CN103956944A - 永磁同步电机带速启停控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种永磁同步电机带速启停控制系统，在电机以一定速度启动或停止时控制电机能够平滑地过渡，具有这样的特征，包括：启停信号输入部；计算部；存储部；判断部；以及控制部，与启停信号输入部、计算部、存储部和判断部分别相连接，在判断为电机无法平滑启动时控制电机调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机，在判断为电机无法平滑停止时控制电机缓慢调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm直至达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。

Description

永磁同步电机带速启停控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机带速时启动和停止能够平滑地过渡的永磁同步电机带速启停控制系统及永磁同步电机带速启停控制系统控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、易于维护的优点，在越来越多的领域得以应用，其运动是由于定子上的通电线圈产生了旋转的磁场，旋转的磁场带动转子转动形成的。而转子的转动又会在定子线圈中形成感应电动势。当带载电机在有速度的启动和停止过程中，由于电机所带的负载具有惯性，电机仍然会按照原来的速度运行，

定子线圈中的感应电动势不会立即改变，这一现象引起了电机的启停震动和制动感。例如在停止过程中，如果立即关闭电机，带载电机由于突然缺少前进的动力就会产生震动噪声；如果我们缓慢降低输出电压，然后再关闭电机，由于线圈中的感应电动势依旧保持不变，当电源电压不足以抵抗感应电动势的时候，电机就会产生制动效果。

目前一般的启停有两种方法：一是接收到启停信号就简单地开启或者切断电源，二是接收到启停信号后逐渐增加或者减小控制电压来开启和停止电机。然而这两种方法都不能完全解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机以一定速度启动或停止时控制电机能够平滑地过渡的永磁同步电机带速启停控制系统及永磁同步电机带速启停控制系统控制方法。

本发明提供的一种永磁同步电机带速启停控制系统，在电机以一定速度启动或停止时控制电机能够平滑地过渡，具有这样的特征，包括：启停信号输入部，用于输入启动电机的启动信号和停止电机的停止信号；计算部，用于计算电机的当前旋转周期值T，根据当前旋转周期值T通过预定第一计算公式计算出当前控制电压值U，再根据当前控制电压值U通过预定第二计算公式计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm；存储部，存储用于电机在启动时能够平滑地过渡的启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm及电机启动电压值U’，和电机在停止时能够平滑地过渡的停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm及电机停止电压值U”；判断部，用于在启动信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时判断为电机无法平滑启动，和用于在停止信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀与停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm不相等时判断为电机无法平滑停止；以及控制部，与启停信号输入部、计算部、存储部和判断部分别相连接，在判断为电机无法平滑启动时控制电机调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机，在判断为电机无法平滑停止时控制电机缓慢调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm直至达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。

在本发明中的永磁同步带速电机启停控制系统中，还具有这样的特征，包括：第一预定计算公式为U＝K₁+K₂/T。

在本发明中的永磁同步带速电机启停控制系统中，还具有这样的特征，包括：第二预定计算公式为U＝U₀*T₀/T_pwm。

本发明还提供了一种永磁同步电机带速启停控制方法，在电机以一定速度启动或停止时控制电机能够平滑地过渡，具有这样的特征，包括以下步骤：获取启动信号和停止信号；计算出电机的当前旋转周期值T，再根据第一预定计算公式U＝K₁+K₂/T计算出当前控制电压值U；再根据第二预定计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm计算出电机的当前脉冲宽度调制值T₀，其中，U₀是电机的电源电压值为常数，T_pwm为脉冲宽度调制周期值也为常数；当当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机；当当前脉冲宽度调制值T₀与停止脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整当前脉冲宽度调制值T₀达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。

在本发明中的永磁同步带速电机启停控制方法中，还具有这样的特征：其中，第一预定计算公式中的常数K₁和常数K₂的求值方法采用最小二乘法拟合得出。

发明作用和效果

根据本发明所涉及永磁同步电机带速启停控制系统及永磁同步带速电机启停控制方法，当启动信号或停止信号被从启停信号输入部输入后，计算部计算出电机的当前旋转周期值T，根据当前旋转周期值T通过预设第一计算公式计算出当前控制电压值U，再根据当前控制电压值U通过预设第二计算公式计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm。当电机被启动时，启动信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T0’/T_pwm不相等时判断部判断为电机无法平滑启动，控制部控制电机调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机；当电机被停止时，停止信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm不相等时判断部判断为电机无法平滑停止，控制部控制电机缓慢调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm直至达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。从而使得永磁同步电机无论在带速启动还是停止时能够平滑地过渡。

