（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的svpwm技术在空调压缩机变频调速中的应用.pdf

a bs t r a c t a i r c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r i st h ec o r e c o m p o n e n t o f a i r - c o n d i t i o n e r s t r a d i t i o n a lf i x e d s p e e da i r c o n d i t i o n e rc o m p r e s s o ru s e i n s i n g l e p h a s ea s y n c h r o n o u s m o t o r t h em o t o ru s e s a s i m p l e s w i t c h - m o d ec o n t r 0 1 i t sp o w e rl o s s ，t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n sa n dn o i s e a r ev e r yl a r g et h a tb r i n gi m p a c td a m a g et ot h ec o m p r e s s o r w i t ht h e i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d sa n de n e r g ys h o r t a g ep r o b l e m s ，t h e f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h e a i rc o n d i t i o n e r t h e i n v e r t e rc o m p r e s s o rw i l lr e p l a c ec o n v e n t i o n a lf i x e d s p e e d c o m p r e s s o r t h ef r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g yw i l la ll o wt h ec o m p r e s s o rt or e d u c et h e o p e n i n ga n ds t o pt i m e s ，r e d u c et h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s ，t oi n c r e a s e c o m f o r t ，t oo b t a i nb e t t e rr e s u l t sa n dt h er e a l i z a t i o no fa i r - c o n d i t i o n i n g e n e r g ys a v i n gr e q u i r e m e n t s a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sat y p i c a lm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i cw i t hal a r g et i m ed e l a yn o n l i n e a rs y s t e m s a i r - c o n d i t i o n i n g c o m p r e s s o rt of r e q u e n c yc o n t r o l ，n e e dt oo b t a i nt h ef r e q u e n c yo ft h e v a l u eo ft h e c o m p r e s s o ri n a c c o r d a n c ew i t ht h e c h a n g eo fr o o m t e m p e r a t u r e d u et oi ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h a tt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，a n dt h e yh a v et h el a r g e rt i m ec o n s t a n t ， t h et r a d i t i o n a lp i da d j u s t m e n ti sn o to n l yt i m e c o n s u m i n ga n dl a b o r i o u s i t sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r ea l s on o ts a t i s f a c t o r y t h e r e f o r e 1w i l l i n t r o d u c et h ef u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g yt oa i r