CN105897108A - 自控电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机技术领域，尤其是涉及一种自控电机，包括有定子、转子、电机输出检测模块、主控制系统、转子控制系统，电机输出检测模块检测电机工作参数并输出，主控制系统内置的主控MCU通过定子功率驱动单元控制定子，以及接收来自电机输出检测模块输出的工作参数信号，以此对定子调整控制；转子控制系统依据主控制系统提供的转子状态参数启动，转子控制系统内置的转子控制MCU通过转子功率驱动单元控制转子。本发明采用电机内部自控式工作，依据转子力矩变化，采用不同的工作频率点，给定子以最佳驱动特性，适用于频段在500Hz‑10KHz工作，频率高，线圈少，导磁截面积小，节省材料，制作成本低，性价比及可靠性突出。

Description

自控电机

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，尤其是涉及感应电动机技术领域。

背景技术

电动机的用途非常广泛，型号和种类也很多，使用最普遍的为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机，但这两类电动机都存在一定的缺陷：一是速度、力矩不可调，转换效率低；二是电动机工作在50Hz低频，制作时硅钢片的截面积要求很大，且需要很多线圈绕组，电动机体积大，电阻大，温度高，电动机在启动、过载、断相和堵转时，电流很大，大量的电能转换成热能消耗掉了，浪费大量的电能，加速电机老化，定子易损坏，缩短电机使用寿命；三是工作频率低，定子与转子间隙的磁阻大，消耗电能，功率因素低。现在使用的直流电动机，因为是电刷换向，易产生磨损微粒。交流异步电动机虽然使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。变频电动机具有良好的速度控制特性，但价格昂贵。因此，研制一种运转方向、速度、力矩可调、电能消耗小，功率因素高，节能、经济的感应电动机就成为人们研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种自控电机，依据转子力矩变化，采用不同的工作频率点，给定子以最佳驱动特性，实现节能、经济，效率高，且环保、可靠。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

自控电机，包括有定子和转子，还包括有：

一电机输出检测模块，该电机输出检测模块检测电机工作参数并输出；

一主控制系统，该主控制系统内置的主控MCU通过定子功率驱动单元控制定子；主控制系统接收来自电机输出检测模块输出的工作参数信号并分析处理后转换获得转子转速信号和力矩的变化信号，以此对定子调整控制；

一转子控制系统，该转子控制系统依据主控制系统提供的转子状态参数启动，转子控制系统内置的转子控制MCU通过转子功率驱动单元控制转子。

所述主控制系统和转子控制系统之间所述采用光电或电磁方法无线输出传送信号，这样主控MCU的控制信号就可以向运动的转子输送控制参数。

所述主控制系统中还设有定子检测电路单元，该定子检测电路单元主要是把定子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集并传输给主控MCU，主控MCU分析处理后出指令控制定子。

所述主控制系统中还设有交直流供电源或S-PFC模块，藉此电机的工作电源可以来自单或三相交流电，也可以从直流电源获取能量工作；S-PFC模块是在使用交流电情况下，作有源功率因数补偿。

所述转子控制系统中还设有转子参数检测单元，此单元电路主要是把转子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集，并将其输送转子控制MCU，转子控制MCU分析处理后出指令控制转子。

所述光电或电磁方法无线输出传送信号是连接主控制系统上的红外发射器和连接转子控制系统的接收器件，接收器件通过转子状态参数信号解码连接转子控制系统。

所述定子功率驱动单元的中频设计频段在500Hz-10KHz。

所述电机输出检测模块是一测速装置，安装在电机输出轴上，用于检测电机转速，并输出速度信号给主控制系统。

本发明采用电机内部自控式工作，依据转子力矩变化，采用不同的工作频率点，给定子以最佳驱动特性，适用于频段在500Hz-10KHz工作，功率因素高达0.92以上，且频率高，线圈少，导磁截面积小，节省材料，制作成本低，相比同功率同转矩的电动机：材料耗用量少，效率可提高5%-10%，运行可靠及维护方便，具有广阔的市场前景；应用于工业、汽车、民用等领域，性价比及可靠性突出。

附图说明：

附图1为本发明其一实施例方框图；

附图2为本发明的结构示意图；

附图3为本发明的加电初始化流程图；

附图4为本发明的启动到预设转速之前的工作流程图；

附图5为本发明负载变化工作流程图；

附图6为本发明闭环自控原理图。

具体实施方式：

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

参阅图1~6所示，本发明有关一种自控电机，包括有定子1和转子2，定子1和转子2配合组装在电机外壳中，转子2固定连接电机输出轴9；以及还包括一电机输出检测模块5，该电机输出检测模块5检测电机工作参数（如转速、力矩、功率）并输出；一主控制系统3，该主控制系统3内置的主控MCU31通过定子功率驱动单元32控制定子1；主控制系统3接收来自电机输出检测模块5输出的工作参数信号并分析处理后转换获得转子转速信号和力矩的变化信号，以此对定子1调整控制；一转子控制系统4，该转子控制系统4依据主控制系统3提供的转子状态参数启动，转子控制系统4内置的转子控制MCU41通过转子功率驱动单元42控制转子2。本实施例优选主控制MCU采用芯片型号为：STM32F103R8T6，转子控制MCU采用芯片型号为：STM8S103K3，是欧洲意法半导体公司的芯片方案。

