（电子科学与技术专业论文）变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现.pdf

a bs t r a c t o w i n gt o m ea d 、，批g e so fh i 曲- e 佑c i e n c y l o wv i b r a t i o nn o i s e ， g o o ds p e e dr e g u l a t i o na n dw i d er a n g eo fs p e e d s ，a d v a n c e d v 2 u r i a b l e 丘e q u e n c yt e c h n i q u eo fa i r - c o n d i t i o n i n gh a sb e e nt a l ( i n g 廿1 ep l a c eo f t r a d i t i o n a lf i x e d能q u e n c yt e c l u l i q u e e n e r j g yc o n s e n ，a t i o n ， e m i s s i o n r e d u c t i o na n dl o wc a r b o nl i f eh a v eb e e na d v 0 c a t e db yn a t l o n s ”1 w e l v e 一 一 - - 一 一 1 f i v e y ，e a r p l a n i no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s 啪p t i o n ，也ew a yt o i m p r o v e 也e 丘e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h r l o l o 影a n dm ea i rc o n d i t i o n 证g s y s t e mp e r f o m 锄c eh 铺b e c o m ea l li m p o r t a mr e s e a r c hd i r e c t i o n i ti so f 四e a ts i2 n i f i c a n c et os t = u d vm ed r i v ec o i n _ t r o ls y s t e mf o ri r n p r o v m g 也e 田e a ts l g n n l c a l l c et 0 咖d yt h ea n v ec o n _ t r o ls y 筑e mi o f1 瑚【p r o v m gm e e n e r g ye m c i e n c ya n dp e r f o n 】a a n c eo f 抽v e r t e r a i r c o n d i t i o n e r ， 舔 c o m p r e s s o r i sm e 也em a i ne n e 唱yc o m p o n e n t so fm v e r t e ra i rc o n d i t i o n e r a td r e s e n t ，也em v e r t e ra i r - c o n d l t l o n m gc o m p r e s s o rl sd n v e nb yu 乙 -11 r 、，。、 b m s h l e s sm o t o r 、v h i c hi sc o m p o s e do f 也ec o m p r e s s o ra n dm o t o r s e n s o r l e s sm t e 擎a t i o no fm em l l yc l o s e ds t n j c t u r e t h es i n u s o i d “ p e m a n e n tm a g n e ts y n c l l r o n o u sm o t o r ( p m s m ) w o f i ( s0 nt 1 1 e s a m e p 血c i p l e s 嬲t h ed cb r u s h l e s sm o t o r ( b l d c ) 1 1 1 es 仃u 弧l r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dm ew o r k i n gp r m c i p l e so fm ec o m p r e s s o ra r ep r e s e n t e d 证m i sp 印e r c o m b i n e dw i mm ew o t i ( i n gp 曲c i p l eo fp e m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ra n ds p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nt e c l u l o l o g y ad r i v e s y s t e mm a ：m e m a t i c a lm o d e lo fc o m p r e s s o ri sb u m e 觚w h i l e ，也e c o m p r e