c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r f r e q u e n c yc o n t r 0 1 t h ef u z z yc o n t r o l l e ru s er o o mt e m p e r a t u r ea n d c h a n g e si nr a t ea st h ei n p u ta n df r e q u e n c yo ft h ec o m p r e s s o ra st h eo u t p u t f o r i m p r o v i n g t h ec o n t r o l a c c u r a c y ，s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，w h e t h e rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fa c a d e m i c r e s e a r c h ，o ri ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，t h e s ea r eo fc o n s i d e r a b l e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ， -o 一一 li l l sa r t i c l ed i s c u s s e da n da n a l y s e df r o mt h e f r e q u e n c yc o n t r o l t e c h n o l o g y o ft h e t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，i n v e r t e r a i r c o n d i t i o n e rc o n t r o ls t r a t e g y f i r s to fa l l ，t h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi s a p p l i e dt oa i r - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o rf r e q u e n c yc o n t r 0 1 i na c c o r d a n c e w i t ht h er u l e so ff u z z yc o n t r o lt oe s t a b l i s ha n dp r a c t i c a lo p e r a t i n g e x p e r i e n c e ，id e s i g n e daf u z z yc o n t r o l l e ro fa i r c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r w h i c hm a d ea i r - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o rw i t hs e l f - a d j u s t i n gi n t e l l i g e n t f e a t u r e s ，s oa st oa r r i v e a tt h eb e s td y n a m i cc o n t r o lp a r a m e t e r s ，t o o v e r c o m et h el o wp r e c i s i o np i dc o n t r o ll e ra n dt oe l i m i n a t es t e a d y - s t a t e e r r o r t h e ns v p w mi se l a b o r a t e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fs p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n di t si m p l e m e n t a t i o ni sd i s c u s s e d t h ea d v a n c e d s v p w mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e di ni n v e r t e rc o m p r e s s o r s ot h e c o m p r e s s o rc a na d j u s ti t sc o o l i n g ( h e a t ) q u a n t i t yc o n t i n u o u s l y ，d y n a m i c l y a n dr e a l t i m e l yb a s e do nd i f f e r e n ti n d o o rc o l d ( h o t ) ，a n da l w a y sm a i n t a i n a tam o r er e a s o n a b l ef u n c t i o n i n gs t