空调器、压缩机控制系统及其速度估计方法和装置与流程
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种压缩机控制系统的速度估计方法、一种压缩机控制系统的速度估计装置、一种压缩机控制系统以及一种空调器。
背景技术：
在相关的压缩机控制技术中，转速估计的准确与否直接决定着控制速度精度的好坏，进而影响着系统控制效率。在相关技术中，通常采样扩展反电势方式进行转速估计，即通过变换得到任意旋转坐标下的电压方程，通过对电压方程进行计算处理得到带偏差角度的等式，然后通过锁相环处理将偏差角度趋近于零以得到转子的转速。
但是，相关技术存在的问题是，在计算过程中将估计速度与实际速度看作相等，通过简化来得到偏差角度，而实际速度与估计速度相等仅是对于轻载的情况，而对于高速重载情况下，会出现速度估计不准确的情况。
技术实现要素：
申请人通过对压缩机负载特性的深入研究发现并认识到：对于高速重载情况下，压缩机的回气排气特性对转矩的影响是非常大，此时转速动态变化很大，估计速度与实际速度之间的速度偏差对速度估计的影响不能忽略，如果忽略将会导致速度估计不准确。
基于此，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提出一种压缩机控制系统的速度估计方法，能够在轻载或重载下都可以准确的估计速度。
本发明的另一个目的在于提出一种压缩机控制系统的速度估计装置。本发明的又一个目的在于提出一种压缩机控制系统。本发明实施例的再一个目的在于提出一种空调器。
为到达上述目的，本发明一方面实施例提出了一种压缩机控制系统的速度估计方法，包括以下步骤：采样压缩机的三相电压和三相电流，并对所述三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流；根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项；根据所述旋转坐标系下的电压和电流以及所述补偿项估计误差角度；根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使所述压缩机控制系统根据所述当前估计速度和所述给定速度对压缩机进行控制。
根据本发明实施例提出的压缩机控制系统的速度估计方法，先采样压缩机的三相电压和三相电流，并对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，然后根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，并根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度，以及根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。由此，本发明实施例的方法能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。另外，该方法操作简单，代码量小，可工程推广。
根据本发明的一个实施例，所述根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，包括：将所述给定速度和所述上一个估计速度之间的差值作为所述补偿项。
根据本发明的一个实施例，根据以下公式估计所述误差角度：
其中，θe为所述误差角度，vγ为所述旋转坐标系γ轴下的电压，R为所述压缩机的电阻，iγ为所述旋转坐标系的γ轴下的电流，iδ为所述旋转坐标系的δ轴下的电流，ω*为所述给定速度，为所述估计速度，Ld为直轴电感分量，Lq为交轴电感分量，Ke为反电势系数。
根据本发明的一个实施例，所述根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取估计速度，包括：获取所述给定误差角度与所述误差角度之间的差值；对所述差值进行锁相环处理以获取所述当前估计速度。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例还提出了一种压缩机控制系统的速度估计装置，包括：采样模块，用于采样压缩机的三相电压和三相电流；变换模块，用于对所述三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流；补偿模块，用于根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项；误差估计模块，用于根据所述旋转坐标系下的电压和电流以及所述补偿项估计误差角度；速度估计模块，用于根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使所述压缩机控制系统根据所述当前估计速度和所述给定速度对压缩机进行控制。
根据本发明实施例提出的压缩机控制系统的速度估计装置，先通过采样模块采样压缩机的三相电压和三相电流，并通过变换模块对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，然后补偿模块根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，误差估计模块根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度，以及速度估计模块根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。由此，本发明实施例的装置能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