s s o r “v es y s t e mc o n 仃o ls 仃a t e 斟o ff o c ( f i e l d o r i e n t e dc o n 廿0 1 ) i sd e s i g n e d ad e t e c t i n gm e t h o do fp o s i t i o n e s t i m a t i o nb 嬲e do nb a c k e l e c 仃o m o t i v ef o r c e ( e m f ) i sp r o p o s e da c c o r d i n gt om es e n s o r l e s s c o n t r o ls t r a t e g yo fp m s mm “sp 印e r f i r s t ，t i l ed e v i a t i o na n g l eb e 觚e e n t 1 1 ee s t i m a t e dr o t o rp o s i t i o na n dt 1 1 ea c t u a lo n ei sc a l c u l a t e db yu s i n gb a c k e l e c t r o m o t i v ef o r c emt h et w o - p h a s er o t a t i n g 仔a m ea n dm ef e e d f o r w a r d c o n t r 0 1 7 1 1 1 e n ，t h es p e e d 锄dt 1 1 er o t o rp o s i t i o no fs p m s m a r ee s t i m a t e d b yt h ep h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) b e s i d e s ，t h e s t r u c n l r eo fp l li s i m p r o v e dml o w s p e e dt ok e e pm ea c c u r a c yo ft l l e e s t i m a t i o na n d d y n 锄i cp e r f o n n a n c e a ne f r e c t i v e l o w 一丘e q u e n c yc o m p e n s a t i o n m e c h 眦i s mi s p r o p o s e db y觚a l y z i n g t h e c o m p r e s s o r l o a d t o r q u e n c h a r a c t e r i s t i c si l lt 1 1 e1 0 w 一丘。e q u e n c yp h a s ea n dc o m b i n m gw i t l lp o s i t i o n e s t i m a t i o nm e t h o db a s e do ne 1 讧f b a s e do n 1 ew o 越n go fc o m p r e s s o r t 1 1 e e l e c 臼r o m a g n e t i ct o r q u ec o m p o n e n tn e e d st 0 b ec o m p e n s a t e db y j u d g i n g 吐l er e l a t i o n s m pb e t 、7 岭e n m el o a d t o r q u ec h a r a c t e r 龇1 dm e e s t i m a t e ds p e e di i lo r d e rt ok e e pab a l a n c eb e t w e e nm ee l e c 切o m a g n e t i c t o r q u ea i l dl o a dt o r q u ea n ds u p p r e s s 也el o w 一仔e q u e n c yv i b r a t i o n b a s e do nm e 也e o 巧a n a l y s i so fm ec o n 仃o ls 仃a t e g y ，b yu s i n gm e s 耶3 2e x p e r i m e n tp l a t f o m ，t 1 1 ee ) 【p e r i l n e n ti sb u i l ta 1 1 dt 1 1 er e s u l ti s c o m c i d e n tw i mm e o 珂a n a l y s i s ，、h i c hv e r i f i e sm ev a l i d i t ya n d 也e f e a s i b i l i 够o ft 1 1 ec o l l 仃0 1s t r a t e g y b e s i d e s ，i tm e e t st 1 1 er e q u i r e m e n to fa i r c o n d i t i o n e rc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：i n v e r t e r 处rc o n d i t i o n e r ，p m s m ， f i e l do r i e m e d c o n t r o l ，l o wf r e q u e n c yc o 珈【p e n s a t i o n ，s t m 3 2 f10 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 本课题来源于深圳博巨兴实业有限公司与中南大学合作项目。