a t e t h ec o n t r o l l e rc a nf u r t h e ri m p r o v e t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fv o l t a g ea n df r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，m a k et h e c o m p r e s s o rr u n n i n g m o r e s m o o t h l y ，i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f a i r c o n d i t i o n i n g ，a n do b t a i nt h ee f f e c to fs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n g c o n s u m p t i o n k e yw o r d s a i r - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r ，f r e q u e n c yc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：三丕盟日期：筚年上月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储躲盖址翩二建立隰洱岛鱼日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景、目的及意义 1 1 1 本课题的研究背景 空调压缩机是空调的核心部件。传统空调器的温度控制是通过温度传感器感 受室内温度变化来控制压缩机的运行和停止的，风扇则在设定的速度下工作，这 会造成受控环境温度变化较大，使人们在使用空调时仍不断感受到冷热的变化。 此外，压缩机的开关控制方式及空调器自身的结构特点使室内机的输出与压缩 机的输出相比有一定的滞后性，而且压缩机处于全开或全关状态，其制冷( 热) 量也对室内温度有较大影响，这些势必影响空调的温度控制精度和舒适性。 变频空调器是一种压缩机能根据室内需要温度的不同，连续地、动态地调节 制冷( 热) 功率并以大功率迅速制冷( 热) ，小功率维持房间温度恒定的高效节能产 品，而改变压缩机功率是靠调节压缩机工作频率来实现的。变频器或逆变器将输 入交流电整流成直流电，在单片机控制下，将直流电源逆变成电压幅值、频率可 调的三相交流电源，用此电源配接交流异步电机压缩机，即可连续调节空调器制 冷( 热) 功率。 空调系统是一个典型的多输入多输出、具有大滞后特性的非线性系统。目前 空调系统采用的调节方式主要是p i d 调节，而p i d 调节性能主要依靠其参数的 整定，由于空调系统精确的数学模型难以取得，且时间常数较大，调整不仅费时 费力，性能指标也不能令人满意。 变频空调器的发展具有巨大的社会、经济效益，可以节约空调用电量，减轻 电力供应的压力，同时可以带动一大批相关产业的发展。正是由于这些原因，变 频空调器得到国内外学术界，产业界极大的关注。同时电力电子技术、微电子技 术的进一步发展为变频调速技术提供了硬件基础，变频空调器作为家用电器产品 中变频技术应用的代表走向了广阔的市场。近年来随着人们生活水平的提高，对 空调环境舒适性的要求也越来越高，同时全球对能源危机和环境保护问题的呼声 越来越高，所以需要研制性能可靠、运行更加平稳、功能更强、节能显著、噪音 小、污染少的变频空调器，这就是本课题的背景。 1 1 2 本课题的研究目的及意义 为此本文的主要研究目的就是要通过对空调控制系统中控制算法及压缩机 硕士学位论文 第一章绪论 变频控制部分的改进和完善，设计一个模糊变频空调压缩机控制器，控制空调变 频压缩机的运转，以使空调控制能够达到智能化程度更高，控制动作更细腻，控 制性能更佳等效果； 对于现代变频空调器的设计有着一定的现实意义： 1 、传统的空调器是当温度达到所要求的范围时就停转，超出范围时就重新 启动。工作过程中反复启停，产生峰值电流，造成污染。本文设计的变频空调采 用先进可靠的变频技术后，可随时调整压缩机转速，避免了频繁的起停，消除 压缩机启动时的尖峰电流，减少对电网的污染。 2 、传统的空调器不管外界温度如何，始终保持同一转速。而本文设计的变 频空调则采用先进的模糊控制技术，根据需要改变转速，温度波动小，感觉舒服， 运转更加平稳，降低噪音。 3 、由于近年来能源供应形势相当严峻，使人们普遍关注节约能源，有效利 用能源。本文设计的变频空调真正符合节能要求，今后必将取代传统空调。 4 、利用模糊控制技术解决由于控制对象尺寸变化大、温度特性差别大出现 的不稳定状况。 1 2 国内外研究现状和水平 1 2 1 模糊控制的研究发展 常规p i d 控制因简单、实用、易于实现，因而在空气调节中的应用比较广 泛n 1 。1 9 8 4 年b r a n d t 和s h a v i t 对p i d 控制的废气温度控制系统的单位阶跃响应 做了仿真研究乜3 。1 9 9 5 年k a l m a n 等人将p i d 控制用于压缩机和蒸发器的电机速 度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及p i d 算法的三个参数 ( k ，k ；，k ) 的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上， 现在大多数空调系统都是采用p i d 控制。 