一种无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法与流程

本发明涉及压缩机变频驱动控制领域，具体涉及一种无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法。

背景技术：

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)凭借体积小、功率密度高、效率高等显著优点，已经逐步应用到了汽车空调变频压缩机中。永磁同步电机(PMSM)变频驱动压缩机由于压缩机设计密封、体积、工作环境等原因无法实现位置传感器的安装，此外，为了提高汽车驾驶舒适性也要求必须控制压缩机噪声，因此采用无感PMSM矢量控制方式一直都是主要的研究方向之一。

由压缩机工作原理和负载特性可知，压缩机的转矩是周期性变化的，特别是对于工作一段时间后，停机再启动时，负载很大，在压缩机启动过程中，由开环加速到闭环切换的瞬间会产生很大的电流，容易造成瞬间过流保护，但是，无感运行方式的压缩机控制驱动装置必须平稳可靠的切换过渡，目前的启动方法不能很好的满足这一要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种启动平稳、切换平滑、且能降低运行噪声的无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法，该方法包括以下步骤：

采用矢量控制方式对压缩机进行控制；

启动压缩机，设置压缩机的转子的预设角度，并逐渐提升压缩机的转速；

在提升压缩机的转速的过程中，以所述预设角度为初始值，采用迭代法估算转子的速度和位置角度；以及

当估算的转子的速度稳定时，确定对应的转子的实际角度，检测转子的所述预设角度和实际角度的角度差，通过闭环控制使角度差逐渐缩小，使压缩机转入自同步运行模式。

在上述技术方案的基础上，所述采用迭代法估算转子的速度和位置角度的步骤包括：

S1：采样重构压缩机相电流I_a、I_b；

S2：通过Clark变换将压缩机相电流I_a、I_b变换为α、β坐标系下的电流I_α、I_β；

S3：根据I_α、I_β和所述预设角度通过Park变换，变换为d、q坐标系下的电流I_d、I_q；

S4：将I_d、I_q再与速度环结合MTPA算法计算后的电流参考值I_d^*、I_q^*进行PI闭环调节后得到d、q坐标系下的电压V_d、V_q；

S5：通过RePark变换将V_d、V_q变换为α、β坐标系下的电压V_α、V_β；

S6：将I_α、I_β、V_α、V_β和母线电压V_dc进行实时运算后得到反电势e_α和e_β，根据e_α和e_β得到转子的速度和位置角度；

S7：将步骤S6中得到的转子的位置角度代替步骤S3中的预设角度，并重复步骤S1-S6，直到估算的转子的速度趋于稳定时停止迭代。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S6中将e_α和e_β再通过PLL锁相环法计算得到转子的速度和位置角度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法，其通过设置压缩机的转子的预设角度，然后采用迭代法估算转子的速度和位置角度，当估算的转子的速度稳定后，确定对应的转子的实际角度，检测转子的预设角度和实际角度的角度差，通过闭环控制使角度差逐渐缩小，当预设角度与实际角度基本重合时，快速切换到实际角度运行，压缩机自然的转入自同步运行模式，最后根据设定的电流和转速进行闭环运行。这种启动方法启动平稳、切换平滑、且能降低压缩机运行噪声。

附图说明

图1为本发明中矢量控制系统的示意图；

图2为本发明中电流采样电路原理图；

图3为本发明中角度追踪的原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种无感PMSM矢量控制角度追踪切换启动压缩机的方法，该方法包括以下步骤：

采用矢量控制方式对压缩机进行控制。本发明中的矢量控制又称之为磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)，是通过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相交流电机的一种变频驱动控制方法。

启动压缩机，设置压缩机的转子的预设角度，并逐渐提升压缩机的转速。

在提升压缩机的转速的过程中，以预设角度为初始值，采用迭代法估算转子的速度和位置角度。

参见图1所示，压缩机的位置与速度反馈模块与相电流采样模块采用虚线连接，这表示实际系统中不需要物理连接，位置与速度反馈模块采用算法估算出来，本发明中采用迭代法估算转子的速度和位置角度的步骤包括：