该课题研发一 种1 8 0 0 正弦波变频空调压缩机高效低成本驱动控制系统，实现空调压缩机的高 可靠性起动和控制。 随着我国空调保有量的持续上升，据统计，家用空调的年耗电量为在5 0 0 亿 千瓦时以上，其电耗已占生活用电的1 2 1 5 左右。特别是家用空调用电时间集 中，加剧了高峰用电负载，在城镇夏季用电高峰时期，空调用电量占居民生活用 电量的3 0 。这样既导致全国大部分地区夏季最大用电负荷将会随着气温的变化 变得越来越敏感，又造成用电高峰时期电力供应严重不足。目前，国内市场上不 少空调产品效率不高，功率因数普遍偏低，一般为o 6 o 7 ，无功功率会引起电网 传输损耗。同时空调的谐波污染，会产生很强的电磁干扰，对电网和其他用电设 备的安全运行造成潜在危害i l j 。 变频空调采用先进的变频技术，在节能降耗上优于普通空调，具有较高的功 率因数。据国家信息中心数据显示，变频空调的市场份额从2 0 0 8 年的不足7 ， 快速上升到2 0 0 9 年的1 7 以上，并继续呈现快速增长的态势。变频空调的概念是 相对于工作在2 2 0 v 、5 0 h z 条件下的定频空调而产生的。与依靠不断地“开、停 室外压缩机来调整室温的定频空调相比，变频空调的优势在于可以利用变频技术 改变压缩机供电电源的频率，也就可以通过改变压缩机的运行频率达到控制室温 的目的。当达到所设定温度时，压缩机就进入低速运行模式，这样既可使室温波 动小、耗电量低，又避免频繁的起动，延长压缩机的寿命1 2 li 引。同时变频空调还 能根据压缩机的工作频率改变风机的转速，能实现低噪声的运行。在国家节能环 保要求日益提高的今天，变频空调凭借其在节能、降噪、舒适等方面的优势，已开 始在社会生活中扮演越来越重要的角色。 值得注意的是，虽然中国家用空调器的生产销售占世界份额的9 5 ，但与日 本、美国等发达国家相比，变频空调的占有量还相去甚远。就日本来说，由于资 源匮乏，再加上节能观念强，目前日本市场上销售的均是变频空调，定频空调在 两年前已经被淘汰。从空调市场的发展来看，变频空调在国内的全面普及还需很 长一段时间，造成这种局面主要有两个方面的原因1 4 l 。一方面，变频空调需要变 频压缩机，而高性能的变频压缩机的生产供应商约9 0 来自韩、日、美等国家， 国内很少。据了解，格力、美的、格兰仕、海信等国内知名空调厂商所用的压缩 机基本是进口，只有美的公司可以生产此类高性能的美芝( 美的与东芝合资) 压 中南大学硕士学位论文第一章绪论 缩机，但是生产能力还有限。另一重要原因是变频空调控制器在国内还没能在产 业化上形成突破，其中拥有自主知识产权的压缩机驱动控制算法很少，格力控制 方案采用i r ( 英格索兰公司) 方案，美的采用有t i ( 德州仪器公司) 方案、海 信采用n e c ( 日本电气株式会社) 方案以及格兰仕采用东芝方案等，这些方案 都是目前市场上较为先进的变频控制技术。大量的驱动控制芯片都需要从日本、 美国或是欧洲国家进口，因此制约着变频空调在国内的大量生产和使用。 正如同其他的家电产品一样，中国是空调制造大国，但不是强国。要想将中 国的变频空调事业做强，必须真正解决好压缩机驱动控制的核心技术问题。 家用空调压缩机驱动系统经历了定速驱动、直流电机变速系统和交流感应电 机变频驱动，发展到直流无刷电机交频( 空调行业俗称“直流变频 ) 驱动。直流 变频空调的核心部件是直流无刷电机与压缩机一体化的装置。因此，研究开发高 性能低成本的直流无刷电机控制系统将具有重大的意义。 目前，1 8 0 0 直流变频空调压缩机控制大都采用磁场定向矢量控制( f o c ) ， 其思想是通过电机磁场定向将定子电流分别分解为激磁分量和转矩分量，分别加 以控制，从而获得良好的解耦特性，实现类似直流电机的调速控制。直流变频空 调压缩机采用电机和压缩机一体化密封结构，无法安装位置或速度传感器1 2 l 【蜘。 无位置传感器f o c 采用速度和位置观测器技术可以克服无传感器的限制。在压 缩机中、高速稳定运行时转子位置观测值准确度较高，控制性能较好，基本可以 满足实际运行要求。但在低速或者起动过程中，由于定子电流的动态分量、压缩 机的噪音、压缩机与制冷介质盘管系统之间的机械谐振等问题使转子位置观测值 误差很大，使压缩机起动失败和低速性能不好。目前，变频空调市场销售的产品 多数是1 2 0 0 方波控制，1 8 0 0 直流变频空调压缩机f o c 驱动控制系统还不成熟。 因此，如何使1 8 0 0 直流变频空调压缩机高可靠性起动和稳定运行以及简化控制 系统，是亟待解决的关键技术。 本项目研发了一种1 8 0 0 正弦波变频空调压缩机高效低成本驱动控制系统， 实现空调压缩机的高可靠性起动和控制，克服了f o c 算法的不足，提高空调运 行功率因数，对于节能降耗具有重要的意义和实际应用价值。 1 2 变频空调压缩机 1 2 1 空调系统的发展概况 空调从诞生发展到今天，从简单的空调扇到传统的制冷空调，再到今天节能 化、智能化的超空调时代，已经经历了百余年的历程。