虽然p i d 控制在空气调节中广泛应用，但是由于p i d 算法只有在系统模型 参数不随时间变化的情况下才能取得理想效果。当一个已经调好参数的p i d 控制 器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时，系统的性能就会变差，甚至不 稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系h 1 ，研究者们 又转向了其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控 制。 国外在上世纪中期就开始研究如何改进p i d 控制方式了，并一直在尝试将其 研究成果应用到空调控制领域。起初科研人员试图将1 9 4 2 年由z i e g l e r 和 n i c h o l s 提出的简称为z - n 的整定公式畸1 以及1 9 5 3 年c o h e n 和c o o n 在z n 公式 2 硕士学位论文 第一章绪论 的基础上提出的一种考虑了被控过程时滞大小的c - - c 整定公式引进到空调控制 领域，但是由于常规p i d 控制器的传统整定方法往往是技巧多于科学，整定参数 的选择取决于多种因素，如被控过程的动态性能、控制目标以及操作人员对过程 的理解等等，回路整定费时费力，过程特性及操作条件的频繁变化，操作人员对 回路整定方法不熟悉更容易造成整定失误。 模糊逻辑控制目前已经成为控制理论和控制工程研究的热点之一随1 。模糊逻 辑控制简称模糊控制，实质上是一种非线性控制，它以模糊集合论、模糊语言变 量和模糊逻辑推理为基础，同时采用具有以知识表示的非数学广义世界模型和数 学公式模型表示的混合控制过程，也往往是含有复杂性、不完全性、模糊性或不 确定性以及不存在已知算法的非数学过程，并以知识进行推理，以启发来引导求 解过程。模糊技术突出优点就是能较好地仿效和描述人的思维方式、总结和反映 人的经验，对复杂事物和系统可进行模糊度量、模糊识别、模糊推理、模糊控制 和模糊决策。模糊控制将专家的知识以及现场操作人员的经验转化为控制规则和 控制策略，使模型难以确定的复杂系统得以有效的控制。如果再加以模糊自学习 环节，则整个控制系统对环境变化和其他干扰的自适应能力会大幅度加强，从而 增强了系统的稳定性、鲁棒性和控制精度。显然，如果能将模糊控制技术与经典 控制技术相结合，构成一种新型的模糊复合控制技术，并将其应用于空调系统， 提高空调系统的控制精度、稳定性和可靠性，从而实现空调系统的节能，无论从 学术研究角度出发，还是工程应用方面都有较大的现实意义。 鉴于上述问题，模糊逻辑控制( f l c ) 由于不需要精确的数学模型，且基于专 家操作经验，控制系统对环境变化的适应能力强( 即鲁棒性强) ，因此引入空调控 制系统中，且取得了卓有成效的成果。1 9 8 5 年日本“三菱重工 开发出了以温度 恒定为目标的模糊变频空调控制器m 。香港的a l b e r t t es o 等人于1 9 9 4 年开发出 空调机组( a h u ：a i rh a n d l i n gu n i t ) 的热舒适性模糊逻辑控制器。s o 在文献中 对控制器的性能做了简单评论聃1 。同年，香港的s h u a n g 和美国的n e l s o 对基于规 则的模糊逻辑控制在h v a c 系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制 规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性呻1 。1 9 9 5 年日本日立公司的高级 研究员s u n a of u n a k o s i 和k a z u y am a t s u o 对基于人体舒适性指标p m v 的列车模糊空 调控制系统做了仿真及实验研究。s u n a o 幂l j 用p 0 f a n g e r 教授关于p m v 的理论计 算方法，根据p m v = 0 的舒适规则即时对温度设定值进行自动修订，再对温度误 差及其变化率进行模糊逻辑推理，计算出压缩机的输出，从而使车厢内空气处于 最优舒适状杰( p m v = 0 ) 1 0 os e e m j e 在1 9 9 8 年把单环p i d 控制应用于中央空 调系统，且由于结构简单，很容易被理解和应用，所以很快被应用于实践n 1 i 。 近年来，我国对于空调系统的研究得到了较快的发展，特别是模糊控制技术 硕士学位论文 第一章绪论 在中央空调系统中的应用研究发展迅速，取得了一定的理论成果。文献n 羽中针对 空调系统的大惯性、非线性等特点，提出了空调模糊控制方案，一定程度上可能 改善控制性能；文献n 3 1 在分析量化因子和比例因子对系统影响的基础上，提出了 参数自调整模糊控制算法，从仿真结果上看其控制性能优于常规模糊控制器；文 献n 4 1 提出空调系统模糊控制方案，并基于单片机控制的思想，给出了空调系统房 间温度的无级调节的实现方案；文献n 5 3 从空调系统晗湿图控制原理分析出发，提 出了将模型参考模糊自适应控制系统( m r s t ) 应用于空调控制系统；等等。