附图说明

图1是本发明在实施例中的永磁同步电机全桥式驱动电路示意图；

图2是本发明在实施例中的三相对称的静止绕组矢量变换示意图；

图3是本发明在实施例中的直线直流电机等效模型示意图；

图4是本发明在实施例中的实验拟合效果示意图；

图5是本发明在实施例中的永磁同步电机带速启停控制系统的结构框图；

图6是本发明在实施例中的永磁同步电机带速启停控制系统的启动动作流程图；以及

图7是本发明在实施例中的永磁同步电机带速启停控制系统的停止动作流程图。

具体实施方式

以下参照附图与实施例对本发明所涉及的永磁同步电机带速启停控制系统及永磁同步电机带速启停控制方法作详细的描述。

<实施例>

图1是本发明在实施例中的永磁同步电机全桥式驱动电路示意图。

图1中，绕组A、绕组B和绕组C组成三相对称静止绕组。永磁同步电机多采用全桥式功率驱动方式，把直流电逆变成对称三相交流电驱动电机旋转。

图2是本发明在实施例中的三相对称静止绕组矢量变换示意图。

图2-a中，三相对称静止绕组A、B、C，通过三相平衡的正弦电流时，产生的合成磁动势是旋转磁动势F，旋转速度ω。并且，二相、三相、四相等任意对称的多相绕组，接通以平衡的多相电流，都可以产生旋转磁动势F。图2-b中，两相静止交流绕组α、β，通过以时间上差90°的两相交流电流，也能产生旋转磁动势F。所以只要图2-a中的旋转磁动势F和旋转速度ω和图2-b中的旋转磁动势F’和旋转速度ω’都相等时，图2-b的两相交流绕组模型可以替代图2-a中的三相交流绕组模型。同理，图2-c中旋转直流绕组T、M产生的旋转磁动势F”和旋转速度ω”和图2-b中的旋转磁动势F’和旋转速度ω’相等时，图2-c的旋转直流绕组模型可以替代图2-b中的静止的两相交流绕组模型。

当用线速度v代替角速度ω，用长度L来代替处于磁场中的有效线圈总长，并且由于图2-c中的电流为直流电，线圈的电感可以不必考虑，则图2-c又可以用一个简单的直线直流电机模型来代替。

图3是本发明在实施例中的直线直流电机等效模型示意图。

根据直流电机等效模型示意图列出感应电动势e和控制电压U的公式；

e＝BLv＝[B₀+B(i_m)]Lv         (1)

U＝iR+e          (2)

其中，公式(1)中的B₀是永磁体产生的磁场强度为常数，B(i_m)是是励磁电流产生的磁场强度。

电机的控制过程中，因为当负载不变且控制不发生变化时励磁电流可以近视认为是一个常数，所以磁感应强度B也可以近似的看成一个常数，有效长度L也为一个常数，根据以上条件感应电动势公式可以改写为：

e＝BLv＝[B₀+B(i_m)]Lv＝K*ω＝K/T         (3)

其中，K为常数，T为电机旋转周期值，控制电压U的公式也可以更改为：

U＝iR+K/T        (4)

由于控制电压U和反电势e平衡时，电流较小，且电阻值R也不大，所以公式可以近似的等效为：

U＝K₁+K₂/T       (5)

其中，K₁和K₂为两个常数。

列出控制电压U与脉冲宽度调制值T₀/T_pwm的关系式公式：

U＝U₀*T₀/T_pwm      (6)

其中，U₀是电源电压为常数，T_pwm是脉冲宽度调制波的周期值也为常数，T₀是脉冲宽度调制波的占空比。

通过调整脉冲宽度调制波的占空比T₀来调整脉冲宽度调制值T₀/T_pwm从而采集在不同的控制电压U及在此控制电压U下的电机的旋转周期值T。采集完数据后带入公式(5)并用最小二乘拟合法求得常数K₁和K₂。

图4是本发明在实施例中的实验拟合效果示意图。

图4中曲线1为公式拟合图形，实验采用脉冲宽度调制波的周期值T_pwm为160微秒。曲线2为实验真实数据图形。横坐标为电机旋转周期值T，纵坐标为对应的脉冲宽度调制波占空比T₀。从图中可以看出曲线的拟合效果良好。

图5是本发明在实施例中的永磁同步电机带速启停控制系统的结构框图。

如图5所示，本实例中的控制系统100包含启停信号输入部1、计算部2、存储部3、判断4和控制部5。

启停信号输入部1用于输入启动电机的启动信号和停止电机的停止信号。

当控制部接收到从启停信号输入部1传输来的启动信号或停止信号时，计算部2计算电机的当前旋转周期值T，根据当前旋转周期值T通过预定第一计算公式U＝K₁+K₂/T，即公式(5)，其中K₁、K₂为常数，计算出当前控制电压值U，再根据当前控制电压值U通过预定第二计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm，即公式(6)，其中U₀是电源电压为常数，T_pwm是脉冲宽度调制波的周期也为常数，计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm。

存储部3，存储用于电机在启动时能够平滑地过渡的启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm及电机启动电压值U’，和电机在停止时能够平滑地过渡的停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm及电机停止电压值U”.