根据本发明的一个实施例，所述补偿模块用于，将所述给定速度和所述上一个估计速度之间的差值作为所述补偿项。
根据本发明的一个实施例，所述误差估计模块根据以下公式估计所述误差角度：
其中，θe为所述误差角度，vγ为所述旋转坐标系γ轴下的电压，R为所述压缩机的电阻，iγ为所述旋转坐标系的γ轴下的电流，iδ为所述旋转坐标系的δ轴下的电流，ω*为所述给定速度，为所述估计速度，Ld为直轴电感分量，Lq为交轴电感分量，Ke为反电势系数。
根据本发明的一个实施例，所述速度估计模块，包括：获取单元，用于获取所述给定误差角度与所述误差角度之间的差值；锁相环，用于对所述差值进行锁相环处理以获取所述当前估计速度。
为达到上述目的，本发明又一方面实施例提出了一种压缩机控制系统，包括所述的压缩机控制系统的速度估计装置。
根据本发明实施例提出的压缩机控制系统，通过上述速度估计装置，能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
为达到上述目的，本发明再一方面实施例提出了一种空调器，包括所述的压缩机控制系统。
根据本发明实施例提出的空调器，通过上述的压缩机控制系统，能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
附图说明
图1是根据本发明实施例的压缩机控制系统的速度估计方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的压缩机控制系统的速度估计方法的控制框图；
图3是根据本发明一个实施例的压缩机控制系统的速度估计方法的矢量控制效果示意图；以及
图4是根据本发明实施例的压缩机控制系统的速度估计装置的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来描述本发明实施例提出的压缩机控制系统的速度估计方法、压缩机控制系统的速度估计装置、压缩机控制系统以及具有该压缩机控制系统的空调器。其中，本发明实施例适用于采用扩展反电势进行无位置传感器控制的压缩机控制系统，并且可适用于不同工况下空调压缩机负载的速度估计。
图1是根据本发明实施例的压缩机控制系统的速度估计方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：采样压缩机的三相电压和三相电流，并对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流。
其中，可通过三个电流传感器或两个电流传感器采样压缩机的三相电压和三相电流。
根据本发明的一个实施例，对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，可包括：对三相电压和三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流iα/iβ，再通过对两相电流iα/iβ进行坐标转换以获得任意旋转坐标系γδ下的电流iγ/iδ；同理，可对三相电压进行clarke坐标转换以获得两相电压vα/vβ，再通过对两相电压vα/vβ进行坐标转换以获得任意旋转坐标系γδ下的电压vγ/vδ。
S2：根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项。
根据本发明的一个实施例，根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，包括：将给定速度和上一个估计速度之间的差值作为补偿项。
S3：根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度。
也就是说，速度的波动随着负载的加大不断增加，在计算误差角度时加入速度波动，即将给定速度与上一个估计速度的差值作为补偿项加入到误差角度估计中。
根据本发明的一个实施例，可根据以下公式估计误差角度：
其中，θe为误差角度，vγ为旋转坐标系γ轴下的电压，R为压缩机的电阻，iγ为旋转坐标系的γ轴下的电流，iδ为旋转坐标系的δ轴下的电流，ω*为给定速度，为估计速度，Ld为直轴电感分量，Lq为交轴电感分量，Ke为反电势系数。
由此，通过速度补偿项能够有效的得到更加准确的误差角度。
S4：根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。
另外，根据给定误差角度对误差角度进行调节还可获取转子估计位置，以使压缩机控制系统根据转子估计位置、当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，包括：获取给定误差角度与误差角度之间的差值；对差值进行锁相环处理以获取当前估计速度。另外，对差值进行锁相环处理后还可获取转子估计位置。