1 9 0 2 年，美国人威利斯开 利设计了第一个空调系统，1 9 0 6 年他以“空气处理装置 为名申请了美国专 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 利。家用空调的研制始于2 0 世纪2 0 年代中期，1 9 2 8 年开利公司推出了第一代 家用空调，但因经济大萧条和二次大战，空调一直没能得到广泛的应用i 蜘。 2 0 世纪8 0 年代初期，变频空调技术在日本开始运用。1 9 8 2 年，日本生产了 第一台交流变频空调。1 9 9 8 年，变频空调技术取得了重大突破，日本研制出了 直流变频技术，直流变频空调性能比交流变频空调更加优异。从这以后，直流变 频空调迅速成为现代空调的主流，目前直流变频空调已在日本和欧美家用空调市 场占9 0 以上。 在我国，继海尔在1 9 9 8 年率先推出国内首台直流变频空调以后，国内生产 变频空调的厂家也迅速增加，中国变频空调市场尤其是直流变频空调市场开始有 了突飞猛进的发展。如今，变频空调的发展经历了从引进技术到自主创新、再到 国际领先的跨越式发展。 变频空调有以下两种分类方法，分别是电机驱动类型划分以及运行模式划 分。 从电机驱动类型划分，根据压缩机是采用交流电机还是直流电机，可将变频 空调分为交流变频空调和直流变频空调瞪l 。 ( 1 ) 交流变频空调 在2 0 世纪9 0 年代大部分时间里，当时全球的变频空调全部都采用交流变频， 这种空调基本能体现变频空调的各种优点，而且可靠性好，但是也存在着节能效 果不明显，噪声和振动大等问题。加之压缩机工作频率变化范围不大，造成制冷 ( 制热) 可控范围不大。 ( 2 ) 直流变频空调 与交流变频空调相比，直流变频空调采用直流变频压缩机和直流风扇电机， 由于直流调速只经过一次电压转换，而且，由于这种直流电机的转子是永磁的， 又省却了三相交流异步电机的转子电流消耗，因此，直流变频空调节能效更高， 噪声和振动更低，调速性能好，转速范围更宽，同时还没有交流变频的电磁干扰。 从运行模式划分，根据控制电机的个数，变频空调分为传统单模变频空调和 双模变频空调。 ( 1 ) 单模变频空调 单模变频空调，也就是按传统变频方式工作的变频空调，其基本特征是空调 起动后压缩机在最初较长时间以最大转速工作制造最大冷( 热) 量，等房间温度 达到预设目标后，压缩机转速逐步减缓，制造一定冷( 热) 量维持室温基本不变。 从节能的角度来看，单模变频空调有一个与生俱来的缺陷：开机后直到房间到达 设定温度的这段时间内，耗电量很高，节能水平偏低。这是因为单模变频空调开 机后，压缩机只能以高频率运转，运转频率通常在1 0 0 赫兹以上。在高频运转状 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 态下，能效水平常常比定速空调还低。 ( 2 ) 双模变频空调： 双模变频空调，是指具有两种不同运行模式的变频空调。它具有传统单模变 频空调的所有优点，同时又克服了单模变频空调开机初期耗电偏高问题。在兼顾 节能和舒适的基础上，达到比同规格同能效比的单模直流变频空调省电2 0 以上 的目标。 1 2 2 变频空调系统的组成与制冷制热工作原理 蒸气压缩式制冷、蒸气喷射式制冷、吸收式制冷和热电式制冷是常见的几种 制冷方式。本文的研究对象为房间空调器，一般采用蒸气压缩式制冷技术。蒸气 压缩式制冷是利用低沸点的液态工质( 如氟利昂等制冷剂) 沸腾汽化时，从制冷 空间介质中吸热来实现制冷的。这种制冷方法利用制冷荆的液一气集态变化过 程，实现定温吸热和放热，达到空调器制冷制热的目的。 蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置和四通阀是蒸气压缩式制冷系统的五个 必不可少的基本部件1 2 l ，如图1 1 所示。 图1 - l 蒸气压缩式制冷系统框图 制冷剂( 氟利昂) 在压缩机中被压缩成高温、高压的过热蒸气( 其压力约为 1 9 m p a ) ，并进入冷凝器中冷却，经过冷却，制冷剂的温度、状态都会发生变化： 高温、高压的过热蒸气冷凝为高压中温的液体。这种冷凝后的制冷剂液体进入毛 细管中节流减压，为在蒸发器中进行蒸发汽化创造条件。在蒸发器中液态的制冷 剂全部汽化为低压的气体，同时从外界吸热，这样蒸发器温度必低于环境温度， 即成为冷凝器。蒸发器中的制冷剂先是气、液共存，后变为饱和蒸气，最后变为 低压过热的蒸气，其压力约为0 5 a 。在被吸回压缩机的过程中，吸气管内的 制冷剂蒸气仍然从外界吸收热量，继续进行过热过程，因此压缩机的吸气管也是 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 低于环境温度的，而压缩机的排气管相反，因为排气管内是高温、高压的制冷剂 过热蒸气，其外表温度比环境温度高。冷凝器的热量是由室外排风风扇( 轴流风 扇) 向室外吹出热风，蒸发器的冷量由室内送风风扇( 多叶低噪声的离心风扇或 贯流风扇) 向室内吹送冷风。在上述的制冷循环中可分为高压和低压两个区域： 从压缩机排气口至毛细管入口处为高压区，从毛细管出口至压缩机的吸气口为低 压区。 综上所述，空调器的制冷工作原理为：制冷剂不断经历蒸发( 沸腾汽化) 一 压缩( 升压升温) 一冷凝( 液化) 节流( 降压降温) 一再蒸发的循环( 称为蒸 气压缩制冷循环) 。