高于额定频率的单缸压缩机谐波振动自动补偿控制技术研究.pdf

Articles论文50 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424高于额定频率的单缸压缩机谐波振动自动补偿控制技术研究Research on automatic compensation control technology for harmonic vibration of single cylinder compressor above rated frequency任新杰 李太龙REN Xinjie LI Tailong广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528333Guangdong Meizhi Compressor Co.,Ltd.Foshan 528333摘 要：研究并分析了单缸压缩机高于额定频率时的振动噪声产生的基本机理。以机理分析、理论推导作为设计基础，将伺服电控领域的电流谐波抑制技术引入单缸压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波的自动补偿方案。结合压缩机实际负载特性和驱动系统特性，深入分析振动谐波抑制方法系统函数和控制框图，并进一步给出了优化控制参数的具体设计方法。最后，使用Simulink软件，设计了单缸压缩机高于额定频率的电流谐波自动补偿方案的模型，仿真试验中，3次谐波的频谱分析结构从36.8 dB降低到了11.5 dB，仿真结果及实验测试数据的对比验证了单缸压缩机在高于额定频率时的电流谐波自动补偿方案的有效性；并进行了实验验证，明确了算法有效性。关键词：单缸压缩机；高频振动；谐波抑制；自动补偿 Abstract:Studied and analyzed the basic mechanism of vibration and noise generation of single cylinder compressors above rated frequency.Based on mechanism analysis and theoretical derivation,the current harmonic suppression technology in the fi eld of servo electronic control is introduced into the automatic compensation scheme for vibration harmonics of single cylinder compressors operating at frequencies higher than the rated frequency.Based on the actual load characteristics and driving system characteristics of the compressor,a thorough analysis of the vibration harmonic suppression method system function and control block diagram is conducted,and a specifi c design method for optimizing control parameters is further provided.Finally,using Simulink software,a model of the automatic compensation scheme for current harmonics above the rated frequency of a single cylinder compressor was designed.The effectiveness of the automatic compensation scheme for current harmonics above the rated frequency of a single cylinder compressor was verifi ed,in simulation,the FFT result of third harmonic decline from 36.8 dB to 11.5 dB,comparison of simulation results and experimental test data;And experimental verifi cation was conducted to clarify the eff ectiveness of the algorithm.Keywords:Single cylinder compressor;High frequency vibration;Harmonic suppression;Automatic compensation 中图分类号：TB652 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.05.0080 引言随着中国社会的不断发展，中国人的消费能力和需求不断提高，空调已经成为人们的必需品，空调的使用量也越来越大。