压缩机及其控制方法、转矩补偿方法、装置以及存储介质与流程

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种压缩机及其控制方法、转矩补偿方法、装置以及存储介质。

背景技术：

近年来，随着电力电子控制技术的发展以及更加严格的空调新能效标准即将出台实施，对空调设计提出了更高的能效需求，同时也引导空调产品向变频控制方向发展。

目前，市场上2hp以下的变频空调大多使用直流变频单转子压缩机。不同于双转子和涡旋式压缩机的负荷波动平稳，负荷转矩变动小，单转子压缩机在低频运转时，由于气体压缩时，负荷转矩不断变化，产生转矩脉动，最终导致电机转速不平稳，振动较大，因此，需要专门的转矩补偿控制方法才能使单转子压缩机实现平稳的低速运行。

技术实现要素：

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。为此，本发明的一个目的在于提出一种压缩机的转矩补偿方法，以能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，低压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机长期稳定运行。

本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

本发明的第三个目的在于提出一种压缩机的控制方法。

本发明的第四个目的在于提出一种压缩机的转矩补偿装置。

本发明的第五个目的在于提出一种压缩机。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种压缩机的转矩补偿方法，所述压缩机为多极永磁同步电机，所述转矩补偿方法包括以下步骤：获取所述压缩机的目标速度和反馈速度；根据所述目标速度和所述反馈速度生成波动速度；生成与所述压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号；根据所述电角度脉冲信号和所述波动速度获得机械角度；根据所述波动速度生成转矩补偿幅值；根据所述机械角度和所述转矩补偿幅值计算转矩补偿瞬时值，将所述转矩补偿瞬时值作为前馈转矩补偿值。

本发明实施例的压缩机的转矩补偿方法，首选根据反馈速度和目标速度得到波动速度，并生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号，进而根据该电角度脉冲信号得到机械角度，并根据波动速度通过速度环输出的负载转矩参考值生成转矩补偿幅值，以及根据转矩补偿幅值和机械角度得到前馈转矩补偿值，这样能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，实现角度和幅值实时在线调整，大大降低了转矩补偿的调试时间，并且在压缩机全工况范围内实现最优补偿效果，尤其能够减小压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机稳定运行。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的压缩机的转矩补偿方法。

本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上存储的与上述压缩机的转矩补偿方法对应的计算机程序被处理器执行时，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种压缩机的控制方法，包括以下步骤：获取所述压缩机的目标速度和反馈速度，并根据所述目标速度和反馈速度生成波动速度；对所述波动速度进行速度环控制以生成负载转矩参考值；根据上述的压缩机的转矩补偿方法得到前馈转矩补偿值；根据所述负载转矩参考值和所述前馈转矩补偿值对所述压缩机进行控制。

本发明实施例的压缩机的控制方法，采用上述的压缩机的转矩补偿方法得到前馈转矩补偿值，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证8极及以上的多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种压缩机的转矩补偿装置，所述压缩机为多极永磁同步电机，所述转矩补偿装置包括：第一获取模块，用于获取所述压缩机的目标速度和反馈速度；第一生成模块，用于根据所述目标速度和所述反馈速度生成波动速度；第二生成模块，用于生成与所述压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号；第二获取模块，用于根据所述电角度脉冲信号和所述波动速度获得机械角度；第三生成模块，用于根据所述波动速度生成转矩补偿幅值；计算模块，用于根据所述转矩补偿幅值和所述机械角度计算转矩补偿瞬时值，将所述转矩补偿瞬时值作为前馈转矩补偿值。

根据本发明实施例的压缩机的转矩补偿装置，首选根据反馈速度和目标速度得到波动速度，并生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号，进而根据该电角度脉冲信号得到机械角度，并根据波动速度通过速度环输出的负载转矩参考值生成转矩补偿幅值，以及根据转矩补偿幅值和机械角度得到前馈转矩补偿值，这样能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，实现角度和幅值实时在线调整，大大降低了转矩补偿的调试时间，并且在压缩机全工况范围内实现最优补偿效果，尤其能够减小压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机稳定运行。

为达到上述目的，本发明第五方面实施例提出了一种压缩机，包括上述实施例的压缩机的转矩补偿装置。

本发明实施例的压缩机，采用上述的压缩机的转矩补偿装置，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证8极及以上的多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例的压缩机的转矩补偿方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的压缩机的控制原理框图；

