CN107372290A - 一种超低能耗增氧机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种超低能耗增氧机及其控制方法，其中所述增氧机包括叶轮，驱动叶轮转动的直流无刷电机，以及为增氧机提供浮力的浮体；所述直流无刷电机由设置的控制器控制工作；其中，所述控制器包括供电电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述供电电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动直流无刷电机工作。本发明增氧机中采用的控制器通过无传感检测电路检测直流无刷电机的工作电压以及工作电流，能够确定电机的换相时刻，并控制直流无刷电机按照预定转速进行运行；减小了电机系统体积，省去了HUALL传感器部分，成本费用更低，可靠性更强。

Description

一种超低能耗增氧机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种超低能耗增氧机及其控制方法。

背景技术

目前，随着我国水产养殖规模的扩大，水产养殖朝着节能减排、节约成本、智能化控制方向发展。目前我国规模化水产养殖采用单一的人工控制的方式机械增氧，不仅占用了大量的人力资源，也普遍存在着电能的巨大浪费，而且增氧机的效率低下与此同时给操作人员带来巨大的安全隐患。而叶轮式增氧机在渔业养殖中属于应用最广的一种增氧设备。现有传统的叶轮式增氧机多是用交流异步电机，通过齿轮减速后带动叶轮式转动，来达到增氧效果，规格有AC：220V,380V/1.5KW、2.2KW、3.0KW三种。目前现有传统增氧机1000-1300万台，传统增氧机存在以下几个问题：

1.由于市场竞争激烈，一部分厂家使用材料差来降低成本，整机使用寿命短等缺点；其输出功率效率低，一般效率在60-70％左右，有的电机材料使用差，效率更低。

2.电机通过齿轮减速来增大输出扭距，齿轮箱平时要定期进行维护，维护成本高。

3.采用的机械结构过多，整机重量重，40-50公斤，且驱动结构复杂，运行噪音大。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种超低能耗增氧机及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种超低能耗增氧机，包括叶轮，驱动叶轮转动的直流无刷电机，以及为增氧机提供浮力的浮体；所述直流无刷电机由设置的控制器控制工作；其中，所述控制器包括供电电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述供电电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法和ADC采样法来确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

进一步的方案是，所述供电电路包括工频变压器、高压滤波电路、低压滤波整流电路和高压直流电源；所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；所述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测模块；其中，所述高压滤波电路的输出端与电容预充电路连接，所述电容预充电路的输出端与高压直流电源连接，所述高压直流电源的输出端与与逆变电路连接，所述逆变电路的输出端与直流无刷电机连接；所述工频变压器的输出端与低压滤波整流电路连接，所述低压滤波整流电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接；所述反电动势过零检测模块的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测模块的输出端与所述MUC芯片连接。

进一步的方案是，所述电容预充电路由电阻、继电器和电容组成，所述电容在充电的瞬间相当于断路，当电源接通后首先通过电阻对电容进行充电，当电容的电压达到预充值后MCU发送指令控制继电器闭合。

进一步的方案是，所述逆变电路包括一个带有六个开关管的IGBT功率驱动部件，该IGBT功率驱动部件分为三组开关管并构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接。

进一步的方案是，还包括电压检测电路，其输入端与电容预充电路连接，其输出端与MCU芯片连接。

进一步的方案是，还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。

进一步的方案，还包括通信模块，其输入端与所述MCU芯片连接，其输出端与外部控制终端连接。

一种超低能耗增氧机控制方法,包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；

第二步，初始转子定位的步骤：无传感检测电路在检测电压过程中保持直流母线电压恒定，然后依次施加六个检测基本电压矢量，同时采集直流母线电流最大的峰值，对应的检测电压矢量所在区间即转子位置所在区间；

第三步，开环加速的步骤：当电机的转子成功定位后，根据预定的换相逻辑依次导通功率开关，在加速期间，不断的增加PWM的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期，使转子加速旋转，直到满足反电动势过零点的检测条件；

第四步，自控运行的步骤：采用增量PID控制方式，以速度环为外环，以电流环为内环对直流无刷电机进行双闭环控制；

其中，速度环的控制方式为：速度环中，首先要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定，此时速度环控制结束；

其中，电流环的控制方式为：电流环中，首先根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数，计算出实际的转速值，电流环控制结束。