具体来说，给定误差角度可为零，锁相环可包括串联的PI控制器和积分器1/s，将估计的误差角度输入到锁相环的PI控制器，PI控制器通过对估计的误差角度进行调节以获取当前估计速度，再将当前估计速度输出到积分器，通过积分器1/s的积分处理以获取估计角度即转子估计位置。
由此，通过加入速度误差补偿项能够更加有效的对速度进行估计，减小速度波形进而减小电流波动，系统控制性能更优。进而实现更为准确的转子位置估计，并且基于该转子位置估计值可实现性能更优的矢量控制。
具体来说，在本发明实施例中，将压缩机的三相静止坐标系下的数学模型变换到任意旋转坐标系γδ下，可得到γδ旋转坐标系下的数学模型，γδ旋转坐标系下的数学模型中将含有误差角度θe。
首先，基于电机旋转方程，以转子磁场定向按照转子同步转速旋转得到的电机矢量方程如下所示：
其中，vd、vq、Ld、Lq、p、ω、Ke分别代表直轴(d轴)下的电压分量、交轴(q轴)下的电压分量、直轴(d轴)下的电感分量、交轴(q轴)下的电感分量、微分项、转子角速度、反电势系数。
对于任意旋转坐标系γδ，经过变化可得到用于计算扩展反电势的等式：
(2)式中：
(3)式中：
Eer＝ω[(Ld-Lq)id+Ke]-(Ld-Lq)(piq) (4)
其中，vγ、vδ、Eer、θe、ω分别为γ轴下的电压、δ轴下的电压、扩展反电势、误差角度、估计速度、实际速度。
考虑到速度波动项即补偿项，给定速度ω*代替实际速度，那么可得到如下公式：
这样通过上式(6)就能够有效的得到更加准确的误差角度。
进而，将误差角度θe通过锁相环逼近为零，即可得到转子转速，从而得到更加精确的速度估计。
另外，根据本发明的一个实施例，可在压缩机进入速度闭环时开启速度误差的补偿模式，即开始执行步骤S1-S4。
根据本发明的一个具体实施例，压缩机可为空调器中使用的单转子压缩机。需要说明的是，单转子压缩机存在回气及排气的特性，这将引起负载转矩的波动，特别是在进入闭环后该特性更为明显。在进入闭环后，采用本发明实施例进行无位置传感器的速度估计，图3展示了利用本发明实施例的方法进行矢量控制的性能与效果。
在图3的示例中，在黑色虚线方框中，左边为采样本发明实施例的方法补偿后的d轴电流波形31、q轴电流波形32、U相电流波形33，右边为采样现有技术的d轴电流波形34、q轴电流波形35、U相电流波形36。通过对比发现，加入补偿项后各个电流波动明显变小。因此，本发明实施例的方法能够更加准确的获得转子转速，提高系统控制精度及效率。
由此，本发明实施例通过加入速度误差补偿项来解决速度波动的问题，能够有效估计并优化带单转子压缩机的转子位置与转速，实现更为准确的转子位置估计，并基于速度波动补偿进行无位置传感器的矢量控制，可优化矢量控制的性能。
综上，根据本发明实施例提出的压缩机控制系统的速度估计方法，先采样压缩机的三相电压和三相电流，并对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，然后根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，并根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度，以及根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。由此，本发明实施例的方法能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。另外，该方法操作简单，代码量小，可工程推广。
图4是根据本发明实施例的压缩机控制系统的速度估计装置的方框示意图。如图4所示，压缩机控制系统的速度估计装置包括：采样模块10、变换模块20、补偿模块30、误差估计模块40和速度估计模块50。
其中，采样模块10用于采样压缩机的三相电压和三相电流；变换模块20用于对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流；补偿模块30用于根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项；误差估计模块40用于根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度；速度估计模块50用于根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。
另外，速度估计模块50还可根据给定误差角度对误差角度进行调节还可获取转子估计位置，以使压缩机控制系统根据转子估计位置、当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。
根据本发明的一个实施例，对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，可包括：对三相电压和三相电流进行clarke坐标转换以获得两相电流iα/iβ，再通过对两相电流iα/iβ进行坐标转换以获得任意旋转坐标系γδ下的电流iγ/iδ；同理，可对三相电压进行clarke坐标转换以获得两相电压vα/vβ，再通过对两相电压vα/vβ进行坐标转换以获得任意旋转坐标系γδ下的电压vγ/vδ。
根据本发明的一个实施例，补偿模块30用于将给定速度和上一个估计速度之间的差值作为补偿项。