在启动信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，判断部4判断为电机无法平滑启动；在停止信号被输入时并且当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm不相等时，判断部4判断为电机无法平滑停止。

控制部5，与启停信号输入部1、计算部2、存储部3和判断部4分别相连接，在判断为电机无法平滑启动时，控制电机调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm，则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机；在判断为电机无法平滑停止时，控制电机缓慢调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm直至达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm，则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。

图6是本发明在实施例中的磁同步电机带速启停控制系统的启动动作流程图。

如图6所示，控制系统100的启动动作流程，包括如下步骤：

步骤S1-1：

接收到启动信号后进入步骤S1-2。

步骤S1-2：

若电机速度接近零，则进入步骤S1-3；若电机速度不接近零，则进入步骤S1-4。

步骤S1-3：

正常启动电机，然后进入结束状态。

步骤S1-4：

计算当前旋转周期值T，再根据第一预定计算公式U＝K₁+K₂/T计算当前控制电压值U后进入步骤S1-5。

步骤S1-5：

将计算出的当前控制电压值U带入第二预定计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm后进入步骤S1-6。

步骤S1-6：

控制部5将当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm调整为启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm后进入S1-7。

步骤S1-7：

开启电机，然后进入结束状态。

图7是本发明在实施例中的磁同步电机带速启停控制系统的停止动作流程图。

如图7所示，控制系统100的停止动作流程，包括如下步骤：

步骤S2-1：

接收到停止信号后进入步骤S2-2。

步骤S2-2：

若电机速度接近零，则进入步骤S2-3；若电机速度不接近零，则进入步骤S2-4。

步骤S2-3：

正常停止电机，然后进入结束状态。

步骤S2-4：

计算当前旋转周期值T，再根据第一预定计算公式U＝K₁+K₂/T计算当前控制电压值U后进入步骤S2-5。

步骤S2-5：

将计算出的当前控制电压值U带入第二预定计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm后进入步骤S2-6。

步骤S2-6：

控制部5将当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm缓慢调整为停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm后进入S2-7。

步骤S2-7：

若当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm等于停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm时，则进入步骤S2-8；若当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm不等于停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm时，则返回步骤S2-6。

步骤S2-8：

停止电机，然后进入结束状态。

实施例的作用与效果

根据实施例所涉及永磁同步电机带速启停控制系统及永磁同步电机带速启停控制方法，获取启动信号或停止信号后，计算出电机的当前旋转周期值T，在根据第一预定计算公式U＝K₁+K₂/T，其中K₁和K₂是常数并通过最小二乘法拟合求得，计算出当前控制电压值U，再根据再根据第二预定计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm计算出电机的当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm。当当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U’进而再启动电机；当当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与停止脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则当前控制电压值U达到电机启动电压值U”进而再停止电机。从而使得永磁同步电机在带速启动和停止时能够平滑地过渡。

上述实施例为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机带速启停控制系统，在所述电机以一定速度启动或停止时控制所述电机能够平滑地过渡，其特征在于，包括：

启停信号输入部，用于输入启动所述电机的启动信号和停止所述电机的停止信号；

计算部，用于计算所述电机的当前旋转周期值T，根据所述当前旋转周期值T通过预定第一计算公式计算出当前控制电压值U，再根据所述当前控制电压值U通过预定第二计算公式计算出当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm；

存储部，存储用于所述电机在启动时能够平滑地过渡的启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm及所述电机启动电压值U’，和所述电机在停止时能够平滑地过渡的停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm及所述电机停止电压值U”；

判断部，用于在所述启动信号被输入时并且所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与所述启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时判断为所述电机无法平滑启动，和用于在所述停止信号被输入时并且所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与所述停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm不相等时判断为所述电机无法平滑停止；以及

控制部，与所述启停信号输入部、所述计算部、所述存储部和所述判断部分别相连接，在判断为所述电机无法平滑启动时控制所述电机调整所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到所述启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则所述当前控制电压值U达到所述电机启动电压值U’进而再启动所述电机，在判断为所述电机无法平滑停止时控制所述电机缓慢调整所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm直至达到所述停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则所述当前控制电压值U达到所述电机启动电压值U”进而再停止所述电机。

2.根据权利要求1所述的永磁同步带速电机启停控制系统，其特征在于，还包括：

所述第一预定计算公式为U＝K₁+K₂/T。

3.根据权利要求1所述的永磁同步带速电机启停控制系统，其特征在于，还包括：

所述第二预定计算公式为U＝U₀*T₀/T_pwm。

4.一种永磁同步电机带速启停控制方法，在所述电机以一定速度启动或停止时控制所述电机能够平滑地过渡，其特征在于，具有以下步骤：

获取启动信号和停止信号；

计算出所述电机的当前旋转周期值T，再根据第一预定计算公式U＝K₁+K₂/T计算出所述当前控制电压值U；

再根据第二预定计算公式U＝U₀*T₀/T_pwm计算出所述电机的当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm，其中，U₀是所述电机的电源电压值为常数，T_pwm为脉冲宽度调制周期值也为常数；

当所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到所述启动脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm则所述当前控制电压值U达到所述电机启动电压值U’进而再启动所述电机；

当所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm与停止脉冲宽度调制值T₀’/T_pwm不相等时，调整所述当前脉冲宽度调制值T₀/T_pwm达到所述停止脉冲宽度调制值T₀”/T_pwm则所述当前控制电压值U达到所述电机启动电压值U”进而再停止所述电机。

5.根据权利要求2所述永磁同步电机带速启停控制方法，其特征在于：

其中，所述第一预定计算公式中的常数K₁和常数K₂的求值方法采用最小二乘拟合法。