本发明中，优选主控制系统3和转子控制系统4之间所述采用光电或电磁方法无线输出传送信号，这样主控MCU的控制信号就可以向运动的转子输送控制参数。具体是连接主控制系统3上的红外发射器6和连接转子控制系统4的接收器件7，接收器件7通过转子状态参数信号解码8连接转子控制系统4。所述主控制系统3中还设有定子检测电路单元33，交直流供电源34、S-PFC模块35及用户界面，该定子检测电路单元33主要是把定子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集并传输给主控MCU，通过主控MCU出指令。电机的工作电源可以来自单或三相交流电，也可以从直流电源获取能量工作；S-PFC模块35是在使用交流电情况下，作有源功率因数补偿。

本实施例中，所述转子控制系统4中还设有转子参数检测单元43，此单元电路主要是把转子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集，并将其输送转子控制MCU41，通过转子控制MCU41出指令。

本实施例中，所述电机输出检测模块5优选是一测速装置，安装在电机输出轴9上，用于检测电机转速，并输出速度信号给主控制系统。

具体的自控电机系统框图（图1）内各部分单元主要的功能描述如下：

1、测速装置：

测速装置通过光电的方法，把电机转速作精确检测，同时这个转速信号也给主控制部分提供了转子力矩变化的信号，由主控MCU对转子转速信号和力矩的变化信号作出数字处理。

2、交直流供电源：

电机的工作电源可以来自交流<单或三相>，也可以从直流电源获取能量工作。

3、S-PFC模块：

这一模块的工作是，对于使用交流电情况下，作有源功率因数补偿，进一步减小电机的转入电流，使电机系统在交流条件下最大化有效利用交流电能，同时，降低对电机的谐波污染，使电机功率同步提高到>0.92以上，THD<5％。

4、定子功率驱动：

定子功率驱动单元的中频设计频段在500Hz-10KHz，在电机不同工作状态下，为提高电机机械特性和效率，采用不同的工作频率点，给定子以最佳驱动特性，定子的所有动态参数均按照主控MCU定的指令运作。

5、定子参数检测：

该检测电路单元，主要是把定子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集并传输给主控MCU，通过主控MCU出指令。

6、转子状态参数释放信号：

这一单元主要是把由主控MCU传送来的目标转速参数和力矩信号转换为光或磁场信号，以无线的方式传送到转子的控制方法。

7、用户界面：

用户可通过直接界面将电机的参数转入到电机主控MCU，电机变会按照用户指定的模式运行。还可通过用户数据界面，与客户设备管理交流连接，实现电机与用户设备交流的自动运行。

8、定子：

定子是电机动力产生的重要部分，给转子提供特定的磁场能量，使转子获得相应的扭矩工作。

9、转子参数检测：

此单元电路主要是把转子工作的电参数如电流、电压、频率、相位等参数采集，并将其输送转子控制MCU。

10、转子状态参数信号解码：

主要对主控MCU的指令进行解码传送给转子控制MCU。

11、转子功率驱动：

这一单元实现对转子的功率调节，并接受到转子控制MCU的指令后，按照主控MCU设定的参数运转。

12、转子：

转子是电动机的动力产生重要部分，在定子的磁场能量的作用下，最终通过转子将机械功输出。

13、转子控制MCU：

是转子部分的核心控制，由这来调节整个转子的工作状况。

14、主控MCU：

主控MCU室整个自控电机的核心，由它来统一调节和管理整个系统的工作，包括用户的操作，比如定速、变速、转矩调整、电机反转运行、定时操作以及按特定的曲线操作等等。

15、隔离发送与接收：

采用光电或电磁方法无线输出传送信号，这样主控MCU的控制信号就可以向运动的转子输送控制参数，专利择机采用了红外发射和接收器件。

具体自控电机控制系统主要工作流程如下：

1、系统工作原理描述：

系统加电后，主控电源工作，整个主控稳定之后，主控MCU会向定子发送一个初始化转子的指令，启动定子功率驱动单元，这样定子首先产生启动转子电路工作的磁场，能通过定子和转子之间的间隙，把磁场能传递给转子。这时，转子首先利用定子的磁场，转换为转子控制子系统供电电源工作。转子控制MCU处于等待接受来自主控系统的指令，转子从接受磁能到处于等待状态时间T2比较短，系统上电完成，如图3所示。其中，如果用户作了现场设置，主控MCU依据该设置工作，如果用户没有作现场设置，主控MCU则依据已经记忆的预先设置工作。