所 有这些研究成果的取得都对空调系统的控制效果的提高起到了非常大的推动作 用，许多控制方案、控制方法同传统的控制方法相比有了很大进步，但仍存在许 多问题，主要表现在： 1 、许多控制方案仅仅停留在理论算法研究或实验室研究阶段，较少在生产 实践中推广使用； 2 、一些相对成熟、能够指导生产实践的控制策略在控制性能和控制效果方 面还有待提高。例如在采用模糊控制系统对中央空调系统进行控制时，虽然系统 的非线性性能能够得到改善，但在稳态精度等方面不能令人满意，且无法解决系 统的大滞后、大惯性问题。 3 、模糊自整定控制器是集微处理计算机、新型精密电子元器件及高密度的 工艺制作技术为一体的高集成度的自动化仪表，国内在这些方面与国外同类技术 差距甚远，影响了国内自整定控制器商品化的研制。 1 2 2 变频调速技术的研究发展 交流电动机矢量变频调速系统虽然有着极为突出的优点，但是它的问世时间 并不长。上个世纪六、七十年代出现的能源危机迫使西方主要资本主义各国投入 大量人力物力研究节能技术。交流变频调速技术被视为电力拖动的主要节能途 径，很多研究机构把目光集中到这一领域。1 9 6 4 年，德国人a s c h q u n g 小组率 先将通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，提出了脉宽调制变频的思 想，他们用这种技术制成的p w m 变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存 在的问题，为近代交流变频调速开辟了新的发展领域。 当调制概念被引入变频调速技术以后，使其基本面貌大为改观。通过脉宽调 制p w m ，可以实现有效电压( 电流) 的升降变化，如果将这种p w m 方法结合上正( 余) 弦波的变化规律，即是s p w m ，逆变器输出的有效电压( 电流) 可以实现正( 余) 弦 变化规律。用这种经过s p w m 方法控制的电压( 电流) 驱动交流电机，控制正( 余) 弦的周期大小，则可以控制交流电机的同步转速，从而也就控制了交流电机的速 度，这就是s p w m 变频调速方法。但是s p w m 控制存在直流母线电压利用率低、输 4 硕士学位论文第一章绪论 出谐波仍然较大的问题，如果未经变压器升压，则输出线电压有效值不超过 3 2 9 v ，当给额定电压为3 8 0 v 的常用电机供电时，则电机特性很软，不能充分发 挥电机的潜力，这就大大限制了s p i 聊v l 的应用。为了解决这一问题，人们想出了 很多办法，例如：采用马鞍形调制方法，将正弦波加上适当的三次谐波，形成的 马鞍型波的基波可以较高，相应的线电压可以超过3 2 9 v ，接近3 8 0 v ；或者用削 顶限幅的正弦波作为调制信号，相应的线电压也可以接近3 8 0 v 。但是，这些方 案不能从根本上解决直流母线电压利用率不高的问题n 引。经过不懈的努力，在 1 9 7 1 年，德国西门子公司的e b l a s c h k e 小组提出了感应电机磁场定向的控制原 理”；美国人p c c u s t l n a n 和从c l a r k 申请了专利“感应电机定子电压的坐标变 换控制”；e b l a s c h k e 小组以及p c c u s t m a n 和a a c l a r k 从交流电机的数学模型 出发，仔细研究了交流电机的可控性。他们运用正交变换矩阵对交流电机的复杂、 多耦合、非线性模型进行了处理，最终得到了一个与直流电机控制模型极为相似 的公式。通过对这一公式的物理解释，确立了坐标变换、解耦合、矢量控制的思 路，将交流电机转换成为某种直流电机来控制，从而开创了矢量控制的先河。这 两项成果标志着矢量控制的变频调速系统问世。在以后的实践中经过不断改进， 形成了现在普遍研究和应用的矢量控制变频调速系统。矢量控制方法输出的线电 压可以超过3 8 0 v ，最大可达4 7 0 v 左右， 倍数的谐波，并且消除二次、四次谐波， 量n 引。 采取适当的调制方式可以消除所有三的 仅有高次分量存在，大大提高了供电质 矢量控制变频方法一诞生就引起人们的高度重视，因为这一方法从理论上使 得交流感应电机与直流电机等价，从而使得交流调速系统应当具备与直流调速系 统相当的优良性能。从这个理念出发，大量优秀研究者进行了不懈的努力，在相 关电子技术发展的支持下，研究工作卓有成效。 在数字技术尚不发达的早期，人们使用模拟数字混合系统检测磁场、电流， 进行转子磁链定向，p i d 调节，这种混合系统虽然初步实现了空间矢量变频调速， 但是由于系统复杂、稳定性不高、抗干扰能力低、成本高，并不能很好地体现 s v p w m 技术的优越性。微机控制技术高度发展以后，数字信号的处理能力大大提 高。人们有条件来实现全数字式的s v p w m 控制系统。于是，采用单片机、d s p 、 f p g a 、c p l d 等器件作为s v p w m 控制核心的研究大量涌现。以d s p 为核心硬件构 建的全数字式s v p w m 变频调速系统用软件完成电流采样、磁场检测、磁链定向、 3 2 、2 3 变换、p i d 调节、压流变换、逆变器件作用时间、交直轴分量等计算， 结合少量外围硬件系统，可以得到动、静态性能优良的调速系统，成为此领域研 究热点之一n 。以f p g a 为核心控制器件构成的全数字式的s v p w m 变频调速系统 除了具备d s p 系统响应迅速、精度高的优点，还具有系统灵活、大量减少外围硬 硕士学位论文第一章绪论 件、开发周期短、可靠性更好的特点。