空调永磁同步压缩机控制系统研究

论文摘要

随着家用空调的不断普及,空调耗能不断增加,空调节能刻不容缓。在家用空调的各种节能技术中,永磁同步电机（PMSM）变频驱动压缩机是家用空调节能技术发展的主流方向,因此,空调无传感器永磁同步电机压缩机（PMSM压缩机）驱动控制技术成为研究核心和热点课题。很多人对无转子位置传感器PMSM和直流无刷电机（BLDCM）的驱动控制进行了大量的研究,能满足家用空调应用的并不多。尽管现有不少PMSM变频驱动的空调系统在市场销售,但其驱动控制的核心技术都以专利的形式进行保护或保密技术不予公开。本文根据空调PMSM压缩机电机和负载的特点,分别对各种无转子位置传感器IPMSM位置检测方法进行分析、仿真和实验研究,分别提出了一种适合空调PMSM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。针对单缸压缩机低速负载转矩脉动,给出了负载力矩观测和补偿的方法。本文还研究了降低方波驱动噪声的方法,并设计了基于方波驱动和正弦波驱动的两款PMSM压缩机驱动控制器。本文研究的主要内容如下:通过对反电动势过零直接位置检测方法的分析、仿真和实验比较,指出了两类反电动势过零直接位置检测方法的优缺点;提出一种基于线电压深度滤波位置检测方法,该方法具有位置检测误差小、对载波频率不敏感、换相位置误差易于补偿、可用于各种PWM调制方式等优点;针对IPMSM压缩机凸极效应对转子位置的影响,通过理论推导,给出位置检测补偿方法,有效提高了位置检测的准确度和驱动的可靠性。给出了一种基于线电压的离散式转子位置检测的方波驱动PMSM压缩机的控制方法,通过对四种PWM调制方式对PMSM压缩机噪声影响的分析、仿真和实验,指出PWM-ON调制方式能有效降低压缩机噪声:针对单缸旋转式压缩机低频振动问题,提出了一种简单的负载力矩观测方法和补偿方法,解决了窗机使用单缸旋转式压缩机的难题;提出了一种广角波驱动控制方法,降低了压缩机转矩脉动,减小了压缩机噪声。提出了一种基于“id=0”的滑模观测器（SMO）转子位置观测模型,实现了IPMSM的转子位置观测,并进行了仿真和实验,该方法可用于凸极率和反电动势不高的压缩机的驱动控制;提出了一种基于PLL的状态观测器位置估算方法,通过在假定坐标系上建立数学模型进行反电动势估算,用PLL实现假定坐标系对真实转子位置的跟踪,并采用扩展反电动势方法提高位置估算精度。基于PLL状态观测器位置估算算法实现了PMSM压缩机的矢量控制,采用MTPA电流控制方法,提高了PMSM压缩机效率,结合MTPA实现了PMSM压缩机的弱磁控制;针对矢量控制的特点和要求,给出了一种基于周期变化负载基波分量的单缸旋转式压缩机低速负载力矩观测和补偿方法,并成功应用于两匹马力PMSM压缩机的驱动控制系统。本文分别就方波驱动方式和正弦波驱动方式设计了两款直流空调压缩机驱动控制器,并成功应用于产品,获得大规模批量投放市场:设计了一个部分斩波功率因数校正电路和算法,输入电流谐波控制满足IEC标准限值;给出了一个通过简单的测量和计算获取PMSM压缩机电机参数的方法,并系统地给出控制器主要参数的设计计算方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空调PMSM压缩机及电机的特点
• 1.3 PMSM压缩机运行的基本原理
• 1.3.1 方波驱动运行原理
• 1.3.2 正弦波驱动运行原理
• 1.4 国内外研究概况
• 1.4.1 国外研究概况
• 1.4.2 国内研究概况
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 方波驱动压缩机转子位置检测方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于反电动势过零位置检测原理
