變頻空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)_圖文

1、碩士學(xué)位論文變頻空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)PARAMETER IDENTIFIATION OF VARIABLE-FREQUENCY AIR CONDITIONINGCOMPRESSOR張斯瑤哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年7月哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文摘要隨著空調(diào)的廣泛普及以及消費(fèi)者觀念的更新,對(duì)空調(diào)的要求不再僅僅局限于制冷、制熱。在面臨著全球范圍能源危機(jī)的形勢(shì)下,備受關(guān)注的節(jié)能問(wèn)題也成為了各大空調(diào)廠商營(yíng)銷競(jìng)爭(zhēng)的主要焦點(diǎn)。而以節(jié)能、舒適等特點(diǎn)著稱的變頻空調(diào)正逐步占據(jù)整個(gè)空調(diào)市場(chǎng)。在生產(chǎn)及使用變頻空調(diào)的過(guò)程中,壓縮機(jī)電機(jī)參數(shù)的不準(zhǔn)確會(huì)影響控制性能,進(jìn)而出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳、運(yùn)行效率不高等現(xiàn)象,消費(fèi)者

2、的舒適度更是明顯降低。根據(jù)趨勢(shì)所向,本文通過(guò)對(duì)變頻空調(diào)壓縮機(jī)的參數(shù)進(jìn)行判斷識(shí)別,以優(yōu)化控制參數(shù),保證電機(jī)維持較好的運(yùn)行效果,這對(duì)提高空調(diào)整體的效率、節(jié)約能源、提高生活環(huán)境的舒適度具有重要意義。本課題選用IR公司研發(fā)的IRMCF312做為主控芯片,以無(wú)傳感器矢量控制方法對(duì)本變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究分析后,結(jié)合壓縮機(jī)的特殊負(fù)載環(huán)境,根據(jù)二者的結(jié)構(gòu)特性建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在MATLAB/Simulink環(huán)境下根據(jù)矢量控制的原理建立了壓縮機(jī)電機(jī)矢量控制的仿真模型,并采用i d=0速度電流雙閉環(huán)矢量控制策略進(jìn)行了仿真研究。在依托于該穩(wěn)定系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)之上,本課題基于項(xiàng)目的實(shí)

3、際情況選擇了離線辨識(shí)技術(shù)對(duì)電機(jī)各參數(shù)提出相應(yīng)的辨識(shí)方案,并在IMotion環(huán)境下設(shè)計(jì)相應(yīng)辨識(shí)模塊,進(jìn)行了相關(guān)辨識(shí)試驗(yàn)。本課題將PFC技術(shù)和無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)應(yīng)用于所試驗(yàn)的變頻空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。利用該控制系統(tǒng),開發(fā)了具有離線辨識(shí)功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并將所制定的辨識(shí)方案在此上進(jìn)行試驗(yàn),所得結(jié)果與前期測(cè)取結(jié)果基本相符,誤差在允許范圍內(nèi),證明該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確的對(duì)電機(jī)的電氣參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。應(yīng)用辨識(shí)后的參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的優(yōu)化。最后結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求,應(yīng)用辨識(shí)理論對(duì)美的公司所用10余種壓縮機(jī)類型的區(qū)分提出了相應(yīng)的方案。關(guān)鍵詞:變頻空調(diào);壓縮機(jī);矢量控制;參數(shù)辨識(shí);區(qū)分壓縮機(jī)類型哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩

4、士學(xué)位論文AbstractWith the widespread use of air conditioning, as well as the update of consumers ideas, demand for air conditioning is no longer merely limited to refrigeration or heat. Faced with the global energy crisis, energy conservation, which is publicly concerned on, has been the main focus of m

5、arketing competition in the field of air conditioning. Therefore, variable-frequency air conditioners with some obvious characteristics (e.g. energy conservation, comfort will gradually occupy the entire market of air conditioning. In the production and employment of variable-frequency air condition

6、ings, the inaccuracy parameters of compressor motor will result in the worse control performance, even the poorer operation condition of the system, the lower efficiency and the comfort.According to the present situation, this paper employs the parameter identification of the variable-frequency air

7、conditioning compressor to optimize controlling parameter and ensure the motor running in a well effect. It plays an important role in increasing the overall efficiency, saving energy, and improving the comfort of the environment.The variable-frequency air conditioning compressor system built in thi

8、s paper chooses IRMCF312 developed (by IR as the main control chip and adopts a sensorless vector control algorithm. Based on the analysis of PMSMs structure and compressors special load environment, the mathematic model is built up based on their relative characteristics, also the compressors vecto

9、r control simulation model is built on the basis of the vector controls principle in MATLAB/Simulink as well. This paper does some theoretical researches on the double-closed loop vector control system in depth. Based on this steady system and the actual conditions of the project, off-line identific

10、ation technique is chosen to put forward the each corresponding parameters recognition proposal and design the relevant calculation model in IMotion to make the identification experiments in this paper.This paper adopts a digital PFC technique and a sensorless vector control technique in the air con

11、ditioning compressor control system. Using this system, a testing system with off-line identification function is developed. Based on that, the identification proposals have been practiced on the test platform. Identification results are mainly matched with the prior-period measurement ones and the

12、error is within the bounds. It is proved that this system could accurately identify the motor electric parameters. The application of the identified parameters has been carried out to preliminary optimization of the control system. Finally, combined with the real requirements, a proposal on seperati

13、on over 10 compressors used in Meidi air哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文conditionings on the market has been present on the basis of the off-line identification theory.Keywords: variable-frequency air conditioning, compressors, vector control, parameter identification, compressors seperation哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文目錄摘要.I Abs

14、tract.II第1章 緒論 (11.1 課題背景及研究的目的和意義 (11.1.1課題背景 (11.1.2 研究的目的和意義 (21.2變頻空調(diào)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r (31.3空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r (41.3.1 壓縮機(jī)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r (41.3.2 壓縮機(jī)電機(jī)控制策略的發(fā)展?fàn)顩r (61.4電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的發(fā)展?fàn)顩r (91.4.1 數(shù)值計(jì)算法 (91.4.2 離線試驗(yàn)測(cè)試法 (101.4.3 在線辨識(shí)技術(shù) (101.5本文主要研究?jī)?nèi)容 (11第2章壓縮機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究 (132.1 引言 (132.2 壓縮機(jī)電機(jī)的分類及數(shù)學(xué)模型 (132.2.1 空調(diào)壓縮機(jī)的分類 (132.2.2 永磁同步電