本发明的有益效果：

1.本发明增氧机的输出功率大，效率高，效率可达到90％以上，省电25％-35％。

2.本发明增氧机直接通过电机带动叶轮转动，省去了减速齿轮机构，不需要维护。

3.本发明增氧机可根据用户对增氧机要求设置很多功能，可实现功能性扩展。

4.本发明增氧机运行噪音低，重量轻，整机重量8-15公斤。

5.本发明增氧机增氧效果好，传统电机转速140转，而采用本发明的直流无刷电机转速150-250转，增氧效果明显。

6.本发明增氧机中的电机起动平稳，从0到最大转速可软件设定，不会伤害到鱼。

7.本发明增氧机中采用的控制器通过无传感检测电路检测直流无刷电机的工作电压以及工作电流，能够确定电机的换相时刻，并控制直流无刷电机按照预定转速进行运行；减小了电机系统体积，省去了HUALL传感器部分，成本费用更低，可靠性更强。

8.本发明增氧机的控制手段灵活，性能稳定可靠，抗干扰能力更强，即使在恶劣的工况条件下，也能够保证增氧机能够正常的工作。

9.在本发明增氧机在控制器的控制下，直流无刷电机的输出效率更高，能够对能源进行充分利用。

10.本发明增氧机的控制器能够使得直流无刷电机的启动力矩更大，且能够在很大负载情况下进行缓慢启动。

11.本发明可以根据用户需求设定电机由零速到最大速度的时间，这样就可以在启动的过程中逐渐缓慢加速运行、驱赶鱼群，使鱼群免受来自增氧机的机械伤害。

附图说明

图1本发明增氧机的整体结构示意图。

图2为本发明增氧机中控制器的功能原理图；

图3为本发明中直流无刷电机主电路机构图；

图4为本发明的电机三相反电动势图；

图5为本发明的反电动势过零检测电路；

图6为本发明的电机电流采样电路图；

图7为本发明的软件控制流程图；

图8为本发明的PID控制策略图。

具体实施方式

图1所示，涉及一种超低能耗增氧机，包括叶轮2，驱动叶轮2转动的直流无刷电机1，以及为增氧机提供浮力的浮体3；所述直流无刷电机1由设置的控制器4控制工作。

市电(220V或380V)经过漏电保护接入上述控制器4，启动时经过80秒(预设时间)的延时，直接通过直流无刷电机1驱动叶轮2缓慢的转动到全速。这样通过控制器4对直流无刷电机1进行速度调控。本发明的增氧机省去了减速齿轮机构，降低了设备成本，且不需要过多的设备维护，还能够防止鱼在叶轮旁边被打死或打伤。

其中，图2至图6所示，为本发明增氧机中的控制器具体结构和原理图，该控制器包括供电电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述供电电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法结合ADC采样法来确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

设计思路如下：由于采用位置检测中点法在电机低速和启动的时候对电机反电动势过零判断不精确，容易产生误判，在高速的时候能够精确的判断出反电动势过零点；而采用ADC采样法在低速的时候可以精确的判断出反电动势过零点，在高速的时候由于电机磁场的干扰，容易发生误判。因此本发明结合两种方法的优缺点，在低速的时候采用ADC采样法对反电动势过零进行检测，在高速的时候切换到位置检测中点法对反电动势过零进行检测，这样控制器就能够更加精确、稳定的控制电机转速，提高了工作效率。

具体电路设计方案如下：

上述供电电路包括工频变压器、高压滤波电路、低压滤波整流电路和高压直流电源；所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；

上述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测模块；其中，所述高压滤波电路的输出端与电容预充电路连接，所述电容预充电路的输出端与高压直流电源连接，所述高压直流电源的输出端与与逆变电路连接，所述逆变电路的输出端与直流无刷电机连接；所述工频变压器的输出端与低压滤波整流电路连接，所述低压滤波整流电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接。

上述控制器中还包括用于对控制器进行过压保护的电压检测电路，其输入端与电容预充电路连接，其输出端与MCU芯片连接；所述反电动势过零检测模块的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测模块的输出端与所述MUC芯片连接。

进一步的方案是：所述电容预充电路由电阻、继电器和电容组成，所述电容在充电的瞬间相当于断路，当电源接通后首先通过电阻对电容进行充电，当电容的电压达到预充值后MCU发送指令控制继电器闭合。传统电机在上电的瞬间由于电容的存在容易形成电流的冲击产生电弧式火花，本发明在设计时增加了电容预充电路，在上电的5秒内通过电阻对电容预充电，解决了上电时的电流冲击而产生的火花。

