CN107482983A - 料理机恒转矩频率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种料理机恒转矩频率控制方法，包括启动后即开始的恒转矩控制阶段和在恒转矩控制阶段之后的转速闭环控制阶段；在恒转矩控制阶段通过控制锁相环输出频率限幅值最大值的方法控制电机的实际工作频率，包括以下步骤：步骤a，在启动时经过开环拖动，将电机的实际工作频率从0拖动到频率f1；步骤b，控制锁相环比例积分控制最大输出限幅值F_PLL_MAX，使电机实际工作频率快速变化到F_PLL_MAX的数值；步骤c,待稳定或小幅度增加F_PLL_MAX的数值一段时间后，使F_PLL_MAX较快地增加，以使电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX增加；步骤d，经过预定时间后，进入转速闭环控制阶段。本发明解决了现有技术需要随着频率命令值的增加，电机输出力矩慢慢增加，导致失步停机、过流等控制失败的问题。

Description

料理机恒转矩频率控制方法

技术领域

本发明涉及永磁无刷电机控制技术，特别涉及一种料理机恒转矩频率控制方法。

背景技术

目前，家用料理机或者家用果汁机，一般采用有刷直流电机进行控制，由于有刷电机电刷具有使用寿命短，噪音大和有火花，而且效率低，运行频率固定不变等不足，有刷电机迟早会被无刷电机所取代的。而永磁无刷直流电机具有能效高，无电刷以及运行频率可变从而节能等多种优点，广泛使用于家电、纺织、医疗、汽车、新能源等多种领域。

家用料理机，需要打碎的材料很多，当需要打碎的材料如水果、萝卜、冰块等体积大，硬度高等时，如采用传统的转速闭环、电流闭环之永磁无刷电机控制方法，在启动阶段，电机的转速是慢慢上升的，此时电机的输出力矩是由转速闭环控制的，由于电机转速很低，电机低速运行所需的电流很小，此时电机输出力矩很小，输出功率不足，容易造成料理机水杯里的刀片被卡住的情况出现，阻止电机的转动，造成电机控制失败问题的发生；如果采用开环拖动到较高的转速后进入转速闭环控制，在开环拖动阶段会造成电机的失步停机，过流停机等技术问题，造成控制失败。

发明内容

本发明提供了一种料理机恒转矩频率控制方法，以解决现有技术需要随着频率命令值的增加，电机输出力矩慢慢增加，导致失步停机、过流等控制失败的问题。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种料理机恒转矩频率控制方法，包括启动后即开始的恒转矩控制阶段和在所述恒转矩控制阶段之后的转速闭环控制阶段；在所述恒转矩控制阶段通过控制锁相环输出频率限幅值最大值的方法控制电机的实际工作频率，包括以下步骤：步骤a，在启动时经过开环拖动，将电机的实际工作频率从0拖动到频率f1；步骤b，控制锁相环比例积分控制最大输出限幅值F_PLL_MAX，使电机实际工作频率快速变化到F_PLL_MAX的数值；步骤c,待稳定或小幅度增加F_PLL_MAX的数值一段时间后，使F_PLL_MAX较快地增加，以使电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX增加；步骤d，经过预定时间后，进入转速闭环控制阶段。

优选地，在入转速闭环控制阶段中，F_PLL_MAX快速地增加，电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX快速增加，最终达到预设的最大数值，电机实际工作频率也迅速的达到最大频率命令值，稳定一段时间后停止电机工作。

优选地，在恒转矩控制阶段，电机的运行电流按照如下步骤变化：

步骤1，在t1时间内，电机从静止拖动到频率f1,电流从0到I_q1 ^*；

步骤2，在t2时间内，电机控制电流命令值从I_q1 ^*到I_q2 ^*变化，优选地采用充电的方式将电流从I_q1 ^*充电到I_q2 ^*，充电时间长短由低通滤波器低通滤波时间常数T₁确定，充电传递函数为：s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q1 ^*，T_i为计算周期时间，n为自然数；