15、機(jī)的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (132.2.3 坐標(biāo)變換 (152.2.4 壓縮機(jī)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 (172.3 壓縮機(jī)的矢量控制 (192.3.1 矢量控制的基本原理 (192.3.2 矢量控制的系統(tǒng)組成 (192.3.3空間矢量調(diào)制(SVPWM的實(shí)現(xiàn) (202.4 壓縮機(jī)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及其仿真 (222.4.1 永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真 (222.4.2 壓縮機(jī)電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真 (252.5 本章小結(jié) (27哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第3章壓縮機(jī)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的研究 (293.1 引言 (293.2 壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí) (293.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)測(cè)取 (293.2

16、.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)方案與仿真 (333.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的辨識(shí) (353.3.1 轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)驗(yàn)測(cè)取 (363.3.2 轉(zhuǎn)子磁鏈的辨識(shí)方案與仿真 (373.4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)的辨識(shí) (423.4.1 轉(zhuǎn)矩常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)取 (423.4.2 轉(zhuǎn)矩常數(shù)的辨識(shí)方案與仿真 (433.5 本章小結(jié) (44第4章變頻空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) (454.1 引言 (454.2 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件試驗(yàn)平臺(tái) (454.3 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) (464.3.1 IMotion編程環(huán)境 (464.3.2系統(tǒng)的軟件控制流程 (484.4 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (494.4.1 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試結(jié)

17、果 (494.4.2 壓縮機(jī)參數(shù)辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (504.5區(qū)分壓縮機(jī)方案 (544.6 本章小結(jié) (58結(jié)論 (59參考文獻(xiàn) (60攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 (66哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 (67致謝 (68哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章 緒論1.1 課題背景及研究的目的和意義1.1.1課題背景中國(guó)可謂世界上的能源儲(chǔ)備大國(guó),同樣也是用電大國(guó),卻因能源的短缺及其分布的不均衡,已出現(xiàn)連續(xù)多年的“電荒”現(xiàn)象。在最嚴(yán)重的時(shí)期,曾有過(guò)包括中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)在內(nèi)的多達(dá)25個(gè)省級(jí)電網(wǎng)采取了拉閘限電的應(yīng)對(duì)方案。針對(duì)“電荒”問(wèn)題,政府通過(guò)一些法令的頒布欲達(dá)到提高能效的效果。在中國(guó),電機(jī)驅(qū)

18、動(dòng)是電能消耗的一個(gè)主要方式,每年可消耗高達(dá)50%以上的電能。而在高耗能的家電領(lǐng)域中,若在節(jié)能電機(jī)的普及應(yīng)用以及優(yōu)化調(diào)速方面進(jìn)行改善,將十分有益于解決中國(guó)乃至全球的能源消耗問(wèn)題。近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化迅猛發(fā)展,人民生活水平也得到了相應(yīng)的大幅提高,為滿足生活需要,空調(diào)的使用也得到了越來(lái)越廣泛的普及;隨著消費(fèi)者知識(shí)水平與消費(fèi)觀念的進(jìn)步,溫度上的舒適度已不再是人們對(duì)空調(diào)的唯一要求,節(jié)能、健康舒適等方面逐步成為了新的強(qiáng)有力賣點(diǎn);近幾年世界性能源危機(jī)的出現(xiàn)更使得節(jié)能、環(huán)保及舒適成了各大空調(diào)廠商的主要競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。對(duì)工作在220V電網(wǎng)電壓、50Hz頻率條件下的空調(diào)降其稱為“定頻空調(diào)”,對(duì)室溫的調(diào)整是通過(guò)“開、?！眽?/p>

19、縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此將直接導(dǎo)致較多的電能消耗。而相比之下,“變頻空調(diào)”摒棄了“定頻空調(diào)”通過(guò)電容或電阻分相的方式,選擇了通過(guò)與之所配備的變頻器來(lái)改變壓縮機(jī)的供電頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)控溫的目的,同時(shí)減小了室溫的波動(dòng),并實(shí)現(xiàn)了最終節(jié)能和提高舒適度的目標(biāo)。目前,變頻空調(diào)在加快調(diào)溫控溫速度的同時(shí),亦實(shí)現(xiàn)了根據(jù)室溫自動(dòng)切換制熱、制冷和除濕等運(yùn)轉(zhuǎn)方式的功能。相對(duì)于“定頻空調(diào)”的性能,“變頻空調(diào)”在電機(jī)壽命、降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、溫度的穩(wěn)定性以及能耗等方面均有所改良1,其快速調(diào)溫、節(jié)能、精確控溫、電壓適應(yīng)范圍寬、一拖二智能控溫、室溫恒定等優(yōu)點(diǎn)也顯現(xiàn)而出,因而,眼下得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。變頻空調(diào)于1994年進(jìn)入中國(guó)市

20、場(chǎng),在這近20年的時(shí)間中,初期發(fā)展較緩慢,直至2004年,題為變頻中國(guó)空調(diào)行業(yè)的新動(dòng)力的新聞發(fā)布會(huì)成功發(fā)布,也宣告了革新?lián)Q代的變頻空調(diào)逐步取代“定頻空調(diào)”時(shí)代的開始2。壓縮機(jī)是整個(gè)變頻空調(diào)系統(tǒng)控制中的核心部分,也是最主要的耗能部分,其性能的優(yōu)劣直接影響空調(diào)器主要性能的好壞。變頻空調(diào)在發(fā)展初期,壓縮機(jī)多采用三相交流異步電動(dòng)機(jī),據(jù)上文所述可知壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速由空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文節(jié),其優(yōu)點(diǎn)在于可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)于低速狀態(tài),但其缺點(diǎn)在于控制復(fù)雜、效率低。永磁同步電機(jī)與之相比,因其擁有體積小、重量輕、具有明顯節(jié)能效果的永磁體轉(zhuǎn)子,在家電場(chǎng)合有著廣大的應(yīng)用市場(chǎng)3。本課題項(xiàng)目是與國(guó)內(nèi)美的空調(diào)

21、公司和美國(guó)國(guó)際整流公司合作,選用由IR 公司研發(fā)生產(chǎn)的IMotion系列芯片中的IRMCF312作為壓縮機(jī)的控制芯片。該芯片在兼顧空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)變頻控制的同時(shí)還可以保證功率因數(shù)校正PFC環(huán)節(jié)的運(yùn)行。本課題研究系統(tǒng)由于受到壓縮機(jī)腔內(nèi)充斥著強(qiáng)腐蝕性制冷劑等環(huán)境限制,采用無(wú)位置傳感器的矢量控制方法,經(jīng)由芯片所應(yīng)用的圖形模塊化的軟件編程環(huán)境,通過(guò)所設(shè)計(jì)并應(yīng)用的一系列基于閉環(huán)無(wú)位置傳感器的運(yùn)算法則,實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻空調(diào)器室外壓縮機(jī)系統(tǒng)的矢量控制及應(yīng)用在該系統(tǒng)上的參數(shù)辨識(shí)算法。1.1.2 研究的目的和意義壓縮機(jī)是變頻空調(diào)的重要組成部分,對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)所用電機(jī)分類大致包括三相交流異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁

22、同步電機(jī)三種,綜合其效率以及結(jié)合最終的節(jié)能環(huán)保目標(biāo),制造中多采用永磁同步電機(jī)(PMSM驅(qū)動(dòng)。異于另兩種電機(jī)之處在于以下三方面。第一點(diǎn),從功率因數(shù)上看,永磁同步電機(jī)內(nèi)因通過(guò)其內(nèi)置的永磁體提供磁場(chǎng),故不存在電勵(lì)磁損耗的問(wèn)題,當(dāng)定轉(zhuǎn)子同步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)沒(méi)有感應(yīng)電流,因此不產(chǎn)生銅耗,轉(zhuǎn)子鐵心中也同樣不會(huì)產(chǎn)生損耗,所以,永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率要明顯高于另兩種電動(dòng)機(jī)的效率;另外,由于未吸收電網(wǎng)中的勵(lì)磁電流直接降低了無(wú)功功率也是提高功率因數(shù)的另一原因。第二點(diǎn),永磁同步電機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)原因,不必增設(shè)電勵(lì)磁裝置,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化增強(qiáng)了電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。第三點(diǎn),永磁同步電機(jī)的稀土永磁材料有著很高的磁能

23、積,大量的電動(dòng)機(jī)磁能積僅通過(guò)較少的永磁磁鋼即可實(shí)現(xiàn),因此是一種高效率高密度的電機(jī)4。綜上,永磁同步電機(jī)因上述原因而在空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的使用上顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì),在市場(chǎng)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中,由于需要提取速度、位置等信息,往往需要借助位置傳感器等裝置。在以往的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,旋轉(zhuǎn)變壓器、磁敏電阻效應(yīng)傳感器、光電編碼器、霍爾效應(yīng)傳感器等傳感器作為常用裝置,通過(guò)將其置于電機(jī)軸上以獲得所需的有關(guān)電機(jī)的信息,從而確定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的空間角度進(jìn)而進(jìn)行矢量控制。這一方法雖然直接、精確,但是也存在著一定的劣勢(shì)。不但傳感器的體積大、成本高,而且其存在增設(shè)了連接電纜和傳感電路,降低了系統(tǒng)

24、的可靠性,又不適用于空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)高溫、強(qiáng)腐蝕性制冷劑的環(huán)境,因哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文而在此環(huán)境下,無(wú)位置傳感器顯示出了其優(yōu)勢(shì),得以成為壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向5。無(wú)傳感器控制是一種在不借助任何傳感器裝置的條件下,僅通過(guò)提取電機(jī)繞組中相關(guān)的電信號(hào)信息,采用某些方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置進(jìn)行估算,進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制?？傮w來(lái)說(shuō),該方法是一種以永磁同步電機(jī)電磁關(guān)系為理論基礎(chǔ),通過(guò)觀測(cè)器技術(shù)并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和位置及速度估算方法6。因此,有效利用無(wú)位置傳感器控制方法對(duì)實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的控制有著重要的意義。目前主要的無(wú)傳感器控制方法都具有計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、幾乎無(wú)延遲的特點(diǎn),但電機(jī)參數(shù)

25、需確保在運(yùn)算過(guò)程中較高的準(zhǔn)確性。在電機(jī)經(jīng)歷一段時(shí)間運(yùn)行后,電機(jī)參數(shù)會(huì)因內(nèi)部或外部環(huán)境因素發(fā)生一定的變化,將導(dǎo)致對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的估算產(chǎn)生誤差甚至是錯(cuò)誤,并且該控制算法因補(bǔ)償、校正環(huán)節(jié)的缺失會(huì)對(duì)控制效果產(chǎn)生不良影響。因此,對(duì)電機(jī)參數(shù)的明確認(rèn)知無(wú)論在電機(jī)使用前或是運(yùn)行中都是十分必要的。但存在很多種情況會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的未知或者不精確的問(wèn)題,如項(xiàng)目及產(chǎn)品的涉密問(wèn)題、廠商提供資料不足以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和老化所產(chǎn)生的影響等等。上述問(wèn)題都會(huì)對(duì)電機(jī),尤其是空調(diào)壓縮機(jī)的無(wú)傳感器控制提出考驗(yàn)。因此定期對(duì)壓縮機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一次判斷識(shí)別是很重要的,以確保數(shù)據(jù)及時(shí)更新,并將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于后續(xù)的計(jì)算與控制,確保無(wú)論是參數(shù)未

26、知或是已知量與真實(shí)值之間存在一定誤差等何種情況下,電機(jī)均能保證良好的運(yùn)行效果。這也會(huì)在提高空調(diào)系統(tǒng)的效率、降低噪聲、節(jié)約能耗以及提高舒適度等多方面產(chǎn)生積極影響。在變頻空調(diào)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)中,為避免上述問(wèn)題,本課題對(duì)空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)壓縮機(jī)電機(jī)的本體電氣參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)分析,進(jìn)而對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而改善空調(diào)的運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保及舒適的目標(biāo)。除此之外,本課題項(xiàng)目是與美的空調(diào)公司和國(guó)際整流公司合作共同進(jìn)行的。結(jié)合IR公司的技術(shù)支持,以完成美的公司提出的技術(shù)要求,市場(chǎng)上的美的空調(diào)所采用的壓縮機(jī)電機(jī)類型多達(dá)10余種,合作企業(yè)目前面臨著所用試驗(yàn)樣機(jī)電機(jī)呈老化趨勢(shì),且對(duì)不同型號(hào)電機(jī)所配置的控制參數(shù)不同的問(wèn)題

27、。貴公司希望借助本課題實(shí)現(xiàn)在電機(jī)型號(hào)未知的情況下,通過(guò)電信號(hào)激勵(lì)的運(yùn)行模式,對(duì)待測(cè)電機(jī)通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行鑒別,并迅速完成參數(shù)自整定的目標(biāo)。1.2變頻空調(diào)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1978年,日本成為了最早將空調(diào)智能控制技術(shù)在商品上付諸實(shí)現(xiàn)的國(guó)家,其國(guó)內(nèi)品牌松下電器首先采用微電腦控制空調(diào)器,自此開啟了世界范圍內(nèi)的變頻空調(diào)時(shí)代;東芝公司也在兩年后又將首臺(tái)變頻往復(fù)式空調(diào)壓縮機(jī)推向世哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文界,次年又研制出了小型空調(diào)機(jī)用變頻旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī);至此之后,變頻技術(shù)以及更多的控制技術(shù)逐漸應(yīng)用在空調(diào)器的各個(gè)部分。目前,日本的變頻空調(diào)幾乎占據(jù)了整個(gè)空調(diào)市場(chǎng)。90年代初,我國(guó)空調(diào)市場(chǎng)上開始出現(xiàn)