如图1 1 所示，空调器的制热工作原理区别在于利用四通阀 的开关动作，改变制冷剂的流向，冷凝器转变为蒸发器，蒸发器转变为冷凝器。 蒸气压缩式制冷系统各部分主要作用分别如下： ( 1 ) 蒸发器：蒸发器由一组或几组盘管组成。低温液态制冷剂进入蒸发器盘 管流动时，通过管壁吸收盘管周围介质( 空气或水) 的热量沸腾汽化( 工程上常 称为蒸发) ，使盘管周围的介质温度降低或保持一定的低温状态，从而达到制冷 的目的。蒸发器是让低温液态制冷剂和需要制冷的介质交换热量的换热器。 ( 2 ) 冷凝器：与蒸发器的作用相反。为了让制冷剂能被反复使用，需将从蒸 发器流出的制冷剂蒸气冷凝还原为液态，冷凝器就是让气态制冷剂向环境介质放 热冷凝液化的换热器。 ( 3 ) 压缩机：用空气或常温的水来使制冷剂蒸气冷凝，冷凝温度就高于蒸发 温度，对应的冷凝压力也就要求高于蒸发压力。压缩机的作用就是将从蒸发器流 出的低压制冷剂蒸气压缩，使蒸气的压力提高到与冷凝温度对应的冷凝压力，从 而保证制冷剂蒸气能在常温下被冷凝液化。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，温度也 升高了。相对于蒸发器，冷凝器中的制冷剂处于高温高压状态。一般压缩机是由 电动机带动来压缩蒸气作功的，因此，压缩机的作用实质上是消耗外功，迫使制 冷剂将从制冷空间( 低温热源) 吸收的热量排放给环境( 相对制冷空间为高温热 源) 。 ( 4 ) 节流装置：冷凝器冷凝得到的液态制冷剂的温度和压力为冷凝温度和冷 凝压力，要高于蒸发温度和蒸发压力，在进入蒸发器前需使它降压降温。为此， 让冷凝液先流经节流阀或毛细管绝热节流，将压力和温度降至需要的蒸发压力和 蒸发温度后再进入蒸发器蒸发制冷。液态制冷剂在节流过程中，因吸收磨擦热将 有少量汽化为蒸气( 称为闪发气体) ，因此，节流装置出口的制冷剂是干度很低 的低温低压湿蒸气。 ( 5 ) 四通阀： 四通阀在制冷循环( 处于断电状态) 的工作方式，如图1 2 所示。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 2 四通阀在制冷循环下的工作原理 当四通阀的电磁线圈处于断电状态( 即制冷状态) ，先导滑阀( ) 在压缩 弹簧( ) 驱动下左移，高压气态制冷剂进入毛细管( ) 后进入右活塞腔( ) 。 另一方面，左活塞腔( ) 的低温液态制冷剂由于和s 管相通，受压缩机抽吸而 排出；使活塞两端产生压力差，活塞及主滑阀( ) 左移，使e 、s 接管相通，d 、 c 接管相通，于是形成制冷循环。 四通阀在制热循环( 处于通电状态) 的工作方式，如图卜3 所示： 图1 3 四通阀在制热循环下的工作原理 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 当四通阀的电磁线圈处于通电状态( 即制热状态) ，先导滑阀( ) 在电磁 线圈产生的磁力作用下，克服压缩弹簧( ) 的弹力而右移，高压气态制冷剂进 入毛细管( ) 后进入左活塞腔( ) 。另一方面，右活塞腔( ) 的低温液态 制冷剂由于和s 管相通，受压缩机抽吸而排出；使活塞两端产生压力差，活塞及 主滑阀( ) 右移，使c 、s 接管相通，d 、e 接管相通，于是形成制热循环，如图 1 3 所示。 1 3 空调变频技术的研究现状 从本质上讲，空调的变频技术就是对空调压缩机的驱动控制，满足压缩机负 载变化要求的永磁同步电机驱动方式或者直流无刷电机驱动方式都可以应用于 空调压缩机的驱动控制。由于压缩机的驱动控制直接面向空调产品，产品研究主 要以专利的形式公开或者作为企业内部保密技术不公开，所以直接针对空调压缩 机驱动控制的专门文献公开相对较少，参考文献主要来源是无位置传感器直流无 刷电机或无位置传感器永磁同步电机方面的研究。目前，国内外很多学者都从事 过或正在从事有关直流无刷电机和永磁同步电机的驱动控制研究，主要集中在驱 动控制方式与位置检测技术两个方面。 ( 1 ) 驱动控制方式 a 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t 削1 嬲h i 提出直接 转矩控制( d c tt o r q u ec o n n 0 l ，d t c ) i 倒。澳大利亚的lz h o n g ，mf r a b m 锄 和胡育文教授合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制方案奠定了直接转 矩控制应用于永磁同步电机的理论基础1 7 1 。 直流无刷电机的直接转矩控制驱动国内外学者研究较多，方法也比较成熟， 如：文献 8 1 3 论述了直流无刷电机方波驱动控制系统，文献 1 4 进行了位置信 号分析，并对位置误差的形成进行了详细讨论，也有不少文献采用直接转矩控制 方式驱动无位置传感永磁同步电机，如文献 1 5 1 8 介绍。 b 矢量控制 矢量控制理论是1 9 6 8 年d 姗s t a d e r 大学的h 硒博士在一个学会论文杂志 上首先提出。1 9 7 1 年德国西门子公司的f b l 嬲c h k e 将该理论进行了系统化，并 将其以专利的形式发表，奠定了矢量控制的理论基础l ”l 。矢量控制在直流无刷电 机反映为方波驱动技术。定频空调的控制方案多数是采用方波驱动的。而永磁同 步电机的正弦波驱动技术是近几年兴起的新技术，因此仿真研究较多，实现研究 较少。