步骤3，在t3时间内，电机控制电流命令值保持I_q2 ^*不变；

步骤4，在t4时间内，电机控制电流命令值从I_q2 ^*到I_q3 ^*变化，优选地采用放电的方式将电流从I_q2 ^*放电到I_q3 ^*，放电传递函数为：

s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q2 ^*，T_i为计算周期时间，T₂为低通滤波器低通滤波时间常数，n为自然数。

优选地，在t5时间内,采用转速闭环控制，随着电机转速的提高和时间的推移，电机电流逐渐提高，其电流的大小由转速闭环控制。

优选地，在恒转矩控制阶段，锁相环比例积分最大输出限幅值F_PLL_MAX按照如下步骤变化：在t1、t2及t3阶段，电机的运行频率限制值F_PLL_MAX维持不变，或者在T3阶段，F_PLL_MAX小幅度增加，在T4阶段，F_PLL_MAX增加幅值可以较快，但是，在T5阶段，F_PLL_MAX增加速度必须大于频率命令值加速度，以便适应电机命令值加速要求。

优选地，在恒转矩运行阶段，电机的运行电流从拖动结束后的较小电流快速变化到大电流，稳定运行一段时间后，再从大电流到较小的电流变化，随后进入转速闭环控制，在转速闭环控制阶段，电机电流由转速闭环控制单元确定，从而使得在较低的频率，电机输出较大力矩和功率的控制效果，快速的将食物打碎，便于后续高频闭环运行。

本发明采用恒转矩控制和转速闭环控制相结合的方法，快速提高电机的转速，有效的克服了传统控制方法电机运行频率不高，电机输出力矩小，不能快速将大、硬的食材快速打碎的不足，解决了传统控制方法需要随着频率命令值的增加，电机输出力矩慢慢增加，导致的失步停机、过流等控制失败的技术问题。

附图说明

图1为恒转矩控制原理图；

图2为锁相环控制单元最高频率幅值限制结构图；

图3为恒转矩控制电流控制结构图；

图4为恒转矩控制锁相环最大输出频率示意图；

图5为恒转矩控制锁相环实际输出频率示意图；

图6为转速闭环控制原理图；

图7为控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明包括恒转矩控制单元，无位置传感器单元，锁相环单元，转速闭环控制单元，采用恒转矩控制和转速闭环控制相结合的方法，控制电机的运行，在恒转矩控制阶段，控制电机的运行电流，控制电机的最高运行频率，使电机在高转速、大电流条件下短时间工作，电机输出力矩大，输出功率高。

在一个优选的实施例中，本发明提供了一种料理机恒转矩频率控制方法，包括：

启动后即开始的恒转矩控制阶段和在所述恒转矩控制阶段之后的转速闭环控制阶段；

在所述恒转矩控制阶段通过控制锁相环输出频率限幅值最大值的方法控制电机的实际工作频率，包括以下步骤：

步骤a，在启动时经过开环拖动，将电机的实际工作频率从0拖动到频率f1；

步骤b，控制锁相环比例积分控制最大输出限幅值F_PLL_MAX，使电机实际工作频率快速变化到F_PLL_MAX的数值；

步骤c,待稳定或小幅度增加F_PLL_MAX的数值一段时间后，使F_PLL_MAX较快地增加，以使电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX增加；

步骤d，经过预定时间后，进入转速闭环控制阶段。

本发明特别采用恒转矩和锁相环限制电机运行电流和电机最高运行频率的方法快速将块头大、高硬度的食材快速打碎，特别控制电机的恒转矩电流命令值按照一定的规律变化，使得在启动时，电机以极大的力矩工作，大力矩工作时间短，控制电机之IPM(或者IGBT)发热不明显，有效的提高了料理机破壁实物的效果。同时采用恒转矩控制和转速闭环控制相结合的方法，快速提高电机的转速，有效的克服了传统控制方法电机运行频率不高，电机输出力矩小，不能快速将大、硬的食材快速打碎的不足，解决了传统控制方法需要随着频率命令值的增加，电机输出力矩慢慢增加，导致的失步停机、过流等控制失败的技术问题。