28、變頻空調(diào),海爾、格力、海信、美的等知名品牌相繼進(jìn)入變頻空調(diào)領(lǐng)域,自此也開始了國(guó)內(nèi)對(duì)于變頻空調(diào)控制器的研究。以借鑒國(guó)外技術(shù)為基礎(chǔ),高校、業(yè)內(nèi)學(xué)者在此之上開始潛心鉆研,許多國(guó)內(nèi)家電廠商也積極研發(fā)更適于國(guó)內(nèi)行情的變頻空調(diào)。一般而言,變頻空調(diào)壓縮機(jī)按所用的電動(dòng)機(jī)類型是交、直流將其分為交流變頻空調(diào)、直流變頻空調(diào)兩種。交流變頻空調(diào)采用的是交流變頻壓縮機(jī),工作期間共經(jīng)歷兩次電壓轉(zhuǎn)化的過(guò)程,經(jīng)整流環(huán)節(jié)對(duì)220V交流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換,再經(jīng)變頻器內(nèi)所含的逆變器,將先得的直流電轉(zhuǎn)變成可調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電,進(jìn)而控制壓縮機(jī)電機(jī)及其轉(zhuǎn)速。相對(duì)于定頻壓縮機(jī),變頻壓縮機(jī)取消了啟動(dòng)電容,這一操作起到了減小電路損耗及省電的作用

29、。早期的交流變頻空調(diào)壓縮機(jī)多為感應(yīng)電機(jī),但其整體效率不高,控制器也比較復(fù)雜,可靠性低,一直不屬于調(diào)速空調(diào)里的理想產(chǎn)品。而對(duì)于直流變頻這一技術(shù),僅是為區(qū)分于交流變頻而言,直流電因?yàn)闆](méi)有頻率,就更沒(méi)有所謂的變頻,而是在同樣整流環(huán)節(jié)后將所得直流電在不同的控制信號(hào)作用下輸出為可變電壓的直流電源,將其應(yīng)用在壓縮機(jī)上用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。直流變頻空調(diào)之所以節(jié)能,具體體現(xiàn)在電機(jī)中去掉了其電路中的銅損,并選取永磁材料用于制備電機(jī)轉(zhuǎn)子提高整機(jī)效率。除此之外,直流變頻空調(diào)運(yùn)行中噪聲與擾動(dòng)相對(duì)較低,憑借上述優(yōu)點(diǎn)在日本空調(diào)市場(chǎng)中成為最主流熱銷商品,進(jìn)而成為國(guó)內(nèi)發(fā)展方向。直流變頻空調(diào)以其相對(duì)較高的能效比和較低的噪聲與振動(dòng)幅

30、度,成為了日本市場(chǎng)變頻空調(diào)的主流,也成為了中國(guó)變頻空調(diào)的發(fā)展方向,但直流調(diào)速空調(diào)的高成本也是不容小覷的,相對(duì)定頻空調(diào)和交流變頻空調(diào)高出一至兩倍,因此我國(guó)對(duì)于直流變頻空調(diào)的普及仍在進(jìn)行中7。除此之外,多數(shù)新型變頻空調(diào)都已選取了同比之下效率較高的永磁電機(jī),但在空調(diào)系統(tǒng)的其他部分,如風(fēng)機(jī)、室內(nèi)機(jī)等部分的控制方式與機(jī)械裝置并未得到技術(shù)革新,相應(yīng)地,整機(jī)效率也未得到大幅度地提高。因此,對(duì)整機(jī)效率做出實(shí)質(zhì)性改善以及對(duì)室內(nèi)機(jī)等部分的更新可作為后期研究方向。1.3空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1 壓縮機(jī)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r空調(diào)壓縮機(jī)因其在空調(diào)系統(tǒng)中所起的重要作用可視為系統(tǒng)的心臟。當(dāng)系統(tǒng)的工作模式設(shè)置為制冷時(shí),壓縮腔內(nèi)

31、的制冷劑進(jìn)行壓縮,使其由低壓升至高壓,而在冷凝器中將制冷劑的狀態(tài)由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài),制熱狀態(tài)與之相反;當(dāng)持續(xù)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文某一工作狀態(tài)時(shí),制冷劑不斷的循環(huán)流動(dòng)完成內(nèi)外氣體的交換。由此可見(jiàn),壓縮機(jī)的可靠性與熱力性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能8,因此無(wú)論何種空調(diào)器,若想對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行改善,首先需對(duì)壓縮機(jī)的外觀、性能及可靠性等方面做以改進(jìn)。從上世紀(jì)80年代開始,我國(guó)為大力發(fā)展家用空調(diào)產(chǎn)業(yè),從國(guó)外引入了多條生產(chǎn)線,但引進(jìn)的生產(chǎn)線多為活塞式壓縮機(jī)生產(chǎn)線,這主要是受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件和市場(chǎng)需求,因而當(dāng)時(shí)的空調(diào)壓縮機(jī)生產(chǎn)發(fā)展較慢。近年來(lái),許多國(guó)外知名壓縮機(jī)制造商受我國(guó)政策支持以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的吸引

32、,紛紛以合資或獨(dú)資的形式開始在國(guó)內(nèi)開設(shè)新廠,例如海立公司(日立與海信合資和美芝公司(東芝與美的合資等,在不斷的更新、改革其技術(shù)及工藝后空調(diào)壓縮機(jī)得到了迅猛的發(fā)展。近幾年,為了進(jìn)一步提高空調(diào)器壓縮機(jī)的效率,開發(fā)者進(jìn)行了很多改進(jìn)與新的嘗試。如前文所述,當(dāng)下的變頻空調(diào)壓縮機(jī)大多采用永磁同步電機(jī),這是一種采用稀土永磁體代替勵(lì)磁繞組的一種同步電機(jī),擁有與直流電機(jī)相同的調(diào)速特性,同時(shí)兼具良好的起動(dòng)性能、較小的溫升、輕載情況下高效運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。與同樣可作為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、異步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC相比,永磁同步電機(jī)在多方面有著相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。永磁同步電機(jī)的高效、簡(jiǎn)單的控制器結(jié)構(gòu)便是其優(yōu)于感應(yīng)電機(jī)