人们对空调提出了更多的要求，其中空调的振动噪声问题成为关注的热点。这就使得家用空调在研发设计中，对减振降噪的要求越来越高。在空调系统中，压缩机是产生噪声的主要部件之一，特别是单缸压缩机产生的噪声更大，但由于成本问题单缸压缩机目前还是使用最广泛的压缩作者简介：任新杰，硕士学位。研究方向：压缩机驱动。联系地址：广东省佛山市顺德区南霞新路1号广东美芝制冷设备有限公司。E-mail：。机。单缸压缩机的基本工作原理是偏心曲轴带动滚动活塞做周期性的旋转运动。由于压差的影响，单缸压缩机腔体内部从吸入口将制冷剂气体吸入，然后进行压缩，当制冷剂气体达到一定压力后，气体冲开压力阀排出。单缸压缩机重复进行周期性吸入、压缩和排出这一过程，在这个过程中，气体压力的变化也会导致转矩产生周期性变化，这是引起单缸压缩机振动的根本原因。通常情况下，单缸压缩机的变频驱动控制系统都要在额定频率以下的频率段增加低频力矩补偿模Articles论文 51家电科技 Vol.5 2023 Issue 424块，以此来抑制压缩机低频的振动，保证压缩机在低频工况的带载能力。某些小排量单缸压缩机在额定频率以上运行时也会产生高频谐波噪声，明显影响听感。具体表现为产生较明显噪声谐波分量与振动谐波分量。国内外一些学者已经针对振动噪声问题展开了结构和控制等方面的研究。例如，张德金等人分析了电机电磁力形成的原因，并进行了电机电磁力密度的仿真实验，在压缩机的噪声频谱上验证了噪声改善的有效性，为分析压缩机噪声提供了有效的方法1；Li等人则对噪声产生原因进行了分析，并指出，0阶空间电磁力波是整数槽永磁同步电机产生振动噪声的主要原因2；Tseng等人通过有限元等来分析永磁体磁场的方法，从电机设计的角度入手，提出了改进方法用以削弱谐波分量3；师蔚等人则研究了向电机驱动电流中注入谐波的方法，并得到了注入7次谐波时大幅削弱振动噪声的结果4。目前，业内对电机的要求已经不局限于性能，可靠性和对产品舒适度的影响也在逐渐变得重要，因此振动噪声问题也正逐年受到重视。上述研究中，结构方法虽然能更加逼近噪声产生的本源，但是通过控制的方法却具有更加直观的效果以及更低廉的实现成本，因此，本文将从控制的角度对振动噪声问题展开研究。从控制器角度进行分析：第一，对于压缩机运行在高于额定频率的气体脉动，控制器的驱动算法中，电流环的PI设置及转速环PI设置带宽较低，无法准确跟踪到压缩机运行在高于额定频率时的周期性转矩脉动信号；第二，在相同的高于额定频率时的周期性转矩脉动情况下，小排量压缩机因其转动惯量较低，加剧了转速波动，导致压缩机运行在高于额定频率时会产生出较大振动和噪声谐波。目前现有电控方案无法自动地对高频振动产生的谐波进行抑制，需要研究新的自动补偿的控制器方案、设计软件算法，实现单缸压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波的自动补偿，解决噪声和振动问题。对此，本文在对旋转式压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波产生的根本机理分析的基础上，以理论推导分析为基础，将伺服控制器领域的振动谐波抑制技术5-6引入相关的谐波补偿技术，结合压缩机实际负载特性和驱动系统特性。提出了单缸压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波自动补偿方案，并进行了仿真和实验验证。1 控制系统概述1.1 单缸压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波机理分析单缸压缩机的负载特性，即气体转矩周期性波动，且压缩机运行的周期与该负载波动的周期相一致。因此，受到单缸压缩机的负载特性的影响，压缩机的运行转速也出现周期性波动现象。对单缸压缩机周期性负载转矩进行傅里叶级数7转换：（1）其中，TL0：单缸压缩机一个周期内的平均转矩，：单缸压缩机一个周期内转速的平均值，n：转速第几阶谐波。结合单缸压缩机的运动方程：（2）单缸压缩机每个周期的速度可以划分为波动转速和平均转速两部分，即：（3）对该速度信号进行傅里叶转换得：（4）在控制器的驱动算法中，通过位置观测器观测到一个速度信号，表达式如下：（5）对以上公式分析可以得出，单缸压缩机的转速的第n阶次谐波与负载转矩的第n阶次谐波相应，并因此而产生第n阶次谐波的振动和噪声。对于一个周期的高阶次谐波信号，一方面由于传统家电的控制器采用电阻采样的无位置控制器算法的速度环PI调节器，带宽受到限制且相位滞后，不可能只通过优化速度带宽等参数来完成对压缩机运行在高于额定频率时的转速谐波抑制。所以需要研究新的控制器驱动算法方案，以实现对压缩机运行在高于额定频率时的振动噪声的有效抑制。1.2 高于单缸压缩机额定频率的振动噪声抑制方案分析通过1.1节的机理分析可知，如果能够解决第n阶次谐波的速度波动就能解决单缸压缩机高于额定频率时的噪声。将抑制第n阶次谐波的带来的速度波动为控制目标。根据单缸压缩机的运动方程，抑制转速波动的最有效方案就是控制器输出转矩和单缸压缩机的负载转矩波动同步。即满足：（6）对转矩方程FFT展开得：（7）根据公式（7）和控制器驱动算法可以得出控制器输出的电流指令值为：（8）考虑到电流环很难通过简单的增大带宽来实现高频谐波的有效控制。