CN104092413A - 无刷电机相位超前角优化的方法、装置和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷电机相位超前角优化的方法、装置和控制系统，所述方法包括：检测电机的状态参数；获取电机的控制参数；根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位；能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

Description

无刷电机相位超前角优化的方法、装置和控制系统

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，尤其涉及一种无刷电机相位超前角优化的方法、装置和控制系统。

背景技术

无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。

无刷电机的绕组呈电感特性，因此绕组电流滞后于所施加的电压。所以通常设置一定的相位超前角以使得相电流与相应的反电动势同相，以达到提高电机输出扭矩和效率的目的。超前角的设置大致可分为直接和间接两种方式。反电动势的相位可以通过位置传感器确定，因此通过相电流的检测即可直接获得超前角信息。不过，通常直接的方式需要大量的计算资源，硬件成本较高，开发周期也较长。因此经常使用间接的方式，比如通过电机平均电流的检测来获得近似的超前角。

然而，目前常用的间接方式通常需要用户根据电机和负载的典型情况通过试验确定并固化所需的计算参数。例如在基于电机平均电流的自动超前角算法中采用固定的超前角偏置LA₀和增益k，在负载发生变化时，计算参数偏置LA₀和增益k不会随之变化，从而影响了该方法在电机控制方案中的通用性，在负载不断变化的应用场景中，如水泵中，会导致电机的性能受到影响，甚至容易出现电机飞车等异常现象。电机飞车具体指电机的转速和功率突然剧烈增加，尤其容易在电机空载或超前角过大时发生，而这会造成电机因过热而受损，甚至威胁人员安全。

发明内容

本发明实施例提供了一种无刷电机相位超前角优化的方法、装置和控制系统，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

第一方面，本发明实施例提供了一种无刷电机相位超前角优化的方法，包括：

检测电机的状态参数；

获取电机的控制参数；

根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

优选的，所述控制参数包括电机的线电压；所述状态参数包括电机转速；所述相位超前角计算参数为所述电机的线电压与所述电机转速的比值的函数。

优选的，在根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角之前，所述方法还包括：

获取所述电机的平均电流。

进一步优选的，所述相位超前角计算参数包括增益参数和偏置参数，所述根据所述增益参数和偏置参数优化所述电机的相位超前角具体为：

LA＝k·I_AVG+LA₀；

其中，LA为相位超前角，k为增益参数，I_AVG为电机的平均电流，LA₀为偏置参数。

第二方面，本发明实施例提供了一种无刷电机相位超前角优化的装置，其特征在于，所述装置包括：

检测单元，用于检测电机状态参数；

获取单元，用于获取电机的控制参数；

确定单元，用于根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

优化单元，用于根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

控制和驱动单元，用于根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

优选的，所述控制参数包括电机的线电压；所述状态参数包括电机转速；所述相位超前角计算参数为所述电机的线电压与所述电机转速的比值的函数。

优选的，所述装置还包括：

电流获取单元，用于获取所述电机的平均电流。

进一步优选的，所述相位超前角计算参数包括增益参数和偏置参数，所述优化单元具体用于：

LA＝k·I_AVG+LA₀；

其中，LA为相位超前角，k为增益参数，I_AVG为电机的平均电流，LA₀为偏置参数。

第三方面，本发明实施例还提供了一种相位超前角优化电路，包括上述第二方面所述的无刷电机相位超前角优化的装置。

第四方面，本发明实施例还提供了一种无刷电机控制系统，检测电路、控制电路和功率开关电路；

所述控制电路包括如上述权利要求9所述的相位超前角优化电路。

本发明实施例的无刷电机相位超前角优化的方法，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明实施例提供的一种无刷电机相位超前角优化的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种无刷电机相位超前角优化的装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种无刷电机相位超前角优化的装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的无刷电机控制系统的结构示意图。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种无刷电机相位超前角优化的方法，如图1所示，所述包括如下步骤：