图3是本发明一个实施例的电角度脉冲信号生成过程的示意图；

图4是本发明一个实施例的初始机械角度锁定过程的示意图；

图5是本发明一个实施例的8极压缩机负载特性、速度波动与电角度的关系曲线图；

图6(a)-图6(c)是本发明一个实施例的初始机械角度补偿过程的示意图；

图7是本发明一个实施例的机械角度生成过程的示意图；

图8是本发明一个实施例的机械角度生成原理示意图；

图9是本发明一个实施例的前馈转矩补偿值计算过程的示意图；

图10(a)、图10(b)分别为本发明一个示例的执行转矩补偿方法前后的压缩机侧电流波形图；

图11是本发明实施例的压缩机的控制方法的流程图；

图12是本发明实施例的压缩机的转矩补偿装置的结构框图。

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。

在本发明的实施例中，压缩机为多极永磁同步电机，如8极或8极以上单转子永磁同步电机，其具有成本低、转矩波动小、振动噪音低等优势。多极单转子活塞式压缩机在低频运行时，由于气体压缩时，负荷转矩的不断变化，最终导致电机转速的不平稳。通过在合理的相位上施加电流补偿的方式，调节压缩机的相电流波形，改变压缩机的转矩，从而使得速度变得平稳，减少振动。由此，可通过调整速度环来提高速度的稳定性。

具体地，压缩机机械运动方程为其中，j为转动惯量，w为机械速度，tem为电磁转矩，tl为负载转矩。可以看出，输出电磁转矩和负载转矩存在相位偏差，加速度是一直在变化的，速度不稳定，因此造成机械振动。

压缩机电磁转矩方程为tem＝kti，其中，kt为转矩常数，i为压缩机电流。

将压缩机的周期性负载转矩进行傅里叶级数展开：

其中，为转子的平均速度，tl0为恒定负载转矩常量，tln为各次负载转矩分量，m为周期数，θ0为压缩机负载相对转子位置的初始角度，即所需要转矩补偿的角度。

只需使电磁转矩tem跟随负载转矩tl就可以降低转速波动，最常用的方法是仅考虑tl的基波分量对tem进行补偿，这其中的关键是自动获取补偿基波转矩的幅值与相位。

为此，本发明提出了一种压缩机及其控制方法、转矩补偿方法、装置以及存储介质。

下面参考附图描述本发明实施例的压缩机及其控制方法、转矩补偿方法、装置以及存储介质。

图1是本发明实施例的压缩机的转矩补偿方法的流程图。

参见图1，转矩补偿方法包括以下步骤：

s1，获取压缩机的目标速度和反馈速度。

s2，根据目标速度和反馈速度生成波动速度。

具体地，如图2所示，获取反馈速度wfbk与目标速度并利用wfbk和计算得到速度误差speederror即波动速度其中，

s3，生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号。

作为一个示例，可采用基波转矩补偿方式，生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号。具体地，首先获取压缩机的电角度；然后判断电角度是否发生阶跃；如果电角度发生阶跃，则生成一个脉冲信号。

具体而言，如图3所示，可通过电角度阶跃检测模块和脉冲生成模块在每个电角度周期切换时刻生成一个脉冲信号。工作原理是：判断前后两次电角度的差值，若果前后两次电角度差值大于第一预设值如2500，说明电角度发生一次阶跃，同时写寄存器置1，使能脉冲发生功能，此时产生一个脉冲信号，以此循环罔替。

需要说明的是，因为转子电角度是逐渐增加的，从0到4096，往复循环，在前后两次差值大于第一预设值如2500时，可认为电角度正好完成一个周期，该第一预设值并不是唯一的，可根据需要进行选取。当然，若前后两次差值小于第一预设值不认为一个电周期完成，不产生脉冲。

s4，根据电角度脉冲信号和波动速度获得机械角度。

作为一个示例，根据电角度脉冲信号和波动速度获得机械角度，包括：对波动速度进行滤波处理；利用压缩机的负载特性根据滤波处理后的波动速度的大小确定初始机械角度，初始机械角度为电角度/p的整数倍，p为多极永磁同步电机的极对数；根据初始机械角度和电角度脉冲信号获得机械角度。

进一步地，根据电角度脉冲信号和波动速度获得机械角度，还包括：根据波动速度对初始机械角度进行补偿，其中，补偿后的初始机械角度的起始位置对应波动速度的加速或减速起始位置，补偿后的初始机械角度的结束位置对应波动速度的减速或加速结束位置。

