一种转速控制方法及汽车空调压缩机用同步电机与流程

1.本发明涉及同步电机技术领域，尤其涉及一种转速控制方法及汽车空调压缩机用同步电机。


背景技术：

2.随着世界范围内节能降耗技术的积极推广，变频空调因为其独特的优点逐步受到市场的关注，被比作空调心脏的压缩机系统也越来越成为研究的一个热点问题。
3.由于变频器供电的特点以及压缩机运行的特殊性，普通的异步电机往往会出现效率低、噪音大等问题，难以达到较好的运行性能。永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。和异步电机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各方面获得越来越广泛的应用，正向大功率、高功能化和微型化发展。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速控制，因此永磁同步电机矢量控制系统在变频空调中的应用也引起了广泛关注。
4.矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟，直流电机本身具有良好的解耦性，它可以分别通过控制其电枢电流和励磁电流来达到控制电机转矩的目的。在传统的永磁同步电机的控制中，为了得到转子的精确位置和速度，最常用的方法在转子轴上安装机械式的速度传感器，但是在变频空调器中，永磁同步电机处于密封的压缩机内，压缩机内的温度超过120摄氏度，且充满强腐蚀性的高压制冷剂，无法安装速度传感器。
5.在无速度传感器矢量控制的永磁同步电机—空调压缩机负载系统中，由于负载转矩的大范围变化，导致了同步电机速度的波动，可能会使同步电机处于失步状态，如果同步电机长时间处于失步状态，会把压缩机绕组或者励磁装置损坏，导致压缩机无法正常工作。
6.鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种转速控制方法及汽车空调压缩机用同步电机，使其更具有实用性。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种转速控制方法及汽车空调压缩机用同步电机，从而有效解决背景技术中的问题。
9.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种转速控制方法，包括如下步骤：获取压缩机内制冷剂在每一个控制周期内的实际流量；根据所述实际流量，获取同步电机转子在每一个控制周期的实际转速，建立实际
转速-时间的关系函数；获取每一个控制周期对同步电机转子施加的电流给定频率，建立给定频率-时间的关系函数；根据实际转速-时间的关系函数和给定频率-时间的关系函数，对当前控制周期的电流给定频率叠加补偿频率，抑制同步电机的转速波动。
10.进一步地，所述获取同步电机转子在每一个控制周期的实际转速，包括如下步骤：测定同步电机转子旋转一周时，带动压缩机内制冷剂的单位流量q，q单位为ml/r；计算同步电机转子的实际转速vs，，vs单位为r/s，其中，qs为制冷剂在一个控制周期内的实际流量，单位为ml，t为时间，单位为s。
11.进一步地，通过当前所述给定频率fg确定当前控制周期对转子的给定转速vg，，其中，p为磁极对数，给定频率fg单位为hz，给定转速vg单位为r/s，若当前控制周期的所述实际转速与所述给定转速差值超过设定阈值时，关闭同步电机。
12.进一步地，所述补偿频率fb为：，其中，，p为磁极对数， 为实际转速-时间的关系函数， 为给定频率-时间的关系函数，t为时间，k为比例系数，ti为积分系数，td为微分系数。
13.进一步地，在第一个控制周期开始时，对转子施加一给定频率后，检测制冷剂开始流动的时间点，计算出两者之间时间的滞后值，根据所述滞后值对转子初始位置进行估算。
14.进一步地，测定同步电机转子在一固定频率下，一个控制周期内从静止开始运动的速度-时间曲线和转动角度-时间曲线，在第一个控制周期时，对转子施加的给定频率为所述固定频率，根据所述滞后值与转动角度-时间曲线，确定转子在转动至压缩机开始吸气时转动的角度，对转子初始位置的角度值进行估算。
15.本发明还包括一种同步电机，包括转子、定子和控制模块，所述控制模块在运行时，使用如上述的转速控制方法。
16.进一步地，所述控制模块对转速进行控制时，通过矢量控制系统控制运行，所述矢量控制系统包括变频器，所述变频器连接至多相定子绕组，所述多项定子绕组构成星型绕组或三角形绕组，所述星型绕组或所述三角形绕组分别用于驱动所述电机以不同频率状态运行。
17.本发明还包括一种汽车空调用压缩机，包括如上述的同步电机和压缩模块，所述同步电机驱动所述压缩模块进行旋转，所述压缩模块吸气口处设置有流量计，所述流量计对制冷机流量进行检测，并将信号输入所述控制模块。
18.本发明的有益效果为：本发明通过获取压缩机内制冷剂在每一个控制周期内的实际流量，将制冷剂的流量转变为同步电机转子的实际转速，在对同步电机进行控制时，同步电机的转速与电流频率相关，获取每个控制周期对转子施加的给定频率，就能得到给定转
速，对之前所有控制周期的实际转速和给定转速进行比较，在当前控制周期的电流给定频率上叠加补偿频率，进行闭环控制，抑制同步电机的转速波动，从而有效的避免同步电机处于失步状态，对压缩机绕组或者励磁装置进行保护，保证压缩机工作的稳定性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明方法的流程图。
21.图2为当实际转速与给定转速超过设定阈值时的方法流程图；图3为获取转子初始位置角度的方法流程图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.如图1所示：一种转速控制方法，包括如下步骤：获取压缩机内制冷剂在每一个控制周期内的实际流量；根据实际流量，获取同步电机转子在每一个控制周期的实际转速，建立实际转速-时间的关系函数；获取每一个控制周期对同步电机转子施加的电流给定频率，建立给定频率-时间的关系函数；根据实际转速-时间的关系函数和给定频率-时间的关系函数，对当前控制周期的电流给定频率叠加补偿频率，抑制同步电机的转速波动。