步骤110，检测电机的状态参数；

具体的，电机的状态参数包括电机的转速；

与无刷电机相连接的控制模块对无刷电机的工作状态进行检测，从而获取电机当前的转速FG。

步骤120，获取电机的控制参数；

具体的，控制参数包括电机线电压Vs。

当使用脉冲宽度调制(PWM)技术控制电机时，电机线电压与所施加的PWM信号的占空比成比例。

步骤130，根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

具体的，以基于平均电路计算的相位超前角算法为例，相位超前角计算参数可以具体包括增益参数k和偏置参数LA₀，增益函数k和偏置函数LA₀都是与电机负载轻重相关的参数，而电机负载的轻重程度可以用电机线电压Vs和电机转速FG之比来表征，比值越大，负载越重；比值越小，负载越轻。因此增益函数k和偏置函数LA₀可以分别表示为：

k＝f(FG,Vs)   (式1)

LA₀＝g(FG,Vs)   (式2)

f(FG,Vs)和g(FG,Vs)分别为电机负载轻重的函数。

进一步的，f(FG，Vs)可以为Vs/FG的连续函数，或者可以由查表得到。

相位超前角计算参数并不限于增益参数k和偏置参数LA₀，还可能包括平均电流的二次方系数等其他参数。此处例举的增益参数k和偏置参数LA₀仅为一种具体的实施例，并非对本发明技术方案的限定。

步骤140，根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

具体的，仍以采用基于电机平均电流的自动相位超前角算法为例，相位超前角LA的计算公式可以为

LA＝k·I_AVG+LA₀   (式3)

其中，I_AVG为电机的平均电流。该平均电流时在相位超前角计算之前由控制模块获取的。

由此可知，在前述步骤130中，根据电机的负载得到的增益函数k和偏置函数LA₀，用于相位超前角的动态计算中，从而实现控制模块根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角的优化，使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化。

在计算得到动态优化的相位超前角之后，本发明实施例提供的方法还包括：

步骤150，根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

本发明实施例提供的无刷电机相位超前角优化的方法，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

相应的，本发明实施例二还提供了一种无刷电机相位超前角优化的装置，用以实现上述实施例一提供的方法。

如图2所示，本发明实施例提供的无刷电机相位超前角优化的装置包括：检测单元210、获取单元220、确定单元230、优化单元240和控制和驱动单元单元250。

检测单元210，用于检测电机状态参数；

获取单元220，用于获取电机的控制参数；

确定单元230，用于根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

具体的，所述控制参数包括电机的线电压；所述状态参数包括电机转速；相位超前角计算参数在一个具体的实施例中可以包括增益参数和偏置参数。所述增益参数和偏置参数分别为所述电机的线电压与所述电机转速的比值的函数。

优化单元240，用于根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

控制和驱动单元250，用于根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

可选的，所述装置还包括：

电流获取单元260，用于获取所述电机的平均电流。

具体各单元的功能与上述方法实施例中的各步骤一一对应，此处不再赘述。

在本发明实施例提供的无刷电机相位超前角优化的装置进行工作时，检测单元210检测电机的状态参数，得到电机转速；获取单元220获取电机的线电压；确定单元230根据电机转速和线电压确定相位超前角计算参；优化单元240根据相位超前角计算参数优化计算电机的相位超前角；控制和驱动单元250根据相位超前角调整施加于所述电机的激励信号的相位。

本发明实施例提供的无刷电机相位超前角优化的装置，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

图3为本发明实施例提供的一种无刷电机相位超前角优化的装置的示意图。图3示出了上述实施例2提供的装置的一种具体实现的硬件架构。所述装置包括：负载检测电路310、低通滤波器320、控制算法电路331、偏置LA₀调整电路332、增益k调整电路333、乘法器341、加法器342、控制和驱动电路350。

具体如图3所示：

负载检测电路310检测电机100的转速，结合控制参数表征电机负载的轻重程度，该轻重程度可以通过量化的表征因子或其他形式输出给控制算法电路331，并据此根据控制算法产生调整信号，分别对偏置LA₀调整电路332中的LA₀进行调整后输出，以及对增益k调整电路333中的增益k调整后输出。低通滤波器320对电机的母线电流进行低通滤波后得到电机的平均电流I_AVG，然后依次经过乘法器341和加法器342进行乘法、加法运算得到相位超前角LA。控制和驱动电路350根据得到的相位超前角调整施加于电机的激励信号的相位，以达到提高电机输出扭矩和效率的目的。