主控MCU向定子发送初始化转子的指令后，延迟时间T1，且T1>T2，T1时间结束后，开始通过光电或电磁的方法，由红外发射器6和接收器件7配合工作，穿过空气向转子发送用户预设指令（包括用户通过数据端口向本系统发送的电机工作指令），同时主控也给定子功率驱动单元发送相应的启动指令，这时定子和转子在收到指令后工作，其中相关的定子运行参数便反馈到主控MCU，对电机进行精确安全的启动操作，另外测速装置也同时将电机的力矩变化和转速变化反馈到主控MCU，在转速未达到用户设置转速之前，这一段进程就是电机初始运行过程。

另外，对最大扭矩Tmax制定，以系统最大允许电流作控制对象，即Tmax=K1*Iin，其中，K1为电机系统的综合因子，是增益参数，Iin是系统电源输入的最大电流值。

这一过程是电机从N=0RPM开始工作，到正常预设转速N0[RPM]之前，如图4所示。主控制系统和转子控制系统初始化完成，则电机进入工作，否则返回图3所示的初始化过程。

当电机转子转速达到预设值N=N0时，转速N0就是最终的控制目标值，即保持N0恒定。当然，随负载的变化，这是转矩T就需要作动态补偿。但是补偿过程中，T≤Tmax，即不可以超过电机设计的最大扭矩值Tmax，在恒转速N0的条件下，电机处于正常的自控运行，当以转速段N0运转过程中，用户对电机作了N0`的设置，则系统就会通过自调节，以最短的时间T`达到指定的转速N0`。如图5所示。

另外负载的变化，最终会体现在转速的变化，因此，我们在主控MCU中，来作转速N的微分值，做扭力变化的动态指标△T，即：△T=K*(dN/dt)，K为系统综合因子，是增益参数。△T＞0，表明负载减轻，扭矩减小，△T＜0，表明负载加重，扭矩T增大。如图6所示，本发明在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制，应用PID控制器，实现连续系统动态品质校正。具体PID控制器为现有技术，在此不再赘述。

本发明通过电机内部自控式工作，依据转子力矩变化，采用不同的工作频率点，给定子以最佳驱动特性，适用于频段在500Hz-10KHz工作，相比同功率同转矩的电动机：材料耗用量少，效率可提高5%-10%，运行可靠及维护方便，具有广阔的市场前景。

Claims (8)

1.自控电机，包括有定子（1）和转子（2），其特征在于：还包括有：

一电机输出检测模块（5），该电机输出检测模块（5）检测电机工作参数并输出；

一主控制系统（3），该主控制系统（3）内置的主控MCU（31）通过定子功率驱动单元（32）控制定子（1）；主控制系统（3）接收来自电机输出检测模块（5）输出的工作参数信号并分析处理后转换获得转子转速信号和力矩的变化信号，以此对定子（1）调整控制；

一转子控制系统（4），该转子控制系统（4）依据主控制系统（3）提供的转子状态参数启动，转子控制系统（4）内置的转子控制MCU（41）通过转子功率驱动单元（42）控制转子（2）。

2.根据权利要求1所述的自控电机，其特征在于：主控制系统（3）和转子控制系统（4）之间所述采用光电或电磁方法无线输出传送信号，这样主控MCU的控制信号就可以向运动的转子输送控制参数。

3.根据权利要求1或2所述的自控电机，其特征在于：所述主控制系统（3）中还设有定子检测电路单元（33），该定子检测电路单元（33）把定子工作的电参数采集并传输给主控MCU，主控MCU分析处理后出指令控制定子（1）。

4.根据权利要求1或2所述的自控电机，其特征在于：所述主控制系统（3）中还设有交直流供电源（34）或S-PFC模块（35），藉此电机的工作电源可以来自单或三相交流电，也可以从直流电源获取能量工作；S-PFC模块（35）是在使用交流电情况下，作有源功率因数补偿。

5.根据权利要求1或2所述的自控电机，其特征在于：所述转子控制系统（4）中还设有转子参数检测单元（43），此单元电路主要是把转子工作的电参数采集并将其输送转子控制MCU（41），转子控制MCU（41）分析处理后出指令控制转子（2）。

6.根据权利要求2所述的自控电机，其特征在于：所述光电或电磁方法无线输出传送信号是连接主控制系统（3）上的红外发射器（6）和连接转子控制系统（4）的接收器件（7），接收器件（7）通过转子状态参数信号解码（8）连接转子控制系统（4）。

7.根据权利要求1所述的自控电机，其特征在于：所述定子功率驱动单元的中频设计频段在500Hz-10KHz。

8.根据权利要求1所述的自控电机，其特征在于：所述电机输出检测模块（5）是一测速装置，安装在电机输出轴上，用于检测电机转速，并输出速度信号给主控制系统（3）。