所以设计振动谐波自动补偿方法采用电压前馈补偿的方法，在Articles论文52 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424电压上增加前馈补偿信号，实现快速的动态响应，来达到目的。图1是高频振动自动补偿控制方案方框图，图中系统根据单缸压缩机运行在高于额定频率时的振动谐波机理分析搭建，控制框图除了控制器驱动算法中的各个控制器模块外，还包含了速度谐波提取技术模块和谐波自动补偿模块。本方案的理论推导和设计细节在后续章节会进行分析和验证。2 高于额定频率的振动谐波自动补偿控制模块理论分析和设计传统的PI调节器不能对周期性波动信号进行无静差跟踪，谐振调节器在谐振频率点具有无穷大增益的优点且零相位延迟，因此可以对任意频率的信号实现无静差跟踪8-9。因为谐振调节器的以上优点，其被广泛的应用于电网不平衡谐波的消除。因此可使用谐振调节器对单缸压缩机进行振动谐波抑制，在传统的PI调节器的基础上，并联上比例谐振调节器，对阶跃信号进行无静差跟踪。而在实际应用过程中，为了整个控制系统具有良好的稳定性，提出了如下的准比例谐振调节器传输函数：（9）其中，Kp：比例增益；0：谐振频率，c：滤波带宽，kir：谐振增益。笔者基于连续域设计了谐振调节器的传递函数，在数字实现过程中对其进行离散化是非常关键的步骤。不同于传统的PI调节器，比例谐振调节器对于其离散化的方式要求很高，因为非常窄的频率带和足够大的增益，它们对离散化的方式非常敏感，谐振点的偏移会损失性能，相角裕度的畸变极端情况会直接导致系统的不稳定。常规的离散化方法应用前向/后向欧拉离散方法，或者前向和后向的结合，这种方法的最大优点是可以自适应频率变化，即谐振频率可调，但是这种离散化方法会影响谐振调节器的性能。相关研究文献证明，带预修正的双线性变换离散化方式效果是较优的，本方案设计使用带预修正的双线性变换方法对谐振调节器进行离散化处理。对谐振参数的设定和离散化方式均可通过其传递函数的伯德图来分析，应用仿真软件进行相应的伯德图绘制如图2、图3所示。图2 Prewarp（预修正）Tustin法对谐振调节器离散化图3 参数对谐振调节器频域特性影响从图2对谐振调节器进行离散化后的伯德图对比分析可以看出，使用频率预修正的Tustin变换离散方法进行谐振调节器的数字实现，能非常理想地逼近连续域的频谱特性。从伯德图曲线可以看出，幅值特性和相位特性曲线都和连续域重合，谐振频率点的高增益和零相位延迟都达到了非常理想的效果。从图3对谐振调节器的不同控制参数进行相应伯德图对比分析可以看出，加大滤波器频率c，谐振调节器的频带被相应展宽，谐振频率以外的频率范围的选频特性会变差，相应的相角畸变也会加大。而加大谐振增益kir可以实现谐振频率点的高增益特性，但是过大的谐振图1 高频振动自动补偿控制方案方框图Articles论文 53家电科技 Vol.5 2023 Issue 424增益会引入谐振频率点附近的干扰。因此，要结合实际系统中的谐振频率点抗干扰能力和系统的稳定性来综合设计合理的控制参数。根据以上方案的具体设计和分析，基于比例谐振调节器的高频振动谐波抑制框图设计如图4所示。图4 基于比例谐振调节器的高频振动谐波抑制框图3 高频振动谐波自动补偿控制方案仿真模型及实验验证3.1 高频振动谐波自动补偿控制仿真根据以上高频振动谐波自动补偿方案理论设计，对应建立仿真模型和仿真实验。仿真验证方案理论设计的正确性，仿真频率Ts=1/7000 s，仿真步长设置为仿真频率的二十分之一。为了模拟压缩机波动负载特性对回转速度的影响，在仿真模型中加入高频基波的n次谐波负载转矩，此处以n等于3为例进行仿真实验对比分析。在仿真中，设置压缩机转速从零转速升速到90 Hz（5400 r/min），同时相应加入3次谐波负载转矩模型，运行仿真程序，压缩机回转速度仿真结果如图5、图6所示。对转速波动信号进行仿真，如图7所示。从仿真结果可以看出，加入以3次谐波负载转矩为主的高频谐波转矩后，压缩机的回转速度相应的产生明显谐波成分。通过频谱分析结果可以看出，3次谐波达到了36.8 dB。按照方案设计，搭建基于比例谐振调节器的高频振动谐波抑制算法仿真模型如图8所示。图7 压缩机转速波动频谱图（FFT）图8 基于比例谐振调节器的高频振动谐波抑制算法仿真模型图其中，比例谐振调节器PR参数设计基于前面章节的频域分析方法进行设计，和三角坐标变换频域等效。进行高频振动谐波抑制算法仿真实验，可以得到比例谐振调节器的高频振动谐波抑制算法仿真实验结果如图9、10所示。从图9和图10中可知，通过比例谐振调节器的高于单缸压缩机额定频率的振动谐波抑制方案，合理设置PR参数，3次谐波将下降到11.5 dB。实验结果验证了以上高于单缸压缩机额定频率的振动谐波抑制算法方案的有效性，在合理的设计控制参数条件下，高频速度谐波抑制效果比较显著。3.2 实验验证结果对以上方案进行设计，在瑞萨芯片上用C语言实现软件设计，并在压缩机测试台位上进行验证，验证了该方案的有效性，在测试过图5 压缩机转速信号仿真结果图图6 压缩机转速信号仿真结果图（90 Hz放大图）（下转58页）Articles论文58 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424证了端环高度下降后电密基本无变化；进一步分析了绕组端部漏磁对端环杂散损耗的影响，提出端环高度增加存在效率下降的可能，端部三维涡流分析验证了端环高度增加，感生涡流和涡流区域增加，效率有恶化趋势。