直线振荡电机控制方法及介质

1.本发明属于直线振荡电机频率控制领域，更具体地，涉及一种直线振荡电机控制方法及介质。


背景技术：

2.作为一种新型电机，直线振荡电机的运行特性与现有的大多电机都有着较大差别。由于其动子做高频直线往复运动，在运行中会出现电机推力与动子实时运动方向不一致的情况，导致有一部分推力并没有为动子的运动做功，从而严重影响其驱动的直线压缩机系统的运行效率。现有方法主要从获取电机的机械谐振频率入手，即在电机的机械谐振频率处，其电磁推力全部用于给动子的运动做正功。然而，直线振荡电机的负载为非线性的气体力负载，理论分析和实验结果均表明，直线压缩机在运行过程中，气体负载力会导致其谐振频率改变。此外，外部环境的改变也会影响到直线压缩机系统的谐振频率。
3.目前的方案大多采用不同的判定依据去尝试寻找系统的谐振频率，并通过调节电机的驱动频率去跟随其谐振频率，即谐振频率跟踪控制。但是，这类方法判定依据均没有明确有效的物理意义，算法收敛速度较慢，控制精度受多种因素影响，精度较低，且其控制依据的是系统处于稳态时的特性，故只能在系统达到稳态后再开始谐振频率的跟踪控制，导致系统整体响应速度较慢。除此之外，现有的各种谐振频率跟踪控制算法并没有推力控制部分，行程控制也仅是根据单调关系的定性控制。综上可知，对于直线振荡电机这种新型电机，需要一种响应快、精度高的效率优化控制算法，且可以同时直观地控制电机电磁推力，使电机的控制方案更加完善以应对不同工况的需要。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种直线振荡电机控制方法及介质，其目的在于跳过谐振频率，直接针对电机的运行效率和电磁推力进行控制，提高响应速度和控制精确度。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直线振荡电机控制方法，包括：s1，采集直线振荡电机的位移信号和电流信号，利用第一sogi处理所述位移信号，以及利用第二sogi处理所述电流信号，得到滤波后的位移信号、位移正交信号、滤波后的电流信号和电流正交信号；s2，基于位移与速度的积分关系，通过park变换，根据滤波后的位移信号、位移正交信号、滤波后的电流信号和电流正交信号，计算与速度信号同相位的电流分量iq和与速度信号正交的电流分量id；s3，将电流分量iq和iq给定值输入第一pi控制器，得到q轴电压给定值，将电流分量id和0输入第二pi控制器，得到d轴电压给定值；s4，对q轴电压给定值和d轴电压给定值进行反park变换，得到spwm的基波信号，并根据spwm的基波信号驱动直线振荡电机。
6.更进一步地，所述第一sogi的传递函数为：
[0007][0008][0009]
其中，d(s)为第一sogi输出通道一的传递函数，q(s)为第一sogi输出通道二的传递函数，v为输入第一sogi的信号，v1为第一sogi输出通道一输出的信号，v2为第一sogi输出通道二输出的信号，k为积分器增益，ω'为v的中心频率，s为传递函数参量。
[0010]
更进一步地，所述s2包括：基于位移与速度的积分关系，根据滤波后的位移信号和位移正交信号，计算动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦；通过park变换，根据滤波后的电流信号、电流正交信号以及动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦，计算电流分量iq和电流分量id。
[0011]
更进一步地，电流分量iq和电流分量id分别为：
[0012]
id＝i1cosθv i2sinθv[0013]iq
＝-i1sinθv i2cosθv[0014]
其中，i1为滤波后的电流信号，i2为电流正交信号，θv为动子运动速度与参考坐标系之间夹角。
[0015]
更进一步地，动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦为：
[0016][0017][0018]
其中，θv为动子运动速度与参考坐标系之间夹角，x1为滤波后的位移信号，x2为位移正交信号。
[0019]
更进一步地，还包括：根据滤波后的位移信号和位移正交信号计算动子振幅，并基于所述动子振幅进行pi处理，得到所述iq给定值。
[0020]
更进一步地，spwm的基波信号为：
[0021]
u＝uqsinθ
u-udcosθu[0022]
其中，u为spwm的基波信号，uq为q轴电压给定值，ud为d轴电压给定值，θu为上一时刻锁相环电压信号的相角。
[0023]
更进一步地，还包括：利用第二sogi处理spwm的基波信号，得到滤波后的基波信号和基波正交信号；根据滤波后的基波信号、基波正交信号以及上一时刻锁相环电压信号的相角，计算当前时刻锁相环的误差值；基于所述误差值进行pi调节，得到当前时刻锁相环电压信号的频率，并对所述频率进行积分、取余，得到当前时刻锁相环电压信号的相角。
[0024]
更进一步地，所述误差值为：
[0025][0026]
其中，error_f为所述误差值，u1为滤波后的基波信号，u2为基波正交信号，um为电压幅值，θu为上一时刻锁相环电压信号的相角。
[0027]
按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的直线振荡电机控制方法。