S1：采样重构压缩机相电流I_a、I_b；

永磁同步电机(PMSM)实行FOC控制，需要使用电流闭环，在安装空间有限的情况下，需要舍弃封装体积较大的电流传感器，采用逆变桥下桥低端安装电阻的方式来采样电流。参见图2所示，这种方式由于只能在对应的下桥开关T2、T4、T6打开时，才有电流流过采样电阻R1、R2和R3，才能采样。因此所采集的相电流受限，必须采用电流重构算法来还原出三相电流。

本发明重构压缩机相电流的具体实施步骤为：根据空间矢量扇区判断原则，预先安排好将要采集的某两相电流的队列，然后设置判电流的采集时刻，当采样时刻到达后，启动AD转换器，进行双路同时采样，采集到的两相电流，再按规则区分出滤波，然后再计算出第三相电流。当空间矢量SVPWM占空比较高时，由于下桥开通时间变短，导致电流的采集窗口变小甚至失效，为了能正常运行FOC，此时需要采用推算的方法，使用先前的数据判断或人为插入新的采样窗口的方法来采集相电流。

S2：通过Clark变换将压缩机相电流I_a、I_b变换为α、β坐标系下的电流I_α、I_β。

S3：根据I_α、I_β和所述预设角度通过Park变换，变换为d、q坐标系下的电流I_d、I_q。

S4：将I_d、I_q再与速度环结合MTPA算法计算后的电流参考值I_d^*、I_q^*进行PI闭环调节后得到d、q坐标系下的V_d、V_q。

上述MPTA算法和PI闭环调节的工作步骤为：

参见图1所示，根据速度环输出的Q轴的电流参考值I_q^*，依据预先由电机参数定子电阻R_s、D轴电感L_d、Q轴电感L_q和永磁链Ψ_f计算好的表格，进行插值获取D轴电流参考值I_d^*，从而实现最大转矩最小电流控制。由Q轴和D轴电流参考值I_q^*和I_d^*结合电流两次坐标变换得到的I_d和I_q进行线性PI运算，线性PI包含了比例环节和积分环节，分别控制系统的高频增益和低频带宽，最终得到V_d和V_q。

S5：通过RePark变换将V_d、V_q变换为α、β坐标系下的电压V_α、V_β。

S6：将I_α、I_β、V_α、V_β和母线电压V_dc进行实时运算后得到反电势e_α和e_β，根据e_α和e_β得到转子的速度和位置角度。

本发明中将e_α和e_β再通过PLL(Phase Locked Loop)锁相环法计算得到转子的速度和位置角度。

S7：将步骤S6中得到的转子的位置角度代替步骤S3中的预设角度，并重复步骤S1-S6，直到估算的转子的速度趋于稳定时停止迭代。

转子的速度趋于稳定是指，根据多次迭代得到的转子的速度的波动在一定范围内即可认为转子的速度趋于稳定。

当转子的速度和位置角度估算出来后，便可确定转子的实际角度。当估算的转子的速度稳定时，确定对应的转子的实际角度，检测转子的预设角度和实际角度的角度差，通过闭环控制使角度差逐渐缩小，使压缩机转入自同步运行模式。

空调压缩机负载对于启动过程的要求比较高，无感矢量控制来控制压缩机必须通过复杂的算法和可靠的硬件电路满足大负载、频繁启动的要求，启动过程中力求冲击电流小、启动平稳，为了尽快的让压缩机内部PMSM进入同步运行模式，自适应负载电流，本发明设计了矢量角度追踪启动的算法，原理参见图3所示。从图3可以看出，本发明使用的角度追踪方式是在矢量坐标下进行的，Ψf为永磁链，M_f为预设磁场角度，θ^*为转子的预设角度，θ为转子的实际角度，Δθ为转子的实际角度与转子的预设角度的差值，压缩机在启动时由于角度未知，无法自同步运行，所以在低速阶段，必须采用人工强制升速，在升速启动过程中，检测角度差，并通过调整预设角度的大小来控制角度差逐渐缩小。然后自然过渡到转子的实际磁场角度上，通过这样的控制器方式可以很好降低角度切换时带来的电流波形畸形冲击，使压缩机在重载条件下也能平稳启动。

本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。