本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)速度波動(dòng)補(bǔ)償方法，核心是設(shè)計(jì)一種新穎的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器型諧振鎖相環(huán)(eso-rpll)實(shí)現(xiàn)位置和轉(zhuǎn)速的高精度跟蹤。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)(pmsm)因其高效率、寬調(diào)速范圍和高功率密度，在家電、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。壓縮機(jī)是冰箱、空調(diào)等制冷系統(tǒng)中最為核心的部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。目前，制冷壓縮機(jī)主要有定頻壓縮機(jī)和變頻壓縮機(jī)兩種類型，定頻壓縮機(jī)通過控制內(nèi)部電機(jī)的開啟或停止來控制制冷劑的排出，進(jìn)而調(diào)節(jié)制冷溫度；變頻壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)，通過溫差信號(hào)改變其內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變排出的制冷劑量。常規(guī)壓縮機(jī)用異步電機(jī)常常處于定頻運(yùn)行，沒有調(diào)速功能，因此無法高速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)快速制冷，也無法低速運(yùn)行節(jié)能。另外，異步電機(jī)在功率密度、效率、動(dòng)態(tài)特性等性能指標(biāo)上均低于永磁同步電機(jī)。因此，在壓縮機(jī)應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)逐漸取代異步電機(jī)。

2、由于壓縮機(jī)內(nèi)部的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，不同凸極處的負(fù)載不同，呈現(xiàn)顯著的負(fù)載非線性特點(diǎn)。因此壓縮機(jī)在吸氣、壓縮氣體、排氣等工作過程中會(huì)不斷產(chǎn)生周期性轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)、低速運(yùn)行不平穩(wěn)、易失控等問題。針對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行過程中的周期性速度波動(dòng)問題，主要從抑制周期性負(fù)載轉(zhuǎn)速波動(dòng)和對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)補(bǔ)償兩方面解決。文獻(xiàn)《mitigating?the?torque?ripple?in?electric?traction?usingproportional?integral?resonant?controller》(h.chuan,s.m.fazeli,z.wu,et?al.ieeetransactions?on?vehicular?technology,2020,10820-10831)在速度環(huán)回路中引入諧振控制和pi控制器(pir)，通過實(shí)時(shí)補(bǔ)償周期性負(fù)載電流，從而減小速度脈動(dòng)。同樣，文獻(xiàn)《development?of?a?speed?ripple?reduction?algorithm?for?an?oil?coolercompressor》(gwang-hyun?shin,jae?suk?lee?and?seon-hwan?hwang.ieee?3rdinternational?future?energy?electronics?conference?and?ecce?asia,2017,2145-2147)中提出一種實(shí)時(shí)速度脈動(dòng)抑制算法，使用比例諧振(pr)控制器檢測(cè)和補(bǔ)償速度脈動(dòng)中的諧波分量。仿真結(jié)果表明，該方法對(duì)速度脈動(dòng)有一定的抑制效果，但同時(shí)增大了電流脈動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)《low-speed?ladrc?for?permanent?magnet?synchronousmotor?with?high-pass?speed?compensator》(q.xu,s.fang,p.wan,y.wang?andd.huang.ieee?journal?of?emerging?and?selected?topics?in?power?electronics,2023,6016-6027)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的速度環(huán)線性自抗擾控制器(ladrc)，通過在擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)中加入誤差比例反饋項(xiàng)，增強(qiáng)系統(tǒng)觀測(cè)負(fù)載擾動(dòng)的能力，在狀態(tài)誤差反饋處(sef)采用高通濾波器(hpf)作為速度補(bǔ)償器，減小由帶寬增加引起的高頻擾動(dòng)分量。該方法能夠有效減小低速運(yùn)行時(shí)周期性擾動(dòng)引起的速度脈動(dòng)。文獻(xiàn)《sensorless?controlbased?on?the?uncertainty?and?disturbance?estimator?for?ipmsms?with?periodicloads》(z.hao,y.tian,y.yang,et?al.ieee?transactions?on?industrial?electronics,2023,5085-5093)提出基于不確定和干擾估計(jì)器(ude)的速度控制方法，以抑制周期性負(fù)載引起的速度波動(dòng)。以上方法對(duì)壓縮機(jī)在周期性負(fù)載下的速度波動(dòng)有一定改善，但實(shí)際上沒有解決非線性周期性負(fù)載下鎖相環(huán)跟蹤不上快速變化速度的問題，導(dǎo)致位置跟蹤滯后，進(jìn)一步加劇電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，要實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)抑制，不僅需要對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，同時(shí)也要提高鎖相環(huán)在諧振點(diǎn)的增益，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)速跟蹤性能，減小位置跟蹤滯后。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)速度波動(dòng)補(bǔ)償方法，結(jié)合擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和諧振控制器，解決了非線性周期性負(fù)載下傳統(tǒng)控制方法電機(jī)速度波動(dòng)大、電流不穩(wěn)定等問題，也提高了電機(jī)運(yùn)行效率，使壓縮機(jī)能夠在更低速情況下運(yùn)行。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

3、一種壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)速度波動(dòng)補(bǔ)償方法，包括以下步驟：

4、1)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器型鎖相環(huán)位置器設(shè)計(jì)