进一步的方案是：该控制器中还包括通信模块，其输入端与所述MCU芯片连接，其输出端与外部控制终端连接，这样可以与外部建立无线通讯，实现远程监控管理。

进一步的方案是：该控制器中还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。

本发明中设计的保护模块，当直流无刷电机正常运行时，保护模块不动作，控制器按照预定的程序控制直流无刷电机稳定运行，在直流无刷电机可加负载的范围内，能够根据实际的负载变化情况自行调节，无需人为参与。

当直流无刷电机运行异常时，如：当直流无刷电机供电电压过压、欠压或者过流情况下，直流无刷电机能够根据保护模块采集得到的参数做出相应的动作，切断电源，关闭控制器来对直流无刷电机和控制器进行保护。又如：当直流无刷电机负载过大的情况下，直流无刷电机被堵转，保护模块根据相过流电流信号，采取关闭控制器，切断电源来对电机进行保护，防止电机因为过载过流而烧坏电机。

上述方案中：逆变电路是以一个带有6个开关管的IGBT为核心，分为三组构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接。

本发明中直流无刷电机的设计原理是，根据直流无刷电机的特性可知电机的三相反电势为平顶宽为120°电角度的梯形波，三相反电势之间互差120°电角度，因此可以绘出三相反电势的波形，如附图4所示。定子绕组的反电势是由转子的旋转速度和位置决定的。因此，只要获得合理的反电势信号，既可以准确的获得位置信息。

图5中，把一个电周期划分为六个60°的电角度，并将6种导通方式均匀搁置在每一个区间。我们以AB两相导通为例分析。当AB两相导通时，C相悬空，C相反电动势在AB相开始导通时反电动势开始减小，经过30°的电角度，反电动势变为0，接着反电动势接着反向变大，再滞后30°的电角度，到达下一换相时刻，即AC相导通，B相悬空。对于检测无位置传感器直流无刷电机的反电势过零点，一般只需要对不导通相进行检测，即可得出有效的过零信号。在式(3)的直流无刷电机数学模型中，任取一相C相作为不导通相，可以求得C相反电势为：

e_c＝U_c-R·i_c-u_n (1)

当C相不导通时，C相电感电流会通过续流二极管瞬间放电，其后i_c＝0，故可以认为：

e_c＝U_c-u_n (2)

由式(2)可以看出，可以根据电机非导通相端电压和中性点电压，就可以推导出反电动势的大小，并对反电动势过零信号进行判断，进而得出电机的换相时刻。

转子成功定位后，根据换相表依次导通跟功率开关。在加速期间，不断的增加PWM的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期。使转子加速旋转，直到满足反电动势过零点的检测条件。为闭环控制做准备。闭环控制切换的成败是电机稳定可控运行的关键。经过时间T的开环加速，达到可以检测出反电动势的大小，启动三相电压检测功能，检测反电动势过零点信号，通过DSP计算得到当前的转速，再根据实际情况进行调节占空比，继续检测过零信号，并与逻辑换相表进行依次换相，当连续几次检测到正确的过零信号时，说明电机进行了正确的换相，电机切入正确自控运行状态。

图7和图8为本发明对直流无刷电机的控制方法,具体包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；该步骤也就是整个增氧机系统上电的过程。

第二步，初始转子定位的步骤：无传感检测电路在检测电压过程中保持直流母线电压恒定，然后依次施加六个检测基本电压矢量(其中，逆变桥三相依次对应：001、010、100、011、101、110，且上下开关管桥臂对应，其中，1表示上管导通，0表示下管导通)，同时采集直流母线电流最大的峰值，对应的检测电压矢量所在区间即转子位置所在区间。

传统的电机转子定位方法存在转子定位不准确的问题，而且不适用于电机不允许反转的场合。本发明采用电感检测法来检测转子的初始位置，在电机静止时通过向电机注入电压矢量进行转子初始位置辨识，避免了电机反转有可能造成的机械损害，转子定位精确而且在转子位置定位的过程中安静无噪声。

第三步，开环加速的步骤：当电机的转子成功定位后，根据预定的换相逻辑依次导通功率开关，在加速期间，不断的增加PWM的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期，使转子加速旋转，直到满足反电动势过零点的检测条件；与传统的方法相比该步骤的设计能够使得电机以较大的转矩快速启动起来，为带载启动的情况创造了条件。