上海大学孙承波提出了一种p m s m 压缩机驱动的离散位置检测方法和连 续位置检测方法，并实现了压缩机的方波驱动和正弦波驱动1 2 伽；清华大学张猛实 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 现了基于模型参考自适应位置检测的空调压缩机实验研究【2 1 1 。 ( 2 ) 位置检测 近十多年来，无位置传感器技术己成为电机控制领域的研究热点之一。1 9 8 9 年，自从j h o n e s l a 发明了电机无位置传感器技术以来，国内外学者进行了深入 研究，特别是数字信号处理器的出现，为无位置传感器控制算法的实现提供了保 障。 a 基于磁链与反电动势的位置估计方法 d e 幽a i l 提出一种反电势积分法，该方法对开关的的噪声不敏感，且可以 自动调节逆变器的开关时刻以适应转子速度的变化，较过零检测法有明显的改进 1 2 2 l ；m m 函c 0 m 锄e s c u 提出了利用p m s m 基本电磁关系估算转速和位置，这种方 法计算简单，然而它对电机参数特别敏感且估计精度低团l ； b 基于状态观测器方法 目前使用的状态观测器主要有：卡尔曼滤波观测器、扩展卡尔曼滤波观测器、 龙伯格观测器、滑模观测器等。p a p o n p e l l kk 0 n g 妇u n 等提出了一种基于观测 器的永磁同步电机转子位置和速度的估计算法，该方法在位置估计方法具有一定 的新颖性，但是它的计算量相当大、参数多、模型复杂幽j ；文献 2 5 提出了2 个扩展卡尔曼滤波器分别作为状态滤波器和参数滤波器，在同时运行时估计系统 状态和电机参数，该方法对观测器参数变化具有鲁棒性，但是结构复杂。 c 高频信号注入法 文献 2 6 提出了高频注入方法，通过给永磁同步电机注入固定频率的高频电 压信号，检测相应的电流来获取转子位置和转速。不足在于高频信号注入会带来 高频噪声问题，需要特殊电路，具有一定的局限性。 1 4 论文的主要研究内容 本论文在研究变频技术和矢量控制技术的基础上，深入地研究了f o c 技术 和s v 】? w m 技术，阐述了f o c 技术在变频空调控制系统的基本思路。文中对所 提的算法进行了仿真与实验分析，在以s t m 3 2 f 1 0 3 c t r 6 为主控制器的变频空调 实验平台上，通过观测和分析实验结果，证明了f o c 技术在变频空调控制中的 正确性和可行性。文章的基本结构安排如下： 第1 章首先综述了变频空调控制系统的研究背景、发展历程和研究现状，并 对空调系统及制冷制热的工作原理进行了简介，最后对论文的研究内容和结构安 排进行说明。 第2 章首先介绍空调压缩机的工作方式，通过永磁同步电机的数学模型分析 空调压缩机的物理模型，然后论述了矢量控制的基本原理和控制方法，阐述 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 p m s m 矢量控制策略以及w v f 控制策略的原理，最后简要地介绍了电压空间 矢量调制的原理。 第3 章主要介绍表贴式永磁同步电机f o c 方法，从控制原理和控制方法两 个方面进行了详细地介绍，紧接着介绍基于反电动势的表贴式永磁同步电机无位 置传感器的控制策略，提出低频转矩的补偿方法。 第4 章从硬件设计和软件设计两个方面描述了空调实验平台的建立。 第5 章给出了f o c 方案在变频空调中运用的实验结果，并对结果进行了分 析。 第6 章是总结与展望。总结本文所做的主要工作，并对指出不足之处，展望 了f o c 方案的发展方向。 9 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机控制原理 第二章永磁同步电机控制原理 2 1压缩机的结构特点与工作方式 按工作原理分类，压缩机有容积型和速度型两大类。容积型压缩机是通过改 变工作腔的容积来完成吸气到压缩再到排气的循环工作过程。速度型压缩机则是 通过吸入气体方式获得一定的高速气流，再在压缩机内使其气流缓慢，将气体的 部分动量转化为压力形成高压气体即气体压力的增长是由气体的速度转化而来， 而后排气。速度型压缩机的压缩过程是连续进行的，其流动是稳定的，在制冷空 调中应用的速度型压缩机几乎都是离心式压缩机1 4 j 。 根据结构特点的不同，容积式压缩机可分为活塞式( 又称往复式) 和回转式。 往复活塞式压缩机是活塞在气缸内作往复运动；回转式压缩机是转子在气缸内作 旋转运动，主要有旋转式( 又称滚动转子式或刮片式) 、滑片式、螺杆式、涡转 式等。 按构造的不同，压缩机又可分为开启式、半封闭式和全封闭式。开启式的压 缩机和电动机是分开的两个设备，为防止制冷剂泄漏和空气渗入，在压缩机轴穿 出机体处设有轴封；半封闭式压缩机将其曲轴箱和电动机外壳共同构成一个密闭 空间，可取消轴封；全封闭式压缩机，则是将压缩机和电动机全部密闭在同一个 钢壳内。 房间空调器用的制冷压缩机为全封闭式。压缩机为柱式，有管道与制冷系统 相连接，在吸气管路上有一筒形的气液分离器( 储液器) 。目前广泛使用的旋转 式压缩机和涡旋式全封闭压缩机。 ( 1 ) 旋转式压缩机 近年来，全封闭旋转式压缩机日趋成熟，己广泛应用于窗式和分体壁挂空调 器中，并且在小容量范围( o 3 o 5 k w ) 内有取代往复式压缩机的趋势。 1 结构 旋转式压缩机结构的主要特点是用偏心转子起活塞作用，对制冷剂气体进行 压缩。