33、的地方;作為同步電機(jī),不存在滑差及滑差損耗,轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成正比,功率因數(shù)也相對(duì)異步電機(jī)更高;PMSM與BLDC 雖近似但仍有不同,前者的定子處于一個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)下并可提供連續(xù)電流且鐵心附加損耗相對(duì)后者較小,另外,前者在在保證各個(gè)向量均為正弦量的情況下,即可有效消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),后者則不然,二者一些性能對(duì)比如表1-1所示。因此,基于其上述優(yōu)點(diǎn),永磁同步電機(jī)成為了空調(diào)器壓縮機(jī)中的理想電機(jī)9。永磁同步電機(jī)分為單相和三相永磁同步電機(jī),在不大于額定頻率下起動(dòng)電機(jī),二者的起動(dòng)特性和運(yùn)行性能都較好;高于額定頻率起動(dòng),三相永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間更短,同步后的轉(zhuǎn)速更平穩(wěn),幾乎無(wú)振蕩,明顯優(yōu)于單相永磁同步電動(dòng)機(jī);

34、若采用變頻起動(dòng)方式,起動(dòng)頻率逐步上升至高頻,三相電機(jī)的起動(dòng)特性和運(yùn)行性能會(huì)更好。表1-1 PMSM電機(jī)與BLDC電機(jī)的比較電機(jī)名稱BLDC PMSM力矩慣量比 較PMSM高50%低功率密度 較PMSM高50%低力矩波動(dòng) 大 小調(diào)速范圍 小 大單位電流產(chǎn)生的力矩大 小哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文1.3.2 壓縮機(jī)電機(jī)控制策略的發(fā)展?fàn)顩r在本課題所研究的變頻空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)拖動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī),因此本節(jié)將對(duì)永磁同步電機(jī)控制策略的發(fā)展情況做主要介紹。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 正比于定子電流頻率s f 與電機(jī)極對(duì)數(shù)n p 的比值,可以表示為:s n s 60/n f p n =(n s 為同步轉(zhuǎn)速。由上

35、式可知,所謂的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的核心就是通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率以改變電機(jī)的運(yùn)行速度,即電機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率同步,再結(jié)合自身強(qiáng)耦合性及非線性等性質(zhì),多將變壓變頻調(diào)速方法用于永磁同步電機(jī)的調(diào)速方案中。如今對(duì)電機(jī)的控制技術(shù)也隨著集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而得以改進(jìn)與創(chuàng)新,而各種新的變壓變頻控制策略在不斷涌現(xiàn)的同時(shí),依然延續(xù)了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好動(dòng)、靜態(tài)性能的傳統(tǒng),并補(bǔ)償了由硬件所產(chǎn)生的不足,進(jìn)而電機(jī)整體系統(tǒng)的性能也在不斷地提高?，F(xiàn)對(duì)時(shí)下幾種常用永磁同步壓縮機(jī)的控制技術(shù)作以如下的簡(jiǎn)要介紹。恒壓頻比控制(即V/F 恒定,即通過(guò)控制電機(jī)的輸出電壓的有效值與定子電流頻率令二者保持恒定的比例用以實(shí)現(xiàn)調(diào)速的

36、目的,因此,可以僅調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓以改變速度,隨轉(zhuǎn)速成比例變化的電壓以確保氣隙磁通的恒定。如此可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)控,但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的性能卻不理想,這是由于該控制中未引入電壓、電流或速度、位置等反饋信號(hào)至電機(jī)端部,實(shí)屬對(duì)轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制,若對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)未能及時(shí)觀測(cè)將直接導(dǎo)致不能對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制;沒(méi)有速度閉環(huán),恒壓頻比控制的動(dòng)態(tài)性能直接受到影響,壓縮機(jī)工作時(shí),頻繁的轉(zhuǎn)速波動(dòng)可能引發(fā)當(dāng)負(fù)載突變或轉(zhuǎn)速指令突變時(shí)電機(jī)產(chǎn)生失步現(xiàn)象,而壓縮機(jī)的震動(dòng)問(wèn)題也因此而來(lái)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control ,即DTC ,以對(duì)定子磁鏈的估算為途徑進(jìn)而作為磁場(chǎng)定向,最終用于實(shí)

37、現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制不同于其他集中控制策略之處在于該策略并非以控制定子電壓或電流為目標(biāo),也不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的矢量坐標(biāo)變換或是提取速度位置信息,僅僅是控制定子磁鏈而已。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)在于除定子電阻外的其余電機(jī)參數(shù)在某些擾動(dòng)作用下仍能保持基本不變的性能,并且通過(guò)加入的磁鏈觀測(cè)器對(duì)同步速度信息的估算較方便,因而更利于實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化控制。但相比之下其劣勢(shì)在于不固定的逆變器開關(guān)頻率,較大的轉(zhuǎn)矩及電流波動(dòng),用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的很高的采樣頻率等。基于磁場(chǎng)定向的矢量控制(Field Oriented Control ,即FOC ,于上世紀(jì)70年代初提出,是一種以仿效直流電機(jī)的控制理

38、論為基本思想,可體現(xiàn)交流電機(jī)的高性能特征的調(diào)速方法。在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下,首先分解電流矢量可得到一哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文個(gè)勵(lì)磁電流分量和一個(gè)轉(zhuǎn)矩電流分量,二者相互垂直且依次用于產(chǎn)生磁通及轉(zhuǎn)矩,再經(jīng)坐標(biāo)變換后,通過(guò)正交或者解耦操作可相應(yīng)地對(duì)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行獨(dú)立、連續(xù)的控制10,11?？刂齐娏魇噶康姆蹬c其頻率和相位是該矢量控制策略的本質(zhì),分解后的兩個(gè)電流分量相互獨(dú)立,分別調(diào)控直接改善轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與速度的控制精度,確保零速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載。增加的速度閉環(huán)可以穩(wěn)定壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速,顯著減小震動(dòng)帶來(lái)的噪聲。該控制策略與直接轉(zhuǎn)矩控制相比,明顯改善了低速時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性,調(diào)寬了調(diào)速范圍,可優(yōu)化控制永磁同步壓縮機(jī)

39、。表1-2 三種控制技術(shù)的調(diào)速性能比較調(diào)速方案調(diào)速范圍 調(diào)速精度 響應(yīng)速度 低速特性 V/F 恒定控制1:10 低 較慢 差 直接轉(zhuǎn)矩控制1:15100 較高 快 脈動(dòng) 矢量控制 1:20200 較高 較快 連續(xù)變頻空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行中,先后循環(huán)經(jīng)歷吸氣、排氣、壓縮幾個(gè)工作過(guò)程,如果壓縮機(jī)電機(jī)采用恒壓頻比控制,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán),將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的頻繁波動(dòng)及壓縮機(jī)噪聲震動(dòng)的問(wèn)題。而對(duì)于另外兩種控制策略,矢量控制在調(diào)速方面優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)已在上文中進(jìn)行了敘述,在此不做重復(fù)。故結(jié)合上述原因,矢量控制最終作為本課題對(duì)永磁同步壓縮機(jī)所采用的控制技術(shù)。對(duì)永磁同步電機(jī)電流矢量的控制方法因其所應(yīng)用之處的差異而有