• 2.3 反电动势过零直接检测方法
• 2.3.1 反电动势过零检测原理
• 2.3.2 PWM开通过零检测法
• 2.3.3 PWM关断过零检测法
• 2.3.4 三次谐波检测法
• 2.4 线电压深度滤波位置检测方法
• 2.4.1 端电压深度滤波位置检测原理
• 2.4.2 线电压深度滤波位置检测实现方法
• 2.4.3 线电压深度滤波位置检测仿真及实验
• 2.5 方波驱动位置检测方式比较分析
• 2.5.1 反电动势过零直接检测位置误差分析
• 2.5.2 反电动势过零检测法与线电压深度滤波法的比较
• 第三章 正弦波驱动压缩机转子位置检测方法
• 3.1 引言
• 3.2 PMSM电压磁链方程
• 3.2.1 αβ坐标系数学模型
• 3.2.2 dq坐标系数学模型
• 3.3 基于反电动势的连续位置检测方法概述
• 3.3.1 代数计算方法
• 3.3.2 观测器方法
• 3.3.3 锁相控制技术
• 3.4 基于滑模观测器的位置检测方法
• 3.4.1 基于SMO的位置检测原理
• 3.4.2 基于SMO位置检测仿真与实现
• 3.5 基于PLL的状态观测器位置检测方法
• 3.5.1 基于PLL的状态观测器位置检测原理
• 3.5.2 基于PLL的状态观测器位置检测仿真与实验
• 3.6 基于观测器位置检测方法比较分析
• 第四章 PMSM压缩机方波控制系统
• 4.1 引言
• 4.2 方波驱动控制系统实现
• 4.2.1 方波驱动系统的实现结构
• 4.2.2 电枢反应位置补偿
• 4.2.3 PMSM压缩机方波驱动起动方法
• 4.3 方波驱动噪声和振动控制
• 4.3.1 不同PWM调制方式的换相电流噪声分析
• 4.3.2 方波驱动低速负载力矩补偿方法研究
• 4.4 基于离散位置检测的广角波驱动
• 4.4.1 PMSM的电磁转矩脉动
• 4.4.2 广角波驱动的基本原理
• 4.4.3 广角波驱动仿真及实现
• 4.5 方波驱动总结
• 第五章 PMSM压缩机矢量控制系统
• 5.1 引言
• 5.2 PMSM矢量控制原理
• 5.2.1 PMSM数学模型的坐标变换
• 5.2.2 PMSM矢量控制原理
• 5.3 PMSM压缩机MTPA控制和弱磁控制
• 5.3.1 MTPA控制
• 5.3.2 弱磁控制
• 5.4 矢量控制方式下的低速力矩补偿
• 5.4.1 负载力矩的观测
• 5.4.2 低速负载力矩补偿
• 5.5 PMSM压缩机矢量控制系统
• 5.5.1 矢量控制系统构成
• 5.5.2 控制器参数设计
• 5.5.3 压缩机起动方法
• 5.5.4 电机参数测量
• 5.6 PMSM压缩机矢量控制总结
• 第六章 PMSM空调压缩机控制器实现
• 6.1 引言
• 6.2 PMSM压缩机驱动控制器的构成
• 6.2.1 方波控制器
• 6.2.2 正弦波控制器
• 6.2.3 PMSM压缩机控制器样机系统
• 6.3 压缩机电流检测方法
• 6.3.1 压缩机电流检测原理
• 6.3.2 电流检测电路设计
• 6.4 部分斩波PFC实现
• 6.4.1 部分斩波PFC原理
• 6.4.2 部分斩波PFC测试结果
• 6.5 系统控制参数设计
• 6.5.1 系统参数的设计
• 6.5.2 主回路器件参数的选择
• 6.5.3 保护参数的设置
• 6.6 PMSM空调压缩机驱动控制器总结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的论文
• 攻读博士学位期间参与完成的科研工作
• 攻读博士学位期间获奖情况
• 致谢