在该示例中，根据初始机械角度和电角度脉冲信号获得机械角度，包括：对电角度进行补偿；根据初始机械角度、补偿后的电角度和压缩机的极数获得机械角度。

具体地，如图4所示，可通过机械角度锁定模块(包括速度误差滤波模块和单脉冲生成模块)将电角度脉冲信号转变为机械周期，利用压缩机的负载特性根据波动转速大小确定哪几个电周期为一个机械周期。图4中，速度误差滤波模块的作用是去除速度误差中的高频干扰，单脉冲生成模块用于实现速度误差前后两个电周期的比较，以及速度误差间隔一个电周期的比较，如果满足负载特性的条件，认为这几个周期为一个机械周期，即初始机械角度。需要说明的是，机械角度锁定模块仅在转矩补偿开启后的几个周期内执行，单脉冲生成模块生成的脉冲用于对准速度误差的波动周期。另外，由于程序执行是有时间间隔的，在每个电周期进行一次采样，所以速度误差也是一些离散的点，上述的比较电周期的速度误差采样可理解为当前一次速度误差采样值，前一次速度误差采样值，前两次速度误差采样值等，这一模块仅在程序上电后执行一次。

以8极永磁同步电机为例，图5示出了压缩机负载特性、波动速度与电角度的关系。压缩机负载波动在电机每一旋转周期内波动巨大，是由于单缸压缩机的本身特性所决定的，这导致在每一机械周期速度也会波动，并呈现周期性，并与电机极对数相关，因此在每个机械周期一定会存在几个电周期，如何锁定这几个周期为同一个机械周期可利用图4所示的模块完成。需要说明的是，由于不可能正好4个完整的电周期对齐一个机械周期，也可能会出现机械周期为两个完整的电周期和两个不完整的电周期组合。因此，需对生成的初始机械角度进行自动相位矫正。

具体而言，利用图4所示结构锁定的初始机械角度并不一定能完全对齐波动速度的一个完整周期，因此需要加入补偿模块进行调整，如图6(a)-图6(c)所示，其调整原理是：根据补偿后初始机械角度对应的波动速度是否减小，判断补偿是否有效，即若果无效则向相反方向补偿，其中，图6(a)和图6(b)组成补偿角度获取模块，图6(c)为补偿角度增减判断模块。例如，参见图5，若初始机械角度为4个完整的电周期且为电机1个旋转周期，则往右补偿，波动速度增加，补偿无效，则向左补偿，直至波动速度减小。检测波动速度时利用滞回的思想，避免频繁调整，最后可以较为理想的寻找到机械角度的零位置，即初始机械角度。

参见图7和图8，分别为机械角度生成模块和机械角度生成原理示意图。图7中初始机械角度primarytrigger即为利用图4结构得到的，将电角度转换为机械角度，角度范围限制模块用于使转化后的机械角度处于±4096之间。具体转换原理是将电角度补偿值除以极对数，电角度补偿值的得到过程为：在电周期切换时刻对电角度进行补偿，即需要当前电周期的电角度加上前几个电周期的电角度，具体为电角度阶跃处生成脉冲信号，该脉冲来临时加一次4096，累计极对数次，得到电角度补偿值，图8给出了稳态过程转换过程。

s5，根据波动速度生成转矩补偿幅值。

作为一个示例，根据波动速度生成转矩补偿幅值，包括：对波动速度即速度误差speederror进行pi速度环处理得到负载转矩参考值trqref；根据负载转矩参考值trqref和转矩补偿系数参数trqcoefficient生成第一参考值trqref×trqcoefficient；根据第一参考值trqref×trqcoefficient生成转矩补偿幅值m。

在该示例中，需要对第一参考值trqref×trqcoefficient进行转矩补偿限制处理即限幅处理，则根据第一参考值生成转矩补偿幅值，包括：检测到第一参考值大于转矩补偿限制值，将转矩补偿限制值作为转矩补偿幅值；检测到第一参考值小于或者等于转矩补偿限制值，将第一参考值作为转矩补偿幅值。

s6，根据机械角度和转矩补偿幅值计算转矩补偿瞬时值，将转矩补偿瞬时值作为前馈转矩补偿值。

具体地，如图9所示，首先利用波动速度使用pi调节器输出转矩补偿幅值，再利用计算出的转矩补偿幅值以及获得的机械角度mechanicalangle计算转矩补偿瞬时值，将该转矩补偿瞬时值作为前馈转矩补偿值tc，进而tc叠加转矩补偿幅值作为新的转矩参考值，对压缩机进行控制。