40、所不同,一般對(duì)常用的控制方法分類如下:(1直軸電樞電流為零控制 顧名思義,在控制過(guò)程中對(duì)電機(jī)的定子電樞電流分解后得到兩相互垂直的直軸與交軸分量,即令其中的直軸分量恒等于零,即0d i =。結(jié)合矢量控制的本質(zhì),單就交軸上的電壓方程而言,不計(jì)直軸電壓分量產(chǎn)生的效應(yīng),永磁同步電機(jī)則可等效為一臺(tái)直流電機(jī)。另外,同樣避免了去磁效應(yīng)導(dǎo)致的退磁現(xiàn)象進(jìn)而降低電機(jī)性能,并且能保證其電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比,這是由于當(dāng)定子繞組電流中僅有交軸電流分量q i 和永磁磁鏈f 時(shí),轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生恒定大小的永磁磁鏈即為交軸繞組上的勵(lì)磁磁鏈,其等效勵(lì)磁電勢(shì)正比于轉(zhuǎn)子的角度位置13。對(duì)永磁同步電機(jī)而言,定子的磁動(dòng)勢(shì)空間矢量

41、正交垂直于轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)空間矢量,因而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T e 正比于交軸電樞電流分量i q 。所存在的問(wèn)題在于功率因數(shù)會(huì)隨負(fù)載的增加而較低,逆變器的輸出電壓高。該控制方式的控制框圖如圖1-1所示。(2最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制 作為永磁同步壓縮機(jī)另一種常用的控制策略,最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制也常被稱作單位電流電磁轉(zhuǎn)矩最大控制14。該策略的宗旨是當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩符合運(yùn)行條件時(shí),令定子電流最小以降低電機(jī)損耗,進(jìn)而也可以降低與之匹配的逆變器容量,因此,采用容量較小的逆變器對(duì)于逆變器自身的工作以及系統(tǒng)的成本都是有利的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 圖1-1 i d=0控制框圖(3弱磁控制弱磁控制常應(yīng)用于內(nèi)置式永

42、磁同步電機(jī)控制中15。對(duì)轉(zhuǎn)子而言,定子電樞磁場(chǎng)一方面削弱電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng),一方面其空間轉(zhuǎn)速需相對(duì)電樞繞組不斷加快。電壓為極限值時(shí),為確保電機(jī)的高速運(yùn)行,電機(jī)電動(dòng)勢(shì)需等同于額定大小,反電勢(shì)正比于氣隙磁通乘以電機(jī)轉(zhuǎn)速,因此,在保證反電勢(shì)恒定的情況下若要轉(zhuǎn)速提高,需通過(guò)減小氣隙磁通得以實(shí)現(xiàn),弱磁控制也由此得來(lái)。弱磁控制曲線圖如圖1-2所示。(4最大輸出功率控制電機(jī)在各電磁轉(zhuǎn)矩值分別對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速值,在最大轉(zhuǎn)矩處所對(duì)應(yīng)的速度為一極限轉(zhuǎn)速(即轉(zhuǎn)折速度,電機(jī)轉(zhuǎn)速一旦高于此值后,控制策略則轉(zhuǎn)換為弱磁控制,如下圖所示的弱磁控制曲線圖,定子電流值始終圍繞在電壓極限曲線上極其內(nèi)部取值,而對(duì)任一給定的電機(jī)速度,曲線必存

43、在一點(diǎn),即一個(gè)與最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值。i=控制雖最為簡(jiǎn)單,但功率因數(shù)較低;而上述控制方法各有利弊,如0d=控制雖可以降低與之匹配逆變器的容量,但材料易被去磁從而降低效cos1率;恒磁鏈控制可以增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩,但存在最大輸出轉(zhuǎn)矩受限的問(wèn)題等等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 圖1-2 弱磁控制曲線圖1.4電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的發(fā)展?fàn)顩r在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,各項(xiàng)電機(jī)參數(shù)的瞬時(shí)值會(huì)隨著外界環(huán)境與運(yùn)行情況的改變而改變,電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻隨溫度的變化以及繞組電感隨磁場(chǎng)飽和度的變化等都是常見(jiàn)的現(xiàn)象。另外,對(duì)電機(jī)的某些狀態(tài)估計(jì)常采用建立數(shù)學(xué)模型的方法,電機(jī)參數(shù)的使用是其中必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)于壓縮機(jī)而

44、言,對(duì)參數(shù)進(jìn)行判斷識(shí)別,可以優(yōu)化控制運(yùn)行,避免在壓縮電機(jī)部分參數(shù)未知或與銘牌數(shù)據(jù)不符甚至誤差較大等情況下,電機(jī)運(yùn)行效率較低或是無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行,以求保證良好的運(yùn)行效果。這對(duì)改善性能、提高空調(diào)整機(jī)效率、節(jié)能環(huán)保等多方面都有積極的影響。因此,能否對(duì)電機(jī)參數(shù)的精確辨識(shí)直接影響到電機(jī)控制性能及工作狀態(tài)的優(yōu)劣。減小參數(shù)變化對(duì)電機(jī)控制和狀態(tài)估計(jì)的影響是近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究和努力的方向。電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方法的不斷完善更新是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)以及自動(dòng)控制原理等多門學(xué)科技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步一同進(jìn)行的。電機(jī)參數(shù)的測(cè)試方法與其所適用的環(huán)境有關(guān),按照設(shè)計(jì)階段、使用前階段和運(yùn)行中分為以下三種辨識(shí)方法。1.4.1 數(shù)

45、值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法是在電機(jī)設(shè)計(jì)階段用于計(jì)算確定電機(jī)本體電磁參數(shù)的方法,用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定型以及提供依據(jù)的目的。目前,多采用有限元方法和磁路磁導(dǎo)法作為出廠前設(shè)計(jì)階段的數(shù)值計(jì)算方法16,17,該方法往往需應(yīng)用相關(guān)的專業(yè)軟哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文件,可基于電機(jī)自身參數(shù)間的電磁性能,經(jīng)分析后計(jì)算出所需的精確度較高的參數(shù),也可模擬不同的條件并計(jì)算相應(yīng)的受電磁關(guān)系所影響制約的參數(shù)變化情況及諧波等,對(duì)于辨識(shí)后的參數(shù)結(jié)果往往也通過(guò)有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證校核。1.4.2 離線試驗(yàn)測(cè)試法根據(jù)國(guó)家的相關(guān)規(guī)定及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),電機(jī)在出廠前或并網(wǎng)前必須要完成一系列相關(guān)的電機(jī)測(cè)試試驗(yàn),這是一套有著嚴(yán)格的操作流程限定的完整的測(cè)試方