24.通过获取压缩机内制冷剂在每一个控制周期内的实际流量，将制冷剂的流量转变为同步电机转子的实际转速，在对同步电机进行控制时，同步电机的转速与电流频率相关，获取每个控制周期对转子施加的给定频率，就能得到给定转速，对之前所有控制周期的实际转速和给定转速进行比较，在当前控制周期的电流给定频率上叠加补偿频率，进行闭环控制，抑制同步电机的转速波动，从而有效的避免同步电机处于失步状态，对压缩机绕组或者励磁装置进行保护，保证压缩机工作的稳定性。
25.在本实施例中，获取同步电机转子在每一个控制周期的实际转速，包括如下步骤：测定同步电机转子旋转一周时，带动压缩机内制冷剂的单位流量q，q单位为ml/r；计算同步电机转子的实际转速vs，，vs单位为r/s，其中，qs为制冷剂在一个控制周期内的实际流量，单位为ml，t为时间，单位为s。
26.由于在压缩机对制冷剂进行循环时，同步电机转子每转一圈，所带动的制冷机的流量是固定的，这个流量值只与压缩机的腔体结构相关，与电机转速无关，所以只需测定同步电机转子旋转一周时，制冷剂的单位流量，后续压缩机正常工作时，对控制周期内的制冷剂实际流量进行测试，即可得到转子的实际转速，解决了转子轴体上由于工作环境恶劣，无
法安装机械式的速度传感器的问题，减小同步电机的负载，而气体流量计存在非接触式的流量计，可在不接触介质的情况下对流量进行检测，从而无需直接接触强腐蚀性的高压制冷剂。
27.如图2所示，通过当前给定频率fg确定当前控制周期对转子的给定转速vg，
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，其中，p为磁极对数，给定频率fg单位为hz，给定转速vg单位为r/s，若当前控制周期的实际转速与给定转速差值超过设定阈值a时，关闭同步电机。
28.通过给定频率可以得到对转子施加的给定转速，如果当前转子的实际转速与给定转速之间差值较大时，可能会导致同步电机处于失步状态，所以当差值超过设定阈值a时，关闭同步电机，对其进行保护。
29.作为上述实施例的优选，补偿频率fb为：，其中，，p为磁极对数， 为实际转速-时间的关系函数，为给定频率-时间的关系函数，t为时间，k为比例系数，ti为积分系数，td为微分系数。
30.在确定补偿频率时，通过闭环算法，建立补偿频率关于控制周期时间的函数，进行比例、积分和微分的控制，缩小转子实际转速与给定转速之间的误差，从而抑制转子的速度波动，避免同步电机处于失步状态。
31.由于对同步电机的矢量控制是对直流电机的严格模拟，所以同步电机转子的初始位置也是很重要的参数，在传统的无速度传感器的同步电机控制中，通常都是先模糊转子的初始位置，然后给定一个固定磁场，强制转子转动到给定的位置上，再维持上面的状态，给定一个固定负载转矩，同时给定从零速以固定加速度上升的转速和角度，产生一个加速旋转的磁场，迫使转子跟随给定旋转磁场加速转动，当转子转速达到一定速度后，估算出转子的位置信息，此时才能将同步电机接入负载，这种转子的位置信息估算造成同步电机启动速度慢，需要较长时间来对转子的位置进行估算。
32.如图3所示，在本实施例中，在第一个控制周期开始时，对转子施加一给定频率后，检测制冷剂开始流动的时间点，计算出两者之间时间的滞后值，根据滞后值对转子初始位置进行估算。
33.其中，测定同步电机转子在一固定频率下，一个控制周期内从静止开始运动的速度-时间曲线和转动角度-时间曲线，在第一个控制周期时，对转子施加的给定频率为固定频率，根据滞后值与转动角度-时间曲线，确定转子在转动至压缩机开始吸气时转动的角度，对转子初始位置的角度值进行估算。
34.由于压缩机中吸气口的位置固定，转子旋转到压缩模块经过吸气口时，才会对制冷机开始吸气压缩的循环流程，所以只需事先在一个模拟负载中进行测试，测定出同步电机转子在一个固定频率下，其起步的速度-时间曲线和转动角度-时间曲线，后续同步电机在压缩机中无法使用速度传感器时，在每次启动同步电机时，第一个控制周期都对其施加这个固定频率，检测施加电流频率后到制冷剂开始流动的时间的滞后值，这个滞后值即代
表转子从起步的位置旋转到压缩模块经过吸气口时的时间，此时通过事先测定出的转动角度-时间曲线，即可算出转子的初始位置的角度，使得同步电机启动速度更快，能够更快的接入负载，之后再对转速波动进行抑制，保证压缩机工作的稳定性和快速响应。
35.本实施例中还包括一种同步电机，包括转子、定子和控制模块，控制模块在运行时，使用如上述的转速控制方法，抑制同步电机的转速波动，从而有效的避免同步电机处于失步状态，对压缩机绕组或者励磁装置进行保护，保证压缩机工作的稳定性。
36.其中，控制模块对转速进行控制时，通过矢量控制系统控制运行，矢量控制系统包括变频器，变频器连接至多相定子绕组，多项定子绕组构成星型绕组或三角形绕组，星型绕组或三角形绕组分别用于驱动电机以不同频率状态运行。
37.本实施例中还包括一种汽车空调用压缩机，包括如上述的同步电机和压缩模块，同步电机驱动压缩模块进行旋转，压缩模块吸气口处设置有流量计，流量计对制冷机流量进行检测，并将信号输入控制模块，对压缩机绕组或者励磁装置进行保护，保证压缩机工作的稳定性。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
40.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
41.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
42.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。