[0028]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0029]
(1)使用二阶广义积分器分别对电流和位移信号进行处理，并通过坐标变换得到分别与位移同相、正交的电流分量，利用正交的电流分量iq控制电机推力以控制行程，同时控制同向的电流分量id保持为零来实现电机效率优化，配合幅值计算、锁相环等功能模块，完成对直线压缩机系统的控制，实现了对直线压缩机系统的解耦控制，完成了电流的闭环控制，简化了电机模型，提高了其控制精度和动态响应速度；
[0030]
(2)加入了完整的电流环控制，有效的提高了控制系统的动态响应速度，与现有的谐振频率跟踪控制算法相对比，能够在系统尚未达到稳态时就完成电流重组计算，在电机变负载及变行程控制中，其响应速度均优于现有的谐振频率跟踪控制算法；
[0031]
(3)可以直接调节电机所输出的电磁推力，便于扩展直接推力控制、最大推力电流比/最大推力电压比控制等高级控制算法，以适应不同运行场合的需求，并更好地提高电机运行效率，与现有算法相比，具有更好的普适性和可移植性，同时，其未涉及复杂的运算模块，自身运算量较小，对控制芯片的要求较低，有着很好的扩展性；
[0032]
(4)相当于v-f控制到矢量控制，完成了对电机的解耦，简化了电机模型，进一步提高了系统的响应速度，且通过矢量变换重组的电压基波信号，有效的降低了电机启动时的尖峰电流，且在不影响电机启动特性的前提下减小了电机启动过程中的电流幅值，有利于降低硬件成本。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例提供的直线振荡电机控制方法的流程图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的直线振荡电机控制方法的控制框图；
[0035]
图3为本发明实施例提供的直线振荡电机控制方法与现有谐振频率跟踪控制算法，在电机启动及变载工况下的活塞振幅变化情况；
[0036]
图4为本发明实施例提供的直线振荡电机控制方法与现有谐振频率跟踪控制算法，在电机启动及变载工况下的系统驱动频率变化情况。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0039]
图1为本发明实施例提供的直线振荡电机控制方法的流程图。参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中直线振荡电机控制方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s4。
[0040]
操作s1，采集直线振荡电机的位移信号和电流信号，利用第一sogi处理位移信号，以及利用第二sogi处理电流信号，得到滤波后的位移信号、位移正交信号、滤波后的电流信
号和电流正交信号。
[0041]
直线振荡电机所驱动的直线压缩机的数学方程为：
[0042][0043][0044]
fe＝kii
[0045]
e＝kiv
[0046]
其中，fe为电机的电磁推力，m为电机动子质量，c与k分别为机械阻尼系数与弹簧弹性系数，f
l
为活塞所受到的气体负载力，ki为电磁推力系数，u为电机端电压，i为电机电流，e为电机反电动势，r为电机绕组电阻，l为电机绕组电感，x和v分别为活塞运动的位置与速度信息。
[0047]
第一二阶广义积分器(second-order general integrator，sogi)为改进型sogi，其传递函数为：
[0048][0049][0050]
其中，d(s)为第一sogi输出通道一的传递函数，q(s)为第一sogi输出通道二的传递函数，v为输入第一sogi的信号，v1为第一sogi输出通道一输出的信号，v2为第一sogi输出通道二输出的信号，k为积分器增益，ω'为v的中心频率，s为传递函数参量。当v的频率等于ω'时，v'与v幅值、相位一致，而qv'与v幅值相同、相位滞后90
°
。
[0051]
第二sogi为传统sogi，其传递函数为：
[0052][0053][0054]
第一sogi和第二sogi均可输出一对相互正交的信号，二者的区别在于：改进型sogi的两路输出通道均包含对低频信号的衰减效果，其对直流分量及低频干扰均有较好的滤除效果；传统sogi只有v'通道具有低频衰减效果，不能处理直流分量和低频干扰，但其在控制程序中的运算量相对较小。
[0055]
本发明实施例中，由于位移信号存在中心点偏移的情况，带有明显的直流分量，因此需要使用改进型sogi进行处理；而电流信号通常为不带直流分量的标准正弦信号，因此可采用传统sogi处理以减小控制程序的运算压力。两处均设置sogi的中心频率为锁相环中得到的电压信号频率ωu，即ω'＝ωu。
[0056]
设定初始状态位移相位为0，第一sogi处理后得到的滤波后的位移信号x1(t)、位移正交信号x2(t)为：
[0057][0058]
其中，xm为位移信号的幅值，ω为位移信号的角速度，t为时间。
[0059]
设定当前时刻电流与速度信号的相位差为α，由电机数学方程可得该相位差的表达式为：
[0060][0061]
第二sogi处理后得到的滤波后的电流信号i1(t)、电流正交信号i2(t)为：
[0062][0063]
其中，im为电流信号的幅值。
[0064]