46、法。上世紀(jì)70年代初,根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的特征關(guān)系有人提出可通過(guò)短路試驗(yàn)、拋載試驗(yàn)等方法進(jìn)行相關(guān)的離線測(cè)試辨識(shí)試驗(yàn)。所謂離線參數(shù)辨識(shí),即在電機(jī)運(yùn)行前,固定轉(zhuǎn)子,待電源與電機(jī)連接后通過(guò)控制器向電機(jī)施加電壓激勵(lì)信號(hào),保證電機(jī)處于穩(wěn)定或者微動(dòng)的狀態(tài)并記錄此時(shí)的電流響應(yīng)曲線,經(jīng)某些特定計(jì)算方式對(duì)相應(yīng)曲線中的點(diǎn)進(jìn)行處理后辨識(shí)獲取到相應(yīng)的電機(jī)參數(shù),再對(duì)控制器中的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置更新,該過(guò)程也稱作“參數(shù)自設(shè)定”。早期的電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)多借助于短路試驗(yàn)、拋載試驗(yàn)等,但經(jīng)常無(wú)法滿足控制器或是磁鏈觀測(cè)等要求,在經(jīng)歷技術(shù)的不斷發(fā)展完善后,目前常用的離線參數(shù)辨識(shí)方法有直流衰減法和交流靜止測(cè)試法。1

47、.4.3 在線辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用離線參數(shù)辨識(shí)方法所得的電機(jī)參數(shù)初始值的精度已達(dá)到一些高性能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求,但是無(wú)法保證電機(jī)運(yùn)行期間參數(shù)的波動(dòng)不會(huì)影響系統(tǒng)持續(xù)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。因此,對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線辨識(shí)更有利于保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。各國(guó)學(xué)者也著眼于電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)技術(shù),并將其作為重要的研究方向,而整定好的準(zhǔn)確速度信息是其必備條件?，F(xiàn)對(duì)當(dāng)下的幾種主要在線辨識(shí)技術(shù)作以簡(jiǎn)要概述?？柭鼮V波法,又名最小方差線性遞推濾波法,于上世紀(jì)60年代由卡爾曼和布西共同提出的一種適用于線形及非線性系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)空間模型的迭代遞推濾波方法。該濾波方法不同于傳統(tǒng)濾波器,并非根據(jù)濾波系統(tǒng)的帶通特性而保留所需的頻帶信號(hào),

48、同時(shí)也無(wú)法消除干擾信號(hào)的作用,而是從含有噪聲的測(cè)量信號(hào)中檢測(cè)提取有用的信號(hào),去除實(shí)際中被視作動(dòng)態(tài)過(guò)程的干擾影響,對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行觀測(cè),將其應(yīng)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中,尤其是無(wú)位置傳感器系統(tǒng)中,可代替?zhèn)鞲衅餍兄行У剡M(jìn)行估算位置、轉(zhuǎn)速以及定子磁鏈。理論上,卡爾曼濾波法用于辨識(shí)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)最小方差估計(jì),但實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)兩種永磁同步電機(jī),采用的都是要高達(dá)4階的濾波模型,較大的計(jì)算量會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。之后,學(xué)者們又提出改善方案,如文獻(xiàn)18等提出了一種在假定哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,對(duì)電阻和磁通分別進(jìn)行辨識(shí)的方法,將卡爾曼濾波模型降為2階以減少計(jì)算量;諸自強(qiáng)教授在文獻(xiàn)19中借

49、助仿真試驗(yàn)及結(jié)果提出了一種簡(jiǎn)化的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的參數(shù)辨識(shí)方法,同樣降低了參數(shù)辨識(shí)算法的計(jì)算階數(shù)。模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)(MRAS是經(jīng)歷控制理論的不斷進(jìn)步過(guò)程中在系統(tǒng)控制和參數(shù)辨識(shí)等研究領(lǐng)域中得以最廣泛應(yīng)用的一種控制策略。一般包括參考模型、可調(diào)模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)三部分,其自適應(yīng)率以穩(wěn)定性理論為根基,就電機(jī)控制系統(tǒng)而言,參考模型是電機(jī)本身不含待測(cè)參數(shù)的方程,其輸出表示系統(tǒng)期望的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可調(diào)模型時(shí)待測(cè)參數(shù)的狀態(tài)方程,通過(guò)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)利用自適應(yīng)率和輸出量的估計(jì)偏差對(duì)待測(cè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,通過(guò)改變可調(diào)模型或參數(shù)來(lái)消除誤差,輸出收斂于實(shí)際值時(shí)即為待測(cè)參數(shù)的辨識(shí)值。這種方法形式簡(jiǎn)單,在數(shù)字控制系統(tǒng)中容易

50、得以實(shí)現(xiàn),所得的辨識(shí)結(jié)果容易收斂。但是,此方法中的自適應(yīng)率設(shè)計(jì)過(guò)程是整個(gè)換季的重點(diǎn)與難點(diǎn),尤其需辨識(shí)多個(gè)待測(cè)電機(jī)參數(shù)時(shí),所設(shè)定的自適應(yīng)率不一定能完全滿足穩(wěn)定性的要求,故目前的估算方法大多僅同時(shí)辨識(shí)1、2個(gè)參數(shù),往往無(wú)法將一個(gè)控制系統(tǒng)中的定子電阻,繞組電感以及轉(zhuǎn)子磁鏈這樣的三個(gè)參數(shù)同時(shí)估算出。最小二乘算法(RLS起源于兩百多年前,是歷史最久、也是最基本、應(yīng)用最廣泛的一種電機(jī)參數(shù)辨識(shí)算法20。該算法的基本思想如下:將前一時(shí)刻的估算值保留應(yīng)用于對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)觀測(cè),并對(duì)二者求取差值平方和,并由此通過(guò)某數(shù)學(xué)關(guān)系不斷更新所求參數(shù)的估計(jì)值,最終估計(jì)值即辨識(shí)值的敲定是當(dāng)差值平方和為最小值時(shí),辨識(shí)結(jié)束。隨著理

51、論及技術(shù)的發(fā)展,在原始算法的基礎(chǔ)上也逐漸衍生出了多種改進(jìn)最小二乘法,在此不作贅述。綜合而言,其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單,適用范圍廣。但要求系統(tǒng)具備較強(qiáng)的計(jì)算能力,運(yùn)算量大,且優(yōu)化算法中需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算,辨識(shí)精度也容易被轉(zhuǎn)速波動(dòng)及噪聲直接影響。在文獻(xiàn)21中,Ramakrishnan R等人基于永磁同步電機(jī)的交軸動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程,應(yīng)用最小二乘法對(duì)其定子相電阻、相電感和反電勢(shì)系數(shù)進(jìn)行了在線辨識(shí)。1.5本文主要研究?jī)?nèi)容本文選用由IR公司研發(fā)生產(chǎn)的IMotion系列芯片中的IRMCF312作為壓縮機(jī)的控制芯片。通過(guò)離線參數(shù)辨識(shí)方法對(duì)變頻空調(diào)室外壓縮機(jī)的電氣參數(shù)進(jìn)行校對(duì),用于對(duì)電機(jī)本體參數(shù)及控制參數(shù)的優(yōu)化以提高控