在本发明的一个具体实施例中，采用gmcc型号ksn103d4uez为12槽8极单转子压缩机，电机参数为：p＝4，r＝0.81ω，lq＝9.3mh，ld＝5.8mh(相值)，kt＝0.73nm/a，j＝2.61×10^-4kg·m²。图10(a)、图10(b)分别为该机型执行转矩补偿方法前后压缩机侧电流波形图，图10(a)示出了未执行转矩补偿方法时电流波形，图10(b)示出了执行转矩补偿方法后的电流波形和转矩补偿角度波形。可以看出，根据上述压缩机转矩补偿方法得到的前馈转矩补偿值tc，可以实时跟踪负载转矩的角度和幅值，能够明显降低压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机长期稳定运行。

综上，本发明实施例的压缩机的转矩补偿方法，首选根据反馈速度和目标速度得到波动速度，并通过基波转矩补偿的方式生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号，进而根据该电角度脉冲信号得到机械角度，并根据波动速度通过速度环输出的负载转矩参考值生成转矩补偿幅值，以及根据转矩补偿幅值和机械角度得到前馈转矩补偿值，这样能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，实现角度和幅值实时在线调整，大大降低了转矩补偿的调试时间，并且在压缩机全工况范围内实现最优补偿效果，尤其能够减小压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机稳定运行。

进一步地，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述的压缩机的转矩补偿方法。

本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上存储的与上述压缩机的转矩补偿方法对应的计算机程序被处理器执行时，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证8极及以上的多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

图11是本发明实施例的压缩机的控制方法的流程图。

如图11所示，该压缩机的控制方法包括以下步骤：

s101，获取压缩机的目标速度和反馈速度，并根据目标速度和反馈速度生成波动速度。

s102，对波动速度进行速度环控制以生成负载转矩参考值。

s103，根据上述的压缩机的转矩补偿方法得到前馈转矩补偿值。

s104，根据负载转矩参考值和前馈转矩补偿值对压缩机进行控制。

具体地，将负载转矩参考值和前馈转矩补偿值叠加后，作为新的转矩参考值，对压缩机进行控制。

本发明实施例的压缩机的控制方法，采用上述的压缩机的转矩补偿方法得到前馈转矩补偿值，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证8极及以上的多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

图12是本发明实施例的种压缩机的转矩补偿装置的结构框图。

在该实施例中，压缩机为多极永磁同步电机。

如图12所示，转矩补偿装置包括：第一获取模块10、第一生成模块20、第二生成模块30、第二获取模块40、第三生成模块50和计算模块60。

其中，第一获取模块10用于获取压缩机的目标速度和反馈速度；第一生成模块20用于根据目标速度和反馈速度生成波动速度；第二生成模块30用于生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号；第二获取模块40用于根据电角度脉冲信号和波动速度获得机械角度；第三生成模块50用于根据波动速度生成转矩补偿幅值；计算模块60用于根据转矩补偿幅值和机械角度计算转矩补偿瞬时值，将转矩补偿瞬时值作为前馈转矩补偿值。

需要说明的是，上述对压缩机的转矩补偿方法的具体实施方式的描述，同样适用于本发明实施例的压缩机的转矩补偿装置。

本发明实施例的压缩机的转矩补偿装置，首选根据反馈速度和目标速度得到波动速度，并通过基波转矩补偿的方式生成与压缩机的电角度频率相同的电角度脉冲信号，进而根据该电角度脉冲信号得到机械角度，并根据波动速度通过速度环输出的负载转矩参考值生成转矩补偿幅值，以及根据转矩补偿幅值和机械角度得到前馈转矩补偿值，这样能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，实现角度和幅值实时在线调整，大大降低了转矩补偿的调试时间，并且在压缩机全工况范围内实现最优补偿效果，尤其能够减小压缩机在低频运行时的振动，保证压缩机稳定运行。

进一步地，本发明提出了一种压缩机，其包括上述实施例的压缩机的转矩补偿装置。

本发明实施例的压缩机，采用上述的压缩机的转矩补偿装置，能够实时跟踪负载转矩角度和负载转矩幅值，进而能够保证8极及以上的多极单转子压缩机在低频长期稳定运行。

另外，本发明实施例的压缩机的其他构成及作用对本领域的技术人员来说是已知的，为减少冗余，此处不做赘述。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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。

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。