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压缩机用永磁同步电机转速脉动的抑制

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随着永磁同步电机在压缩制冷系统中的广泛应用,如何抑制其低速范围内转速脉动成为了研究的重点.本文从转速脉动产生的机理出发,针对转速脉动周期性的特点,提出了一种新的自适应控制算法.该控制算法在传统的PI控制器上并联一个可变频率谐振控制器,构成自适应比例谐振控制器.从而使得参考转矩电流是由PI控制器产生的主要参考电流与谐振控制器产生的补偿电流一起构成的.由于补偿转矩电流的作用,使得电磁转矩能够更好地跟踪负载转矩,以此达到对转速脉动的抑制.最后对使用传统PI控制器和比例谐振(PI-resonance,PI-RES)控制器的两种算法进行了对比实验分析,实验结果验证了该控制算法的有效性.

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控制理论与应用

Control

No．1l

第30卷第11期

2013年11月

Vbl．30

Nov．2013

Theory＆Applications

DoI：10．7641，CTA．2013．30227

压缩机用永磁同步电机转速脉动的抑制

磊

张文娟t，黄守道，高剑，肖

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

摘要：随着永磁同步电机在压缩制冷系统中的广泛应用，如何抑制其低速范围内转速脉动成为了研究的重点．本

文从转速脉动产生的机理出发，针对转速脉动周期性的特点，提出了一种新的自适应控制算法．该控制算法在传统

的PI控制器上并联一个可变频率谐振控制器，构成白适应比例谐振控制器．从而使得参考转矩电流是由PI控制器产

生的主要参考电流与谐振控制器产生的补偿电流一起构成的．由于补偿转矩电流的作用，使得电磁转矩能够更好

地跟踪负载转矩，以此达到对转速脉动的抑制．最后对使用传统PI控制器和比例谐振(PI．resonance，PI-RES)控制器

的两种算法进行了对比实验分析，实验结果验证了该控制算法的有效性．

关键词：制冷压缩系统；永磁同步电动机；转速脉动：谐振控制器：自适应控制

中图分类号：TM92l

文献标识码：A

Suppression

speed ripples

motorfor

permanentmagneticsynchronous

compressor application

ZHANG_{Wen—iuanX，HUANG}

Electrical andInformation

Lei

Shou—dao，GAO Jian，XIAO

Hunan

410082，China)

(College

University,Changsha

Engineering，Hunan

Abstract：When

the

permanent magnetic synchronous

motors(PMSM)to

applying

refrigerant system，the suppres—

sion of

of the PMSM in low—feed

becomes the focus of consideration．We start with the

range

speed ripples

generation

this control

mechanism and the

characteristics of

periodical

control

adaptive algorithm．In

the

speed ripples

propose

algorithm，we place frequency

variable resonance controller in

with the conditional

and

parallel

proportion

integral(PI)

controller tO form

current

the resonance con· ·

PI-· resonance(PI-RES)controller．The compensation torque

generated by

troller and

existence

main

current

the PI controller

the

constitute reference

current．Because of the

the

reference

generated

torque

compensation torque current，the electromagnetic torque

the are of the

the

variation of the

can

the

load

torque

PI controller

PI-RES

indices

conventional

and the

perfectly，thus

controller

speed ripples

suppressed．Performance

^arecompared

through experimental investigations．The

and evaluated

results validate the effectiveness of the

proposed algorithm．

Key words：refrigerant system；PMSM；speedripples；resonant controller；adaptive

control

环控制，参数的细微变化将会导致更大的转矩脉动，

引言(Introduction)