旋转式制冷压缩机内部结构如图2 1 所示。它主要由电机、轴承、气缸体、 转子、主轴、排气阀、吸气管、活动刮板、机座、机壳、油分离器等组成。转子 的主轴与气缸轴共线，在主轴上装有偏心轮，偏心轮上装有优质钢制成的薄壁弹 性套筒转子( 为圆柱形，又称环形转子) 。转子一侧总是与气缸壁紧密接触，因 而转子外表面与气缸内壁之间形成一个月牙形工作腔，安装在气缸体上的活动刮 板在弹簧力的作用下，使其一端始终保持与转子相接触，将月牙形工作腔分成a 、 b 两个互不相通的空间，a 、b 腔分别为吸气室和压缩排气室。在圆柱形气缸壁上 l o 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理 部开有进、排气口，不设进气阀，但为防止高压蒸气倒流，在排气口外侧装有排 气阀。气缸体整个浸在冷冻油中，防震、润滑良好。 ( a ) l - 杆2 玻璃接头3 - 排气管4 绕组5 曲轴6 - 上壳 7 - 下壳8 定子9 一转子l o 消音器l l - 上轴承架1 2 - 气缸1 3 - 下轴承1 4 - 固定脚1 5 - 排气阀1 6 贮液器 1 7 - 过滤器1 8 - 吸气口1 9 - 导线2 0 - 滚动活塞2 l - 气缸 6 2 2 叶片2 3 弹簧 ( c ) 5 1 排气管2 气缸体3 滚动转子4 主轴5 冷冻油6 吸气管7 - 弹簧、活动刮片组件8 机壳9 - 排气阀l m 高压制冷剂气体 ( b ) 图2 1 旋转式压缩机的内部结构图 2 工作原理 滚动转子式压缩机工作时，主轴带动偏心轴转动，套在偏心轴上的转子随着 一起转动其工作原理如图2 2 所示。在图a 中，a 腔通过吸气管与吸气腔相通， a 腔充满制冷剂气体。当转子转到图b 位置时，a 腔容积缩小，气体被压缩而压 力升高。同时新出现的b 腔与吸气管相通，制冷剂气体进入b 腔。转子转到图c 位置时，a 腔进一步缩小，气体压力继续升高。而b 腔容积进一步增大，继续 吸气。当a 腔气体压力超过排气腔压力时，排气阀开启，高压气体被输往制冷系 统管道。转子转到图d 位置时，a 腔容积继续缩小，排气过程接近完成，而b 腔继续增大，仍在吸气。当转子与气缸切点到达排气口处时，排气过程结束。再 继续回转，则a 、b 两容积被排气口沟通，存在于排气口与活动刮片区间气体将 膨胀，并流向吸气腔b 空间，压力下降至接近吸气压力。由此可见，旋转式压 缩机的吸气、压缩、排气、膨胀过程是在偏心转子回转3 6 0 。内完成，在刮板两 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理 侧容积的工作过程相差3 6 0 。因此，气流的流动速度较为缓慢，压力损失较小。 此外，吸气口不设吸气阀，减小了吸气压力损失，这些都有利于提高容积效率。 一一 1 吸气管2 弹簧3 活动刮板 4 排气阀5 气缸体6 滚动转 子7 曲轴8 主轴 l c j i d j 图2 2 旋转式压缩机的工作过程 空调压缩机的核心部件为内核电机，根据交流变频和直流变频的变频技术可 以将内核电机分为交流异步电机和直流无刷电机两类，而交流变频技术已经基本 退出变频市场，因此目前绝大多数的空调压缩机都是直流无刷电机。 直流无刷电机是一种新型的无机械换向的直流电机，具有优良的调速性能。 一般直流无刷电机由电机本体，功率开关电路和转子位置检测三部分组成，又名 自控式同步电机惭】。直流无刷电机的转子永磁体产生的气隙磁场有方波磁场和正 弦波磁场两种，故三相绕组的反电动势分别方波和正弦波。习惯上将产生方波电 动势的电动机称为直流无刷电机( b n 塔1 1 1 e s sd cm o t o 卜- b l d c m ) ，而将产生正 弦波电动势的的电动机称为永磁同步电机( p e n n 龇mm 删s ) ，n c l d n o 憾 m o t o 卜- p m s m ) 。目前，在空调产品中，定频空调基本采用1 2 0 度方波控制，其 主要原因是压缩机是直流无刷电机结构，而绝大多数的变频空调压缩机是采用永 磁同步电机结构，且本文的研究内容为1 8 0 度正弦波方案控制变频空调压缩机， 故将永磁同步电机作为压缩机的简化对象来分析。本章将主要从矢量控制理论来 介绍永磁同步电机的相关控制技术。 2 2 永磁同步电机的结构特点 三相永磁同步电机是一种永励电机。它具有以下特点： ( 1 ) 永磁同步电机可以用一个与电源频率同步的恒定速度进行旋转，而不 受负载和线路电压的影响。电机运行可以保持恒定的，与定子电流频率同步的速 度，只要转矩不超过电机的极限运行频率。 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机控制原理 刀：坐( ，i i l i n )( 2 1 ) 其中刀表示同步转速，厂为定子电流频率，力。是永磁同步电动机的极对数。由该 式可以看出，只需要改变定子的电流频率就能改变电动机转速。 ( 2 ) 永磁同步电机能够以较高的功率因数运行，因此能提高整个系统的功 率因数，进而能减少或消除功率因数的损失。功率因数的提高还可以减少系统及 电机终端的压降差。 ( 3 ) 永磁同步电机舍弃了励磁线圈，而且转子的转速与定子磁场的转速相 同。这种设计可以消除转子铜损，与传统的感应电机相比可以产生极高的效率峰 值。永磁同步电机的功率重量比也高于感应电机。 永磁同步电机能产生非常高的功率密度、非常高的效率和极好的响应，所以 能适应机械工程领域中最复杂的应用。