此系统往往利用逻辑器件的编程来集成 a d 转换、延迟电路、双口r a m 、保护电路、键盘显示处理电路、转速计算、p i d 调节计算、复杂函数表存储等功能。有的研究者基于f p g a 的可编程特点，将 k o n h o n e n 神经网络智能控制技术融入系统，从而进一步提高精度及系统响应速 度。有的研究则运用f p g a 构建信号检测、信号转换、保护电路、矢量控制算法、 正( 余弦函数计算以及i g b t 驱动一体化专用c p u ，与通用十六位机8 0 c 1 9 6 k c c 组 合成为双c p u 系统，外围硬件极少，系统的可靠性和响应速度很高n 引。 许多研究表明，由于矢量控制变频系统的实时计算能力要求很高，而且对电 机参数有较大的依赖程度，所以实际产品的控制性能不容易达到理论分析的水 平。针对这些不足，一方面人们设法利用工程方法来提高控制系统的性能：另一 方面人们也积极寻找更好更简洁的控制原理。早在1 9 8 5 年德国鲁尔大学 d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 。 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来问接控制转矩， 而是把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方 法，直接在定子坐标系计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于 离散的两点式调节( b a n g - b a n g 控制) 产生脉宽调制( p 1 】l m ) 信号，直接对逆变器的 开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。异步电机直接转矩控制系统 的实现是采用三相两点式电压型逆变器为异步电机供电，利用逆变器的开关特 点，通过不断切换电压状态，即是不断切换电压空间矢量，使得定子磁链轨迹逼 近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其 变化率，从而使得异步电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。实验室条件下也 已做出性能指标相当高的样机，只是还有些问题如低速时转矩观测器和转矩波动 等还没有很好的解决，这种控制系统没有推广n 9 1 。现在市面上自称实现了转矩直 接控制的系统，大多采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采 用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时观察转子磁链， 作为直接转矩控制系统的校正。这种方法平稳切换的时机较难确定，而且低速时 采用磁链定向矢量控制或采用观测转子磁链的方法，还是要依赖转子参数，无法 体现直接转矩控制的优势。在这方面，国内外的学者还在做迸一步的研究，因此， 完全的转矩直接控制还没有产品化。但是，d t c 在永磁交流同步电机的控制方面 有较好的表现。针对矢量控制方案中转速子系统与磁链子系统不能完全解祸的缺 点，有学者在感应电机的解耦控制方面作了深入的研究。目前效果较好的方案是 将微分几何理论引入解耦计算中，实现感应电机的微分几何控制。在相关的研究 实验中，已经很好地将转速子系统和磁链子系统解耦，实现了两个子系统的完全 独立控制，调速系统的性能进一步提高。 6 硕士学位论文 第一章绪论 将人工智能技术融入矢量控制变频调速系统的研究近来十分活跃，在许多方 面都取得了实际应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。 由于智能控制，如模糊控制不依赖被控对象的精确数学模型、能克服非线性因素 的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等等优点，因而许多学者将智 能控制方法引入了电机控制系统的研究，并在交直流调速系统和伺服系统中取得 了比较满意的效果。 1 2 3 变频空调的发展趋势 变频式空调改善了传统空调器的不足，变频式空调集微电子技术与新制冷技 术为一体，能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更 加突出的优势。为了满足广大用户的需要和激烈的市场竞争，国内外各厂商的空 调器在花色品种、多种功能、微电子控制和高效节能上也有了很大的进步。空调 器目前的发展趋势主要有：自动控制性能的改善，利用模糊控制理论，自动按照 室内外环境和用户的需要，调节房间的温湿度：冷热两用，提高制冷( 热) 能力， 加快房间的制冷( 热) 速度：改善气流和净化空气：使运转更加平稳，降低噪音。 除变频功能外，目前还出现了更高一档的附加功能，如卫星传感红外线探测器 功能，反映人体表面温度参数：采用电话遥控开停运行控制：模仿自然风三维供风 方式：有的空调带有人体感知器，可跟据室内人员的多少及活动量的大小，然后 通过风向控制阀调节合适的风向及风速，同时可根据人体的活动量来调节室温心2 1 传统空调器压缩机的转速是一定的，为定频空调器，限定了空调器制冷、制 热的能力。同时，压缩机长期处于开停工作方式，电机启动电流冲击大，正常运 行时输出功率固定，导致系统效率低下，温度波动频繁，达到设定温度时间长等 缺点。为了解决上述问题，提高空调器的调节能力，变频空调器就应运而生了。 