永磁同步电动机因其具有高转矩比、高功率密

所以该方法对永磁同步电动机(permanentmagnetic

synchronousmotors，PMSM)参数的精度以及对转矩

脉动的特性要求非常高．文献[5]提出了一种在线负载

转矩补偿的控制方法，该方法的实现需要进行复杂的

傅里叶变换．文献【6-7]提出了迭代学习控制与PI控制

相结合的控制方法，但该方法的运算量非常大，这就

会由于时间延迟而引起误差．文献[8】提出了一种重复

控制和PI控制相结合的控制方案，但由于重复控制的

特点，该方案在非周期性扰动时会产生错误信号，因

此必须先进行扰动的判断，如何选取阈值对控制器的

控制性能有很大的影响．

度、结构可靠、控制性能优良等特点，在化工、轻

纺、家电等领域的应用非常广泛【11．近年来，随着压缩

制冷系统对性能和效率的要求越来越高，以永磁同步

电动机取代传统的感应电机来构成压缩机的驱动系

统已经成为一种趋势．但要进一步提高整个制冷系统

的效率，还有一些问题需要解决．其中最显著的就是

永磁同步电动机在其低速范围内的转速脉动以及由

此带来的低频噪声和震动问题[21．对于如何在低速时

抑制永磁电机的转速脉动成为了当前的研究热点．文

献[3_4】用负载转矩补偿器来减小转速脉动，因为是开

收稿日期：2013—03--20；收修改稿日期：2013--05—28．

t通信作者．E．mail：．com．

基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2011DFA62240)；国家“十二五”科技支撑计划重点资助项目(2012BAZ02072)；湖南省国际科技合作

专项资助项目(201 IWK2012)．

万方数据

1423

第1 1期

张文娟等：压缩机用永磁同步电机转速脉动的抑制

速；A。为永磁体的磁链．

本文针对设计额定转速为157rad／s，功率6．3kW

的永磁同步电机驱动的压缩机系统，在对转速脉动产

生的机理以及特性进行了深入的分析，提出了一套新

的控制方案，可以实现制冷压缩机的低速平稳运行．

首先对压缩机负载转矩波形进行傅里叶分析，发现负

载转矩脉动是近似于正弦变化的周期信号，其频率是

转子角频率的2倍．针对这一特性，提出了基于比例谐

振控制器的控制策略，分别在传统的速度环和电流环

的PI控制器上并联一个谐振控制器．利用谐振控制器

可以使与其谐振频率相同的正弦信号实现零稳态误

差控制的特点【91，调整谐振控制器的谐振频率为转矩

脉动的频率来实现对制冷压缩系统低速运行中的转

速脉动进行抑制．实验结果验证了本文所提方法的有

效性．

运用转子磁场定向，id=0的控制方法，得到电磁

转矩的表达式：

(2)

冠=百opiA。iq=ktiq，

式中：正为电动机的电磁转矩；p为电动机的极对数；

凫。为转矩常数；电动机的机械转速可以用式(3)表示：

(3)

警=i1(E—TL—Bmwm)，

式中：u。为电动机的机械转速；Jm为转子惯量；死为

负载转矩；B。为粘性系数．

通过位置与转速的微分关系，可以得到转子位置

的表达式

。1儿’

(、4√)

孥：‰

d芒

conventional PI

2传统PI控制(The

contr01)

式中口。为转子的位置角．

为了建立永磁同步电动机在同步旋转坐标系下的

数学模型，首先假设：1)忽略电动机铁心饱和；2)不

计电动机涡流和磁滞损耗；3)定子三相电流产生的空

间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形．永磁同步

电动机在同步旋转坐标系下的电压方程为

传统的永磁同步电动机的控制框图如图l所示．

从控制框图可以看出，在采用转子磁场定向矢量

控制策略时，速度环采用PI控制器得到转矩电流的指

令值，同时在同步旋转坐标系下对d，口轴电流环采用

PI控制器实现励磁电流与转矩电流的解耦控制．但传

统PI控制器只能对直流信号进行无差控制，当转矩电

流中含有其他频率较高的脉动时，PI控制器不能产生

有效的电流指令对其进行补偿．要消除这些转速脉动

就必须先对其产生的机理及特性进行研究，再根据研

究结果提出新的控制策略．

卜愿荫“d爹～W钔

I驴砜地鲁帆础d帆k¨ ’

式中：Vd茎Jd轴电压；Vq为q轴电压；R。为定子阻抗；id，

iq为d，q轴电流；Lo，Lq为d，g轴电感；u。为同步电角

图1 PMSM传统控制框图

The conventional control

of PMSM

diagram

Fig．1

3压缩机用PMSM转速脉动的特性(The^cha—

in PMSM for

um(s)：孥，

(5)

(6)

Jm5

racteristic of the

speed

tipple

其中

compressor application)

△Tm=瓦一死．

mechanism

the

3．1转速脉动产生的机理(The

speed

ripple)

从式(5)可以看出，转速脉动是由△％引起的．

在高速范围内是由于L对电机转速的影响比较大，

由△％引起的转速脉动不是很大，但在低速范围内

通常粘性系数B。非常的小，可以忽略不计．电

动机的转速与转矩的传递函数为

万方数据

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