以量产电机为例，实验对比了不同端环高度的电机单体和压缩机能效，实测结果表明：端环降低后，能效略有提升，验证了分析结果的正确性，端环高度减低增大了转子和引出线的安全间隙，为小型化压缩机的品质改善提供了技术借鉴。参考文献1 叶容君,陈涛,尹诗华.定速旋转式压缩机拍频声分析与改善J.家电科技,2021(03):82-85.2 汤蕴璆.电机学（第五版）M.北京:机械工业出版社,2014.3 Kim D W,Jung H K.Three-dimensional resistance calculation in end ring of induction motor by fi nite-element methodJ.IEEE Transactions on Magnetics,2000,36(06):3932-3938.4 陈世坤.电机设计（第二版）M.北京:机械工业出版社,2004.5 Cheaytani J,Benabou A,Tounzi A,et al.End-Region Leakage Fluxes and Losses Analysis of Cage Induction Motors Using 3-D Finite-Element MethodJ.IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(03):1-4.（责任编辑：张晏榕）程中，单缸压缩机的储液器部件的回转振动明显降低；其中，在90 Hz工况下，对基频处的压缩机吸入口与储液器等部位的振动有较大改善，改善幅度约64.2%。4 结论本文的方法对单缸旋转式压缩机高频谐波带来的振动进行了有图9 压缩机转速信号仿真结果图（90 Hz放大图）图10 转速频谱图（FFT）-（基于比例谐振调节器）效抑制；以理论推导分析为设计基础，将伺服电控领域的振动谐波抑制技术引入压缩机振动谐波补偿，结合压缩机实际负载特性和驱动系统特性，深入分析谐波振动成因，提出了比例谐振控制器抑制的方法，在实际应用中采取对电压进行前馈补偿。在Simulink环境下建立了单缸压缩机高于额定频率时的振动谐波自动补偿控制系统的仿真模型，通过合理的设计仿真实验，最终仿真结果及数据说明了高频振动谐波抑制算法方案的有效性。并对算法进行了软件程序实现，在合理的设计控制参数条件下，高于额定频率时的速度谐波抑制效果比较显著，回转振动下降60%以上，通用性推广性强，为后期压缩机高频振动谐波抑制提供了理论依据及具体解决方案；后续会在不同机型上进行验证，并且会在空调系统上确认噪声效果。参考文献1 张德金,江波,邱小华.变频空调压缩机电机的振动噪声优化研究J.家电科技,2022(04):16-1924.2 LI Xiaohua,ZHANG Lifeng,YING Hongliang,et al.Study of suppression of vibration and noise of PMSM for electric vehiclesJ.IET Electric Power Applications,2020,14(07):1274.3 Tseng K.J,Wee S.B.Analysis of fl ux distribution and core losses in interior permanent magnet motorJ.IEEE Transactions on Energy Conversion,1999,14(04):969-9754 师蔚,靳荣华.基于扩展卡尔曼滤波的永磁电机热网络参数辨识J.电机与控制学报,2020,24(12):106-112.5 李毅拓,陆海峰,瞿文龙,等.基于谐振调节器的永磁同步电机电流谐波抑制方法J.中国电机工程学报,2014,34(03):420-430.6 廖勇,甄帅,刘刃,等.用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动J.中国电机工程学报,2011,31(21):119-127.7 Y.Yang,K.Zhou,F.Blaabjerg.Enhancing the frequency adaptability of periodic current controllers with a fixed sampling rate for grid connected power convertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(10):7273-7285.8 D.N.Zmood,D.G.Holmes.Stationary Frame Current Regulation of PWM Inverters with Zero Steady State ErrorJ.IEEE PESC,1999(02):1185-1190.9 C.A.Busada,S.G.Jorge,J.A.Solsona.Resonant current controller with enhanced transient response for grid-tied invertersJ.IEEE Trans.Ind.Electron,2018,65(04):2935-2944.（责任编辑：张晏榕）（上接53页）