第四步，自控运行的步骤：采用增量PID控制方式，以速度环为外环，以电流环为内环对直流无刷电机进行双闭环控制；

其中，速度环的控制方式为：速度环中，首先要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定，此时速度环控制结束；

其中，电流环的控制方式为：电流环中，首先根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数，计算出实际的转速值，电流环控制结束。

传统的位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值，因此位置式PID控制的累积误差很大；而本发明采用的增量式的PID的控制，其输出只与当前拍和前两拍的误差有关，因此增量式PID控制的累积误差相对更小；且由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

本发明增氧机具有如下优点：

7.输出功率大，效率高，效率可达到90％以上，省电25％-35％。

8.免维护，由于电机直接带动叶轮转动，省去了减速齿轮机构，不需要维护。

9.可根据用户对增氧机要求设置很多功能，可实现功能性扩展。

10.运行噪音低，重量轻，整机重量8-15公斤。

11.增氧效果好，传统电机转速140转，而采用本发明的直流无刷电机转速150-250转，增氧效果明显。

12.电机起动平稳，从0到最大转速可软件设定，不会伤害到鱼。

表1：3KW增量式增氧机与传统型增氧机工作电压和电流

增氧机	380V	380V	380V	380V	380V
						传统型增氧机电流(A)	6.41	6.52	6.47	6.61	6.50
增量式增氧机电流(A)	5.10	5.05	5.22	5.15	5.23

表2：2.2KW增量式增氧机与传统型增氧机工作电压和电流

增氧机	380V	380V	380V	380V	380V
						传统型增氧机电流(A)	3.21	3.47	3.52	3.44	3.29
增量式增氧机电流(A)	2.56	2.49	2.38	2.42	2.40

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超低能耗增氧机，包括叶轮，驱动叶轮转动的直流无刷电机，以及为增氧机提供浮力的浮体；其特征在于，所述直流无刷电机由设置的控制器控制工作；其中，所述控制器包括供电电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述供电电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法和ADC采样法来确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

2.如权利要求1所述的一种超低能耗增氧机，其特征在于，所述供电电路包括工频变压器、高压滤波电路、低压滤波整流电路和高压直流电源；所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；所述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测模块；其中，所述高压滤波电路的输出端与电容预充电路连接，所述电容预充电路的输出端与高压直流电源连接，所述高压直流电源的输出端与与逆变电路连接，所述逆变电路的输出端与直流无刷电机连接；所述工频变压器的输出端与低压滤波整流电路连接，所述低压滤波整流电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接；所述反电动势过零检测模块的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测模块的输出端与所述MUC芯片连接。

3.如权利要求2所述的一种超低能耗增氧机，其特征在于，所述电容预充电路由电阻、继电器和电容组成，所述电容在充电的瞬间相当于断路，当电源接通后首先通过电阻对电容进行充电，当电容的电压达到预充值后MCU发送指令控制继电器闭合。

4.如权利要求2所述的一种超低能耗增氧机,其特征在于，所述逆变电路包括一个带有六个开关管的IGBT功率驱动部件，该IGBT功率驱动部件分为三组开关管并构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接。

5.如权利要求2所述的一种超低能耗增氧机，其特征在于，还包括电压检测电路，其输入端与电容预充电路连接，其输出端与MCU芯片连接。

6.如权利要求2所述的一种超低能耗增氧机，其特征在于，还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。

7.如权利要求2所述的一种超低能耗增氧机，其特征在于，还包括通信模块，其输入端与所述MCU芯片连接，其输出端与外部控制终端连接。

8.一种超低能增氧机控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；

第二步，初始转子定位的步骤：无传感检测电路在检测电压过程中保持直流母线电压恒定，然后依次施加六个检测基本电压矢量，同时采集直流母线电流最大的峰值，对应的检测电压矢量所在区间即转子位置所在区间；

第三步，开环加速的步骤：当电机的转子成功定位后，根据预定的换相逻辑依次导通功率开关，在加速期间，不断的增加PWM的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期，使转子加速旋转，直到满足反电动势过零点的检测条件；

第四步，自控运行的步骤：采用增量PID控制方式，以速度环为外环，以电流环为内环对直流无刷电机进行双闭环控制；

其中，速度环的控制方式为：速度环中，首先要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定，此时速度环控制结束；

其中，电流环的控制方式为：电流环中，首先根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数，计算出实际的转速值，电流环控制结束。