操作s2，基于位移与速度的积分关系，通过park变换，根据滤波后的位移信号、位移正交信号、滤波后的电流信号和电流正交信号，计算与速度信号同相位的电流分量iq和与速度信号正交的电流分量id。
[0065]
根据本发明的实施例，操作s2包括子操作s21-子操作s22。
[0066]
在子操作s21中，基于位移与速度的积分关系，根据滤波后的位移信号和位移正交信号，计算动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦。
[0067]
具体地，由滤波后的位移信号、位移正交信号计算动子运动位移与参考坐标系夹角的正、余弦，即sinθ
x
、cosθ
x
：
[0068][0069][0070]
基于位移与速度的积分关系，可得到动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦：
[0071][0072][0073]
其中，θv为动子运动速度与参考坐标系之间夹角，x1为滤波后的位移信号，x2为位移正交信号。
[0074]
在子操作s22中，通过park变换，根据滤波后的电流信号、电流正交信号以及动子运动速度与参考坐标系之间夹角的正、余弦，计算电流分量iq和电流分量id。
[0075]
根据电机数学模型及其运行特性可得，两电流分量的表达式分别为：
[0076][0077]
其中，zm为等效机械阻抗，即|zm|表示为等效机械阻抗的模长，即
[0078]
由上式可知，通过坐标变化，可分别得到电机电流与活塞速度同相位分量的幅值iq，以及与活塞速度正交分量的幅值id。根据本发明的实施例，电流分量iq和电流分量id分别为：
[0079]
id＝i1cosθv i2sinθv[0080]iq
＝-i1sinθv i2cosθv[0081]
其中，i1为滤波后的电流信号，i2为电流正交信号，θv为动子运动速度与参考坐标系之间夹角。
[0082]
操作s3，将电流分量iq和iq给定值输入第一pi控制器，得到q轴电压给定值，将电流分量id和0输入第二pi控制器，得到d轴电压给定值。
[0083]
电机活塞振幅与上述电流分量id和iq的关系为：
[0084][0085]
基于此关系式可知，活塞振幅表达式与电流分量iq成正比，而与电流分量id无关，因此，操作s3通过振幅环和电流环，调节iq大小以达到控制振幅的效果。
[0086]
根据本发明的实施例，方法还包括：根据滤波后的位移信号和位移正交信号计算动子振幅，并基于动子振幅进行pi处理，得到iq给定值。动子振幅am为：
[0087][0088]
本实施例中，第一pi控制器的pi参数例如配置为iq_k
p
＝55、iq_ki＝1750；第二pi控制器的pi参数例如配置为id_k
p
＝50、id_ki＝850。
[0089]
操作s4，对q轴电压给定值和d轴电压给定值进行反park变换，得到spwm的基波信号，并根据spwm的基波信号驱动直线振荡电机。
[0090]
根据本发明的实施例，spwm的基波信号为：
[0091]
u＝uqsinθ
u-udcosθu[0092]
其中，u为spwm的基波信号，uq为q轴电压给定值，ud为d轴电压给定值，θu为上一时刻锁相环电压信号的相角。
[0093]
根据本发明的实施例，方法还包括以下操作s5
′‑
操作s5
″′
，用于计算当前时刻锁相环电压信号的相角，以供下一时刻的直线振荡电机控制使用，作为下一时刻中控制所需的θu。
[0094]
在操作s5
′
中，利用第二sogi处理spwm的基波信号，得到滤波后的基波信号和基波正交信号：
[0095][0096]
在操作s5
″
中，根据滤波后的基波信号、基波正交信号以及上一时刻锁相环电压信号的相角，计算当前时刻锁相环的误差值：
[0097][0098]
其中，error_f为误差值，u1为滤波后的基波信号，u2为基波正交信号，um为电压幅值，θu为上一时刻锁相环电压信号的相角。
[0099]
在操作s5
″′
中，基于误差值进行pi调节，得到当前时刻锁相环电压信号的频率，并对频率进行积分、取余，得到当前时刻锁相环电压信号的相角。
[0100]
本实施例中直线振荡电机控制方法的整体控制框图如图2所示。基于图2所示控制框图，选用的电机为定子永磁型双定子直线振荡电机，其额定功率为120w，额定工作频率为22.1hz，定子电阻为18.4ω，定子电感为0.755h，推力系数为28n/a，动子活塞质量为1.03kg，进行实验，结果如图3和图4所示。
[0101]
参阅图3和图4，可以看出，与传统控制算法相比，本发明实施例所提出的效率优化控制方案有着更快的频率响应，可以使电机更好的工作在其效率最高的运行状态。与此同时，本发明实施例所提出的控制方法也提升了电机的振幅响应速度，在电机启动指令发出后，仅用了传统控制算法约四分之一的时间，即可使电机活塞达到给定的振动幅值，且运行过程中活塞振幅相比于传统控制算法更加稳定。频率与振幅响应速度的提升很好的提高了电机运行的动态效率及运行可操控性，有效提升了电机的控制性能。
[0102]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1-图4所示的直线振荡电机控制方法。
[0103]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。