本发明实施例提供的无刷电机相位超前角优化的装置，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

相应的，本发明实施例还提供了一种无刷电机控制系统，如图4所示，所述控制系统包括：检测电路420、控制电路430和功率开关电路440。所述电机控制系统用于控制图中所示的电机410的运行。

其中，控制电路430包括了上述实施例二提供的无刷电机相位超前角优化的装置。

检测电路420、控制电路430和功率开关电路440可以具体由多颗芯片来实现，也可以是集成在一颗芯片中来实现。

电机410可以具体为永磁无刷直流电机，具体有定子和转子两部分组成，定子绕组可以是单相、双相或三相等，转子则由永磁体按一定的极对数组成。

检测电路420，用来检测无刷直流电机的转子磁极位置，为功率开关电路提供正确的换向信息。检测电路420将转子磁极的位置信号转换成电信号，经处理后控制绕组换相，使功率开关的导通顺序与转子转角同步。因此，检测电路420与功率开关电路440相配合，起着类似传统有刷直流电机的机械换向器和电刷的作用。检测电路420按照其是否安装位置传感器可分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式，即通过安装转子位置传感器来完成对转子位置的检测，其位置传感器的种类一般分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。除了安装位置传感器外，还可以通过检测与电机相关的各种信息量，处理计算后也可以得到电机的位置信号，即无位置传感器控制方式。

控制电路430，主要功能是控制功率开关电路440的导通组态，使电机定子绕组准确换相，确保直流无刷电机在运转过程中，使定子绕组产生的磁场与转子永磁极的磁场在空间中始终保持垂直，从而得到最大的转矩。此外，控制电路430还控制电机的转速、转向和转矩，以及完成对电机的各种保护。包括过流保护、过压保护、过温保护。此外还能实现本发明上述实施例中的相位超前角的优化。

功率开关电路440主要是指逆变电路，由功率开关器件组成，受控于控制电路430。

本发明实施例提供的无刷电机控制系统，能够根据电机负载的轻重程度自适应调整相位超前角优化的计算参数，从而使计算得到的相位超前角能够适应电机负载的变化，提高电机性能，同时避免电机轻载尤其是空载时出现飞车等异常现象。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。具体地，所述运算和控制部分都可以通络逻辑硬件实现，其可以是使用集成电路工艺制造出来的逻辑集成电路，本实施例对此不作限定。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷电机相位超前角优化的方法，其特征在于，所述方法包括：

检测电机的状态参数；

获取电机的控制参数；

根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参数包括电机的线电压；所述状态参数包括电机转速；所述相位超前角计算参数为所述电机的线电压与所述电机转速的比值的函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角之前，所述方法还包括：

获取所述电机的平均电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相位超前角计算参数包括增益参数和偏置参数，所述根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角具体为：

LA＝k·I_AVG+LA₀；

其中，LA为相位超前角，k为增益参数，I_AVG为电机的平均电流，LA₀为偏置参数。

5.一种无刷电机相位超前角优化的装置，其特征在于，所述装置包括：

检测单元，用于检测电机的状态参数；

获取单元，用于获取电机的控制参数；

确定单元，用于根据所述状态参数和所述控制参数确定相位超前角计算参数；

优化单元，用于根据所述相位超前角计算参数优化所述电机的相位超前角；

控制和驱动单元，用于根据所述相位超前角，调整施加于所述电机的激励信号的相位。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制参数包括电机的线电压；所述状态参数包括电机转速；所述相位超前角计算参数为所述电机的线电压与所述电机转速的比值的函数。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

电流获取单元，用于获取所述电机的平均电流。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相位超前角计算参数包括增益参数和偏置参数，所述优化单元具体用于：

LA＝k·I_AVG+LA₀；

其中，LA为相位超前角，k为增益参数，I_AVG为电机的平均电流，LA₀为偏置参数。

9.一种相位超前角优化电路，其特征在于，所述控制电路包括如上述权利要求5-8任一权项所述的无刷电机相位超前角优化的装置。

10.一种无刷电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：检测电路、控制电路和功率开关电路；

所述控制电路包括如上述权利要求9所述的相位超前角优化电路。