优选地，在入转速闭环控制阶段中，F_PLL_MAX快速地增加，电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX快速增加，最终达到预设的最大数值，电机实际工作频率也迅速的达到最大频率命令值，稳定一段时间后停止电机工作。

优选地，在恒转矩控制阶段，电机的运行电流按照如下步骤变化：

步骤1，在t1时间内，电机从静止拖动到频率f1,电流从0到I_q1 ^*；

步骤2，在t2时间内，电机控制电流命令值从I_q1 ^*到I_q2 ^*变化，优选地采用充电的方式将电流从I_q1 ^*充电到I_q2 ^*，充电时间长短由低通滤波器低通滤波时间常数T₁确定，充电传递函数为：s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q1 ^*，T_i为计算周期时间，n为自然数；

步骤3，在t3时间内，电机控制电流命令值保持I_q2 ^*不变；

步骤4，在t4时间内，电机控制电流命令值从I_q2 ^*到I_q3 ^*变化，优选地采用放电的方式将电流从I_q2 ^*放电到I_q3 ^*，放电传递函数为：

s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q2 ^*，T_i为计算周期时间，T₂为低通滤波器低通滤波时间常数，n为自然数。

优选地，在t5时间内,采用转速闭环控制，随着电机转速的提高和时间的推移，电机电流逐渐提高，其电流的大小由转速闭环控制。

优选地，在恒转矩控制阶段，锁相环比例积分最大输出限幅值F_PLL_MAX按照如下步骤变化：在t1、t2及t3阶段，电机的运行频率限制值F_PLL_MAX维持不变，或者在T3阶段，F_PLL_MAX小幅度增加，在T4阶段，F_PLL_MAX增加幅值可以较快，但是，在T5阶段，F_PLL_MAX增加速度必须大于频率命令值加速度，以便适应电机命令值加速要求。

优选地，在恒转矩运行阶段，电机的运行电流从拖动结束后的较小电流快速变化到大电流，稳定运行一段时间后，再从大电流到较小的电流变化，随后进入转速闭环控制，在转速闭环控制阶段，电机电流由转速闭环控制单元确定，从而使得在较低的频率，电机输出较大力矩和功率的控制效果，快速的将食物打碎，便于后续高频闭环运行。

下面，对本发明进行更加详细地介绍。

如图1所示，在料理机开始工作的很短的时间内，如1秒以内，采用恒转矩控制，通过恒转矩控制单元给定q轴控制电流I_q ^*，I_q ^*与反馈的实际检测q轴电流I_q之差输入PI调节器2。PI调节器2的输出作为q轴电压命令值Vq,d轴电流命令值I_d ^*通过I_d ^*＝0指定，或者通过弱磁控制以及最大力矩控制等方式获得。I_d ^*与反馈的实际检测d轴电流I_d之差输入到PI调节器3。PI调节器3之输出作为d轴电压命令值Vd,Vd与Vq通过坐标变换单元获得α轴电压命令值V_α和β轴电压命令值V_β，V_α与V_β再通过SVPWM控制单元获得IPM之6路互补的占空比可变之PWM波，用于控制IPM内部6只IGBT上下桥臂的导通时间，控制电机的运行。

电流检测单元检测流过IPM之电流大小，即检测流过电机三相线圈电流Iu、Iv、Iw,Iu、Iv、Iw通过反坐标变换单元获得d/q轴电流I_d与I_q。无位置传感器单元通过无位置传感器原理获得并输出实际转速ω为电机的估计检测转速，作为反馈转速，ω通过位置推定单元获得电机的位置信号θ，θ输入到坐标变化单元和反坐标变换单元，作为电机的控制矢量信号的方向和电流坐标变换的角度。

无位置传感器单元，其输入信号有自适应控制信号、滑膜观测器信号、轴误差信号等，但都可以化为比例积分的表达式，获得输出的电机实际转速ω，因此可采用锁相环控制技术，通过比例/积分(PI)调节控制获得ω，而PI调节，通过限幅处理，如图2所示，限制F_PLL_MAX和F_PLL_MIN的值，就可以限制输出电机实际转速ω的最大值和最小值，限制电机的转速。