变频空调通过改变压缩机的转速来改变空调能力，并运用一定的控制方式使压缩 机转速随房间热负荷的变化而变化。 国内对变频空调器的研究和开发始于9 0 年代初，其中控制系统是变频空调 系统中关键的技术之一。限于当时的技术条件和市场情况，最近两三年来才得到 了较大的发展。从国内对变频空调控制系统的研究和开发的发展过程来看，主要 有两种技术方案： l 、在传统热泵式空调器产品的基础上，进行结构和电气线路的适当改进， 加装变频控制电源，实现对压缩机的变频调速控制，避免普通空调器的开停运行 方式。但由于采用普通压缩机，变频范围较小，一般不超过6 0 h z ，变频范围为 2 0 5 0 h z 。此方案的提出，是出于前几年适合于变频控制的变频式旋转压缩机的 进口受到限制，货源难以解决，而我国又不能自行生产的考虑。但这种方案不能 7 硕士学位论文第一章绪论 充分发挥变频控制的优势，性能价格比比较低，只能是我国空调变频技术发展过 程中的中间过渡技术。 2 、开发高性能的变频空调控制系统。国外( 主要指日本) 变频式智能空调器 发展的系统模式是大量经验积累和科技发展的产物，代表了九十年代国际空调器 技术的先进水平和发展方向。我们应当完全自主开发高技术含量的高性能变频空 调控制系统，而不应在低水平上发展国内的变频空调器产品。 近几年来，国内对变频空调控制系统的研究和开发取得了较大进展。 1 3 本文主要的研究内容 本文的研究对象为变频空调压缩机，实现对压缩机电机的较高性能调速控制 设计出高性能的变频空调压缩机调速控制器用来提高空调的舒适性。本文主要做 了以下几项工作： 1 、针对空调系统是一个时滞时变的非线性系统，其数学模型很难确定情况， 引入模糊控制技术。利用模糊控制无需建立被控对象数学模型，鲁棒性与抗干扰 性强，系统控制简单等特点，以调温房间的温差和温差变化率得出变频压缩机的 运转频率； 2 、在分析对比传统的正弦脉宽调试( s p w m ) 的基础上，采用较为先进的的 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术，分析了s v p w m 的原理，给出了s v p w m 的 实现方法； 3 、利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真模块建立了基于模糊控制的s v p w m 技 术在压缩机变频调速中的仿真模型，并对模型进行了仿真分析。 1 4 本文的章节安排 全文篇章安排如下： 第一章绪论，介绍了本文研究对象变频空调压缩机的背景，对模糊控制、 变频调速控制策略和变频空调的的发展和现状作了一些介绍，同时指出本文对变 频空调压缩机将采用的控制算法与全文的结构安排，对本文的工作作了简要的概 括。 第二章空调工作原理及压缩机变频控制，在本章中先对变频空调系统的结构 特点和工作原理作了介绍。分析了变频空调压缩机运转频率与空调制冷( 热) 量 之间的关系。在压缩机变频调速控制方面，对压缩机的变频调速原理和目前各行 业中常用的变频调速控制方式进行了说明，为下面变频空调压缩机的模糊控制器 的设计和s v p w m 调制方法打下理论基础，是本文非常重要的过渡章节。 第三章空调压缩机变频模糊控制器的设计，主要是针对空调压缩机的工作特 8 硕士学位论文 第一章绪论 点，以空调房间的温差和温差变化率为空调压缩机变频模糊控制器的输入，通过 模糊控制规则，经过输出的模糊化，得出变频空调压缩机的运转频率。 第四章空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 的研究，根据异步电机的数学方程，逐 步推导，建立了异步电机动态数学模型，分析了状态方程的系数矩阵，对该模型 进行了模型的验证，然后针对建立韵数学模型研究分析了本文中所采用的压缩机 变频调速控制算法。最后利用m a t l a b 软件中的s i m u li n k 仿真模块建立了基于模 糊控制的s v p w m 技术在压缩机变频调速中的仿真模型，并对模型进行了仿真分 析。 第五章总结与展望，总结整个论文的内容，分析得出的结果，最后对该方向 以后的研究和需改进的方向作了简单的展望。 9 硕士学位论文 第二章空调工作原理和压缩机变频控制 第二章空调工作原理和压缩机变频控制 2 1 变频空调器 2 1 1 变频空调器的产生 传统的空调器采用定速压缩机，实行开关控制，控制压缩机进行制冷或制 热，这种控制方式有很多缺点和不足：空调器保持恒温所采用的措施是利用简单 的感温装置来控制温度。当温度达到设定温度时，使压缩机停止转动，经过一段 时间之后，由于外部影响使室温再度升高时，再接通压缩机电路启动压缩机制冷。 这样，压缩机工作于开关状态，压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止 到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力 矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动 部件的磨损，对压缩机损害较大，产生冲击电流，造成对电网的污染，会影响到 其它用电设备的正常运转：而且处于开关工作状态压缩机耗电量较大。频繁地启 停也造成了空调器的制冷( 制热) 的不连续，室温有较大的变动差，因此普通空调 使用起来缺乏舒适感。