能变频模块还包括一个过流保护装置和6个IGBT晶体管UP、VP、WP、UN、VN和WN。
智能控制模块的结构如图5所示，该模块又包括电流演算器与矢量控制分析和变频控制部。
电流演算器根据母线电流Idc计算驱动压缩机的三相电流Iu、Iv、Iw。电流演算器运行的一种时序如图6所示。上部为与U、V、W三相相关的IGBT的开关状态，中部为母线电流Idc，下部为驱动压缩机的三相电流Iu、Iv、Iw，该时序中还包括A和B两个区间。各个IGBT的状态分别对应于0，Iu，Iv，Iw，-Iu，-Iv，-Iw的值。根据图4可以得出在A区间，UP、VP、WN导通，UN、VN、WP截止，所以A区间的母线电流Idc1＝-Iw；在B区间，UP、VN、WN导通，VP、WP、UN截止，所以B区间的母线电流Idc2＝Iu；又由于Iu、Iv、Iw的矢量和为零，即Iu+Iv+Iw＝0，所以Iu、Iv、Iw的值可以由下面的关系式求出Iu＝Idc2，Iv＝Idc1-Idc2，Iw＝-Idc1。
矢量控制分析和变频控制部进一步包括3/2转换模块，该模块根据电流演算器计算的三相电流Iu、Iv、Iw和目标角度θ，计算d轴实际电流Id1和q轴实际电流Iq1。
PI控制模块1，该模块根据目标角速度ω2和实际角速度ω1，计算目标力矩T。
dq电流指令演算器，该模块根据目标力矩T，计算d轴目标电流Id2和q轴目标电流Iq2。
PI控制模块2，该模块根据d轴实际电流Id1和d轴目标电流Id2，计算d轴电压Vd1。
PI控制模块3，该模块根据q轴实际电流Iq1和q轴目标电流Iq2，计算q轴电压Vq1。
2/3转换模块，该模块根据d轴目标电压Vd、q轴目标电压Vq和目标角度θ，计算三相电压Vu、Vv、Vw。
位置、速度推定器，该模块根据d轴目标电压Vd、q轴目标电压Vq、d轴实际电流Id1和q轴实际电流Iq1，计算目标角度θ和实际角速度ω1。
非干涉化演算器，该模块根据d轴实际电流Id1和q轴实际电流Iq1，计算d轴调整电压Vd2和q轴调整电压Vq2。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种直流变频压缩机驱动装置，包括整流部分、平波部分、控制部分和逆变部分，其特征在于，控制部分包括检测电阻，串联在所述压缩机直流电源的母线回路中，对母线电流进行采样，输出母线电流信息；智能控制模块，输入为检测电阻采集的母线电流信息，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，向逆变部分输出控制信号。
2.如权利要求1所述直流变频压缩机驱动装置，其特征在于，所述智能控制模块进一步包括电流演算器，输入为检测电阻采集的母线电流，输出为驱动所述压缩机的三相电流；矢量控制分析和变频控制部，输入为电流演算器计算的三相电流，输出为逆变部分控制信号。
3.如权利要求2所述直流变频压缩机驱动装置，其特征在于，所述矢量控制分析和变频控制部进一步包括3/2转换模块，输入为电流演算器计算的三相电流和目标角度，输出为d轴实际电流和q轴实际电流；PI控制模块1，输入为目标角速度和实际角速度，输出为目标力矩；dq电流指令演算器，输入为目标力矩，输出为d轴目标电流和q轴目标电流；PI控制模块2，输入为d轴实际电流和d轴目标电流，输出为d轴电压；PI控制模块3，输入为q轴实际电流和q轴目标电流，输出为q轴电压；2/3转换模块，输入为d轴目标电压、q轴目标电压和目标角度，输出为三相电压；位置、速度推定器，输入为d轴目标电压、q轴目标电压、d轴实际电流和q轴实际电流，输出为目标角度和实际角速度；非干涉化演算器，输入为d轴实际电流和q轴实际电流，输出为d轴调整电压和q轴调整电压。
4.一种直流变频压缩机驱动方法，包括整流过程、平波过程、控制过程和逆变过程，其特征在于，控制过程包括电流采样过程，对所述压缩机直流电源的母线电流进行采样；智能控制过程，根据检测电阻采集的母线电流，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，并对压缩机的d轴电流和q轴电流进行独立调节。
5.如权利要求4所述直流变频压缩机驱动方法，其特征在于，所述智能控制过程进一步包括电流计算过程，根据检测电阻采集的母线电流计算驱动所述压缩机的三相电流；矢量控制分析和变频控制过程，根据电流演算器计算的三相电流，计算压缩机的d轴电流和q轴电流，并对压缩机的d轴电流和q轴电流进行独立调节。
6.如权利要求4或5所述直流变频压缩机驱动方法，其特征在于，所述智能控制过程采用180度正弦波直流变频方式。
7.如权利要求5所述直流变频压缩机驱动方法，其特征在于，所述矢量控制分析和变频控制过程进一步包括根据电流演算器计算的三相电流和目标角度，利用3/2转换模块计算d轴实际电流和q轴实际电流；根据目标角速度和实际角速度，利用PI控制模块1计算目标力矩；根据目标力矩，利用dq电流指令演算器计算d轴目标电流和q轴目标电流；根据d轴实际电流和d轴目标电流，利用PI控制模块2计算d轴电压；根据q轴实际电流和q轴目标电流，利用PI控制模块3计算q轴电压；根据d轴目标电压、q轴目标电压和目标角度，利用2/3转换模块计算三相电压；根据d轴目标电压、q轴目标电压、d轴实际电流和q轴实际电流，利用位置、速度推定器计算目标角度和实际角速度；根据d轴实际电流和q轴实际电流，利用非干涉化演算器计算d轴调整电压和q轴调整电压。
全文摘要
一种直流变频压缩机驱动装置和方法，涉及空调技术、变频技术和电机学领域，解决现有技术中直流变频压缩机如果不加主动PFC不能在高频下运行的缺陷。本发明包括整流部分、平波部分、控制部分和逆变部分，控制部分进一步包括检测电阻和智能控制模块。本发明采用矢量弱磁控制技术和180度正弦波直流变频方式，通过调节d轴电流i
文档编号H02P27/08GK101025156SQ20061000797
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者楚人震, 谷东照, 程永甫, 刘俊杰, 楚毅 申请人:海尔集团公司, 青岛海尔空调器有限总公司