也就是说，速度的波动随着负载的加大而不断增加，在误差估计模块40计算误差角度时加入速度波动，即补偿模块30将给定速度与上一个估计速度的差值作为补偿项加入到误差估计模块40的误差角度估计中。
根据本发明的一个实施例，误差估计模块40可根据以下公式估计误差角度：
其中，θe为误差角度，vγ为旋转坐标系γ轴下的电压，R为压缩机的电阻，iγ为旋转坐标系的γ轴下的电流，iδ为旋转坐标系的δ轴下的电流，ω*为给定速度，为估计速度，Ld为直轴电感分量，Lq为交轴电感分量，Ke为反电势系数。
由此，通过速度补偿项能够有效的得到更加准确的误差角度。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，速度估计模块50包括：获取单元501和锁相环502，其中，获取单元501用于获取给定误差角度与误差角度之间的差值；锁相环502用于对差值进行锁相环处理以获取当前估计速度。另外，锁相环502对差值进行锁相环处理后还可获取转子估计位置。
具体来说，给定误差角度可为零，锁相环502可包括串联的PI控制器和积分器1/s，将估计的误差角度输入到锁相环的PI控制器，PI控制器通过对估计的误差角度进行调节以获取当前估计速度，再将当前估计速度输出到积分器，通过积分器1/s的积分处理以获取估计角度即转子估计位置。
由此，通过加入速度误差补偿项能够更加有效的对速度进行估计，减小速度波形进而减小电流波动，系统控制性能更优。进而实现更为准确的转子位置估计，并且基于该转子位置估计值可实现性能更优的矢量控制。
具体来说，在本发明实施例中，变换模块20将压缩机的三相静止坐标系下的数学模型变换到任意旋转坐标系γδ下，可得到γδ旋转坐标系下的数学模型，γδ旋转坐标系下的数学模型中将含有误差角度θe。
首先，基于电机旋转方程，以转子磁场定向按照转子同步转速旋转得到的电机矢量方程如下所示：
其中，vd、vq、Ld、Lq、p、ω、Ke分别代表直轴(d轴)下的电压分量、交轴(q轴)下的电压分量、直轴(d轴)下的电感分量、交轴(q轴)下的电感分量、微分项、转子角速度、反电势系数。
对于任意旋转坐标系γδ，经过变化可得到用于计算扩展反电势的等式：
(2)式中：
(3)式中：
Eer＝ω[(Ld-Lq)id+Ke]-(Ld-Lq)(piq) (4)
其中，vγ、vδ、Eer、θe、ω分别为γ轴下的电压、δ轴下的电压、扩展反电势、误差角度、估计速度、实际速度。
考虑到速度波动项即补偿项，给定速度ω*代替实际速度，那么可得到如下公式：
这样通过上式(6)就能够有效的得到更加准确的误差角度。
进而，速度估计模块50将误差角度θe通过锁相环逼近为零，即可得到转子转速，从而得到更加精确的速度估计。
另外，根据本发明的一个实施例，压缩机控制系统可在压缩机进入速度闭环时开启速度误差的补偿模式。
根据本发明的一个具体实施例，压缩机可为空调器中使用的单转子压缩机。需要说明的是，单转子压缩机存在回气及排气的特性，这将引起负载转矩的波动，特别是在进入闭环后该特性更为明显。在进入闭环后，采样奔赴买那个实施例进行无位置传感器的速度估计，图3展示了利用本发明实施例的方法进行矢量控制的性能与效果。
在图3的示例中，在黑色虚线方框中，左边为采样本发明实施例的方法补偿后的d轴电流波形31、q轴电流波形32、U相电流波形33，右边为采样现有技术的d轴电流波形34、q轴电流波形35、U相电流波形36。通过对比发现，加入补偿项后各个电流波动明显变小。因此，本发明实施例的装置能够更加准确的获得转子转速，提高系统控制精度及效率。
由此，本发明实施例通过加入速度误差补偿项来解决速度波动的问题，能够有效估计并优化带单转子压缩机的转子位置与转速，实现更为准确的转子位置估计，并基于速度波动补偿进行无位置传感器的矢量控制，可优化矢量控制的性能。
综上，根据本发明实施例提出的压缩机控制系统的速度估计装置，先通过采样模块采样压缩机的三相电压和三相电流，并通过变换模块对三相电压和三相电流进行坐标转换以获得任意旋转坐标系下的电压和电流，然后补偿模块根据给定速度和上一个估计速度获取补偿项，误差估计模块根据旋转坐标系下的电压和电流以及补偿项估计误差角度，以及速度估计模块根据给定误差角度对误差角度进行调节以获取当前估计速度，以使压缩机控制系统根据当前估计速度和给定速度对压缩机进行控制。由此，本发明实施例的装置能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
本发明实施例提出又了一种压缩机控制系统，包括上述实施例的压缩机控制系统的速度估计装置。
根据本发明实施例提出的压缩机控制系统，通过上述速度估计装置，能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
本发明实施例再提出了一种空调器，包括上述实施例的压缩机控制系统。
根据本发明实施例提出的空调器，通过上述的压缩机控制系统，能够有效解决速度误差的影响，轻载或重载都可以用于对速度进行估计，并且速度估计波动将会明显减小，且电流有所减小、效率及性能更优。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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