另外它还具有很强的过载能力。永磁同步 电机基本上不需要维护，因此可以确保最高效的运行。 永磁同步电机根据转子的结构可以分为表面贴式和内嵌式两种，如图2 3 所 不o d q a 表贴式b 内埋式 q 图2 3 永磁同步电机构造图 表贴式永磁同步电机的交轴与直轴电感的参数基本一致，磁路结构简单，径 向等效气隙基本相同；而内嵌式永磁同步电机的直轴电感小于交轴电感，适用于 弱磁控制，具有扩展调速范围能力。 2 3 永磁同步电机数学模型 在建立永磁同步电机的数学模型过程中做以下基本假设： ( 1 ) 转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势 也为正弦波； 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理 ( 2 ) 忽略定子铁心饱和，认为磁路线性，电感参数不变； ( 3 ) 不计铁心涡流与磁滞等损耗； ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组。 2 3 1不同坐标系下的电压方程与磁链方程 图2 - 4 同步电机的坐标矢量图 永磁同步电机的矢量坐标系如图2 4 所示。三相永磁同步电机在a b c 三相静 止坐标下的电压方程，如式( 2 2 ) 所示： “。= 疋 = 墨 c = r s ；td v o k 十百 ；td v b 1 6 十i 一丝 出 ( 2 - 2 ) 式中，虬、虬为p m s m 的三相定子电压：屯、分别为三相定子电流：墨 为单相定子绕组的电阻；虬、虬为三相定子磁链，而三相定子的磁链方程 为删： 虬= k - i 口+ 心毛+ 帆。+ 所c o s 口i = 屯+ k + k - + j 吵厂c o s ( 乡一1 2 0 。) ( 2 3 ) 眈= 毛i 口+ 气毛+ k 。+ 吩c o s ( 臼+ 1 2 0 。) j 式中，缈，为转子永磁体产生的与定子绕组交链的磁链；三相定子绕组的自感系 数为k 、厶pk ：蚝、虬、蚝、蚝、也和坂分别为三相定子绕组之 间的互感系数，秒为转子位置角。 根据以上公式可以得到三相永磁同步电机的等效电路图模型，如图2 5 所示。 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机控制原理 图2 5p m s m 等效电路图 根据坐标变换原理及图2 - 4 可以知道，三相定子电流的c l 酞e 变换的矩阵方 程式和p 酞变换的矩阵方程式为： c l 酬k e 变换的矩阵公式 厂乞 3 引2 互 1一三一三 22 o 鱼一鱼 22 1 11 222 c l 酞e 反变换的矩阵方程如下： 匿卜 1一三一三 22 o 笪一笪 22 111 222 豳 嘲 乞，如和毛、存在如下的数学关系： = c o s 乡一珏s i l l 秒 = 屯s i i l p + c o s 乡 转换成矩阵运算式为： r 屯r c o s 乡 吲2 【s m p劣斛嘲 式中，坐标系p 酞变换的变换矩阵为： 反变换的矩阵运算式为： 1 5 一s i l l 乡 l c o s 矽j ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 秒秒曼 c s l = hg 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机控制原理 、 ；： ：c 1 2 ，：， i ： c 2 - 9 ， 式中反p a r k 变换阵为： - | 篇黝 p 埘 2 ，。l s i n p c o s pi q 。1 从c l 破e 变换式和p 破变换式关系可以得到三相静止坐标系到两相旋转坐 标系的蛮换矩阵如下： 厅 c - 孝 c o s 秒 一s i i l p 1 压 c o s ( p 一1 2 0 。) 一s m ( p 一1 2 0 。) 1 压 c o s ( 秒+ 1 2 0 。) s i n ( 秒+ 1 2 0 。) 1 压 ( 2 - 1 1 ) 采用综合矢量变换法的原理，从三相静止坐标系a b c 到两相旋转坐标系 么g 的各个物理量的坐标变换如下式所利3 5 1 ； 昏 c 0 s 9 c 。s ( p 一詈万) c 。s ( 口+ 詈万) 一s i i l p s i z l ( 口一；万) 一s i n ( 秒+ 詈万) l1 1 22 2 ( 2 - 1 2 ) 永磁同步电机的在么9 坐标系下定子磁链方程可由式( 2 3 ) 、式( 2 1 1 ) 和式 荔 = c 荔 = c 基瓮篷 差 + 纷 | | i 垂：i ) c 2 - t 3 ， 盼醐纠 式中，厶和厶分别为直轴电抗和交轴电抗。 而定子三相电压在同步旋转坐标系么9 下的方程式为闭： 州埘三了捌 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机控制原理 式中，p 表示微分算子p = 丢，永磁同步电机的电角速度q = 。q ( 为电机 极对数，q 为电机机械角速度) 。 由式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 计算得到： = r 屯+ 厶p 一致厶。毛 ( 2 - 1 6 ) “g = r + 厶p i g + 吐厶+ 吐l 吩