52、制性能。本文對(duì)以下內(nèi)容展開研究:(1研究變頻空調(diào)室外壓縮機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型、負(fù)載環(huán)境及其相應(yīng)的矢量控制方法,并采用SVPWM調(diào)制方案在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)壓縮機(jī)電哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文i=的矢量控制仿真驗(yàn)證;機(jī)進(jìn)行0d(2結(jié)合美的公司提供的壓縮機(jī)電機(jī)資料,進(jìn)行對(duì)電機(jī)各參數(shù)及工作特性的研究,制定通過(guò)參數(shù)辨識(shí)方法對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行區(qū)分的設(shè)計(jì)方案。(3研究永磁同步壓縮機(jī)參數(shù)的辨識(shí)方法,提出相應(yīng)參數(shù)的辨識(shí)方案,并在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)采用的參數(shù)辨識(shí)方案進(jìn)行仿真研究;(4基于選定的IRMCF312芯片在其軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)相應(yīng)的辨識(shí)程序,搭建變頻空調(diào)永磁同步壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

53、的硬件平臺(tái),并在平臺(tái)上驗(yàn)證所提出的各參數(shù)的辨識(shí)算法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第2章壓縮機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究2.1 引言在本課題所研究的變頻空調(diào)器室外機(jī)系統(tǒng)中,通過(guò)永磁同步電機(jī)拖動(dòng)壓縮機(jī)的方式,在高效節(jié)能、低噪聲、舒適性等多方面改善了空調(diào)系統(tǒng)的性能。鑒于PMSM伺服系統(tǒng)高階、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)以及壓縮機(jī)內(nèi)部環(huán)境的特殊要求,因此,對(duì)壓縮機(jī)建立準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)以及因地制宜地建立行之有效的永磁同步壓縮機(jī)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是本課題研究壓縮機(jī)控制系統(tǒng)及后續(xù)辨識(shí)內(nèi)部電氣參數(shù)的基礎(chǔ)。本章采用矢量控制方法,通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)解耦,對(duì)所建立的電機(jī)數(shù)學(xué)模型經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制后進(jìn)行分析。2.2 壓縮機(jī)電機(jī)的分類及數(shù)學(xué)模型2.2.

54、1 空調(diào)壓縮機(jī)的分類根據(jù)其工作原理,壓縮機(jī)可以分為兩大類,容積型壓縮機(jī)和速度型壓縮機(jī)。容積型壓縮機(jī)又可被分為回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)兩種,二者都擁有容積可周期變化的工作腔因此可依靠壓縮機(jī)工作腔容積的變化來(lái)壓縮氣體或蒸汽進(jìn)而來(lái)提高氣體或蒸氣壓力?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)是以一個(gè)或若干部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮腔內(nèi)部容積變化的壓縮機(jī),包括滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式、滑片式和螺桿式等幾種;往復(fù)式壓縮機(jī)是一種以活塞式為典型結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)22,在壓縮腔內(nèi)部封閉空間內(nèi),按照既定的順序吸入和排出一定容積的氣體以提高靜壓力。速度型壓縮機(jī)通過(guò)對(duì)氣體做功的方式加快腔內(nèi)被壓縮氣體的流動(dòng)速度,再經(jīng)擴(kuò)壓器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力能到壓力能的轉(zhuǎn)化,間接提高被

55、壓縮氣體的壓力。圖2-1所示為上述幾種常見(jiàn)的壓縮機(jī)分類,本文研究對(duì)象為被廣泛應(yīng)用在中小功率空調(diào)領(lǐng)域中的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī),屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中重要的一種,適于變頻控制且兼具振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、摩損小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)238,9。2.2.2 永磁同步電機(jī)的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)種類的劃分有多種方式:按照工作主磁場(chǎng)的方向進(jìn)行分類,可劃分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式;按照電樞繞組的位置進(jìn)行分類,可將其分成內(nèi)、外轉(zhuǎn)子式兩種,內(nèi)轉(zhuǎn)子式也稱為常規(guī)式;按照轉(zhuǎn)子上有無(wú)起動(dòng)繞組,也可分為兩種;按照不同的供電電流波形進(jìn)行分類,分別有矩形波永磁同步電哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文動(dòng)機(jī)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī),后者簡(jiǎn)稱為

56、永磁同步電動(dòng)機(jī)24。本課題研究的2.5kw 變頻空調(diào)系統(tǒng)的永磁同步壓縮機(jī)為正弦波驅(qū)動(dòng)式永磁同步電機(jī)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)類似于普通同步電機(jī),定子、轉(zhuǎn)子和端蓋是與普通同步電機(jī)的共有部分,其中定子所采用的是減小運(yùn)行中鐵耗的疊片結(jié)構(gòu),由導(dǎo)磁的鐵心及采用星形接法的三相繞組構(gòu)成;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較特殊,由永磁材料嵌入而制成無(wú)明顯磁極的徑向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子,永磁體的設(shè)置即替代了其他電機(jī)中電勵(lì)磁的部分從而可去掉勵(lì)磁繞組以及電刷等結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu),其鐵心結(jié)構(gòu)采用實(shí)心或是疊片疊壓而成,二者均可。 按照永磁體處于轉(zhuǎn)子上位置的不同,可將正弦式永磁同步電機(jī)分為如圖2-3所示的三種:表面式、內(nèi)置式和爪極式,其中,爪極式的性能明顯低于表面式與內(nèi)置式,因此在研究實(shí)踐中并不常用。在表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中,稀土永磁材料呈瓦片形狀被貼附在轉(zhuǎn)子鐵心外表面上用于提供徑向的磁通,并且較其他類型而言,該結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)有著較小的轉(zhuǎn)子直徑便相對(duì)可直接減小自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;另外,表面式永磁同步電機(jī)的相電感比較小,這是因?yàn)槠溆行庀兜拇笮∈堑扔趯?shí)際氣隙的大小與永磁材料的厚度之和,因此電流流經(jīng)定子所產(chǎn)生的磁鏈較小,由此可得結(jié)論,定子電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化可以忽略25。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)也可進(jìn)一步被轉(zhuǎn)子星輪a往復(fù)式壓縮機(jī) b渦旋式壓縮機(jī) c 單螺桿式壓縮機(jī) d 雙螺桿式壓縮機(jī) 圖2-1空