5、1.1)選取系統(tǒng)角加速度作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中的擴(kuò)張狀態(tài)變量。電機(jī)電角度、轉(zhuǎn)速、角加速度三者之間均為導(dǎo)數(shù)關(guān)系：

6、

7、式中，θe為電機(jī)電角度，ωe為電角速度，ae為角加速度，d為角加速度的導(dǎo)數(shù)；

8、1.2)令電機(jī)角度誤差為反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器估計(jì)得到的電機(jī)電角度，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如式所示：

9、

10、式中，為系統(tǒng)狀態(tài)變量的觀測(cè)值，即經(jīng)過鎖相環(huán)得到的電機(jī)電角度和電角速度的估計(jì)值，為系統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)變量的觀測(cè)值，即電機(jī)電角加速度的估計(jì)值，β1、β2、β3為待確定的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器增益，β1、β2、β3＞0；

11、其開環(huán)傳遞函數(shù)為：

12、

13、2)諧振控制器增強(qiáng)角度跟蹤性能

14、為實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性負(fù)載下，鎖相環(huán)的速度和位置跟蹤精度，使用諧振控制器提取角度波動(dòng)誤差諧波成分，并對(duì)鎖相環(huán)輸出角度進(jìn)行補(bǔ)償，減小位置跟蹤誤差；

15、3)eso-rpll鎖相環(huán)參數(shù)整定

16、由于諧振控制器的特點(diǎn)：只在諧振頻率處對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤，諧振控制器的加入對(duì)鎖相環(huán)其他頻率點(diǎn)處的跟蹤特性沒有影響，為使系統(tǒng)調(diào)試方便，鎖相環(huán)的參數(shù)整定分為兩個(gè)部分，即擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)整定和諧振控制器參數(shù)整定。

17、進(jìn)一步，步驟2)的過程如下：

18、2.1)諧振控制器是基于內(nèi)模原理設(shè)計(jì)的，由于理想諧振控制器對(duì)諧振頻率的敏感性較低，無法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，使用準(zhǔn)諧振控制器代替，其傳遞函數(shù)為：

19、

20、式中，kr為諧振控制器參數(shù)，ωc為諧振控制器截止頻率，ω0為諧振頻率；

21、2.2)將角度跟蹤誤差作為諧振控制器輸入，諧振控制器輸出疊加至鎖相環(huán)估計(jì)角度進(jìn)行補(bǔ)償，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器型諧振鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

22、

23、式中，a＝β1+2krωo，b＝2β1ωc+β2，c＝β1ωm2+2β2ωc+β3，d＝β2ωm2+2β3ωc。

24、再進(jìn)一步，步驟3的過程如下：

25、3.1)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)整定

26、在1.2)中所述的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器型鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

27、

28、根據(jù)勞斯—赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)將其改寫為

29、

30、式中，ξ為阻尼比，在工程中常取0.707；ωn為無阻尼自然振蕩頻率,通常選取速度環(huán)實(shí)際帶寬的5～10倍；kpll為實(shí)極點(diǎn)位置調(diào)節(jié)系數(shù)，利用參數(shù)kpll可調(diào)節(jié)負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn)到虛軸的距離，一般負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn)與虛軸的距離應(yīng)遠(yuǎn)大于共軛極點(diǎn)對(duì)到虛軸的距離，通常取kpll≥10；通過合理配置極點(diǎn)位置，可獲得最佳的跟蹤性能，因此，鎖相環(huán)參數(shù)整定為：

31、

32、3.2)諧振控制器參數(shù)整定

33、根據(jù)2.1)中的諧振控制器傳遞函數(shù)，其中ω0為諧振頻率，應(yīng)設(shè)計(jì)為速度和角度波動(dòng)頻率，根據(jù)壓縮機(jī)的非線性負(fù)載特性，其波動(dòng)頻率為機(jī)械角速度頻率，故設(shè)計(jì)為其中為估計(jì)的電機(jī)機(jī)械角速度頻率，有其中，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；

34、剩余待整定參數(shù)為kr和諧振控制器截止頻率ωc。kr的增加使得諧振頻率ω0處幅值增益增加，起到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，但kr的增大會(huì)使諧振控制器頻帶變大，諧振影響范圍增大；ωc減小，諧振頻率ω0處幅值增益增加，頻帶變窄，對(duì)信號(hào)具有良好的選擇性。參數(shù)整定的原理是調(diào)整kr以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)整ωc以確定頻率波動(dòng)范圍的影響。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為；首先基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)三階鎖相環(huán)位置跟蹤方法，用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎖相環(huán)的比例積分環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)在速度變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性能；然后設(shè)計(jì)諧振控制器提取角度波動(dòng)誤差諧波成分，并對(duì)鎖相環(huán)輸出角度進(jìn)行補(bǔ)償，使電機(jī)在非線性負(fù)載下實(shí)現(xiàn)位置和速度高精度跟蹤；最后對(duì)設(shè)計(jì)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器型諧振鎖相環(huán)進(jìn)行分析，給出了參數(shù)整定方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明可以提高鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能，通過諧振控制器前饋補(bǔ)償對(duì)鎖相環(huán)跟蹤位置誤差進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)周期性角度和速度波動(dòng)補(bǔ)償。