所以近年来出现了变频空调，采用了变频驱动的空调器具 有温控精度高、环境舒适、节约电能、减小对电网和压缩机的冲击等优点。 2 1 2 变频空调的工作原理 根据热力学第二定律：热量不可能自发的从低温物体向高温物体转移。必须 消耗一定的能量，以使热能从低温热源转移到高温热源。另外，由热力学还可知： 温度越高或压力越低，液体就越容易气化成气体并吸收热量；反之，温度越低或 压力越高，气体就越容易液化成液体并释放热量。空调器中的压缩机就是这样一 种进行热量传递的装置啪1 。 下面以图2 - 1 为例简介空调制冷原理： 1 0 硕士学位论文第二章空调工作原理和压缩机变频控制 图2 - 1 变频空调结构和工作原理 在制冷循环中，制冷剂r 2 2 经室外机组中的压缩机工作，将低温低压的制冷 剂蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，并排入冷凝器中。在冷凝器中，由于风扇的 冷却散热作用，使过热的制冷剂汽体逐渐由汽态变为液态，即由过热蒸汽变为千 饱和蒸汽，再由干饱和蒸汽变为汽、液共存的湿蒸汽。继续冷却时，湿蒸汽变为 饱和液( 冷凝液体) 。冷凝后的制冷剂液体进入又长又细的毛细管中进行节流降 压，由于毛细管阻碍制冷剂液体流动，故其压力下降，因此就为在蒸发器中的汽 化创造了条件。在蒸发器中，制冷剂由低压液体状态变为汽化后的干饱和蒸汽状 态，在此变化的过程中，实现了热量的转移，其结果是蒸发器外表面及周围的空 气被冷却，从而达到了室内制冷的目的。空调系统中压缩机把制冷剂蒸汽从低压 状态压缩至高压状态，创造了制冷剂液体在蒸发器中低温下蒸发制冷，在冷凝器 中常温液化的条件。压缩机不断地吸入和排出气体，才使制冷循环得以周而复始 地进行。 空调制冷循环中，室外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器。此时四 通阀线圈内的电流被切断时，阀芯因为重力作用而下落，使压缩机排气口与室外 冷凝器接通，而吸气口与室内蒸发器接通。空调制热循环中，四通阀切换，线圈 通电产生磁场，阀芯被吸到上方位置，压缩机排气口与室内热交换器接通，吸气 口与室外热交换器接通，此时制冷剂蒸汽流动方向改变，室内热交换器向室内散 热而成为冷凝器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸发吸收室外热量。 变频式空调器的工作原理是通过改变压缩机电动机的电源频率来达到调节 室内热交换器 硕士学位论文第二章空调工作原理和压缩机变频控制 压缩机电机的转速，从而控制空调器制冷( 制热) 功率的目的。当室内需要急速降 温或急速升温，或室内空调负荷加大时，压缩机转速可加快，制冷功率( 制热功 率) 按比例增加；相反，在一般情况下，当室内空调负荷减少时，压缩机转速可 正常运转或减速；在空调器开机时，室内温度与设定的温度偏离较大时，变频以 高于工频的频率供电，保证空调器快速启动，可以使室温快速达到设定值。而当 室内温度与预设温度接近时，变频器自动保持压缩机低速运行以保持恒温。因此， 随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转即可以节能又可保证房间内舒适。因 压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，且压缩机长时间不间断运行，避 免了频繁启动造成的损耗，所以变频式空调具有节能效果，起动电流小对电网无 冲击，对其它电器也无干扰，对电源电压及频率的敏感度也低瞄1 1 。 2 1 。3 变频空调器的结构 变频空调器是通过改变压缩机的电源频率来达到调节压缩机的速度，从而控 制空调器制冷量( 制热量) 。当室内空调负荷加大时，压缩机转速在微电脑控制下 加快，制冷量( 制热量) 也相应增加；当室内空调负荷减小时，压缩机转速在微电 脑控制下则按比例减小。变频空调主要结构部件如下： 1 、交流变频压缩机。交流变频压缩机以感应电动机作为驱动源，从变频器 向电动机的定子侧线圈供应交流电流，产生回转磁场。受该回转磁场感应，在转 子侧线圈产生二次电流，由回转磁场和二次电流产生的电磁力驱动电动机回转。 它把工频市电转换为直流电源，并把它送到功率模块( 功率开关等组合) ；同时模 块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可变的电源( 合成波形近似正弦波) ， 使压缩机电动机的转速随电源频率的变化而作相应的改变，从而控制压缩机的排 量，调节制冷量和制热量。 2 、电子膨胀阀。由微电脑控制，采用步进电动机驱动，可以在整个系统中 非常精确并流畅地控* j j , n 冷剂的流动量，它可以非常精确地控制阀体的开度，并 且开关调节快速、省电、体积较小。在系统中不但可以调节制冷剂的流量，而且 可以实现多种保护，如防冻结保护、制冷防冷凝器温度过高保护、防过载保护、 防压缩机排气温度过高保护等。 3 、蒸发器。空调系统中的蒸发器是制冷剂从系统外吸热的热交换器。在蒸 发器中，制冷剂的液体在较低的温度下沸腾转变为蒸汽，并吸收被冷却物体或介 质的热量。 2 1 4 变频空调的特点 变频空调改善了普通空调的不足，具有如下优点妇刳： 1 2 硕士学位论文 第二章空调工作原理和压缩机变频控制 1 、启动后可快速达到设定温度。变频空调器启动时频率较低压缩机转速较 慢，当压缩机启动后可利用较高的频率使其转速增加，这样使制冷量在增大的 同时缩短了室内温度不舒适的时间。 2 、室内温度变化小且稳定，电功率