在恒转矩控制时间内，电机转速不受转速命令值的控制，电机实际转速的大小由恒转矩控制单元给定的q轴控制电流I_q ^*和无位置传感器单元之锁相环单元给定的限幅值F_PLL_MAX和F_PLL_MIN的值控制，当I_q ^*很大时，频率命令值也不会超过F_PLL_MAX和F_PLL_MIN的值，这样就可以限制电机转速不会瞬间升的非常高，克服电机转速突然升高到很高转速引起的电机巨大噪音问题，同时，由于I_q ^*可以很大，电机输出功率瞬间很高，由公式：p_e＝R(I_d ²+I_q ²)+[K_e+(L_d-L_q)I_d]I_q·ω可知，I_q ^*越大，输出功率p_e越大，其中R为电机电阻，K_e为电机反电动势常数，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感,I_d为d轴电流，I_q为q轴电流,ω为电机转速。

输出力矩：其中P为电机极对数，输出力矩τ_e也很大，由公式：其中J为电机转动惯量，τ_e为控制力矩，τ_l为电机阻力力矩，B_m为摩擦系数，ω为电机当前转速，为转速对时间的导数，由于τ_e很大，电机转速能够在极短的时间内升的很高，最高转速由锁相环F_PLL_MAX和F_PLL_MIN确定，能够快速的将需要打碎的材料如水果、萝卜、冰块等体积大，硬度高的食材瞬间打碎，便于后续电机高转速闭环运转，达到破壁的效果。

在恒转矩控制阶段，电机q轴电流给定值如图3所示，在t1时间内，电机从静止拖动到频率f1,电流从0到I_q1 ^*；在t2时间内，电机控制电流命令值从I_q1 ^*到I_q2 ^*变化，为了达到更好的效果，采用充电的方式，将电流从I_q1 ^*充电到I_q2 ^*，充电时间长短由低通滤波器低通滤波时间常数T₁确定，充电传递函数为：s为拉普拉斯变换算符，离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q1 ^*，T_i为计算周期时间，n为自然数；在t3时间内，电机控制电流命令值保持I_q2 ^*不变；在t4时间内，电机控制电流命令值从I_q2 ^*到I_q3 ^*变化，为了达到更好的效果，采用放电的方式，将电流从I_q2 ^*放电到I_q3 ^*，放电传递函数为：s为拉普拉斯变换算符，离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q2 ^*，T_i为计算周期时间，T₂为低通滤波器低通滤波时间常数，n为自然数；在t5时间内,采用转速闭环控制，随着电机转速的提高，和时间的推移，电机电流逐渐提高，其电流的大小由转速闭环控制。

由于t3时间极短，电机瞬间电流很大，电机在大电流条件下，输出转矩很大，输出功率很大，电机转速瞬间很高，但最高转速由图2所示的锁相环最大输出频率幅值限制，通过调节t3时间、t3阶段电流I_q2 ^*幅值和t3阶段电机运行频率的大小即F_PLL_MAX的值，就可调节电机运行的效果。

在恒转矩控制阶段，锁相环F_PLL_MAX幅值限制按照图4方式进行控制，在t1、t2及t3阶段，电机的运行频率限制值F_PLL_MAX维持不变，或者在T3阶段，F_PLL_MAX小幅度增加，在T4阶段，F_PLL_MAX增加幅值可以较快，但是，在T5阶段，F_PLL_MAX增加速度必须大于频率命令值加速度，以便适应电机命令值加速要求。

在恒转矩控制阶段，电机实际运行频率如图5所示，在t1阶段，电机开环拖动，电机运行频率从0加速到f1,在t2阶段，电机运行频率服从规律变化，其中J为电机转动惯量，τ_e为控制力矩，τ_l为电机阻力力矩，B_m为摩擦系数，ω为电机当前转速，为转速对时间的导数。由于τ_e很大，电机转速ω迅速升高，最高频率受到F_PLL_MAX的限制。在t3阶段，随着F_PLL_MAX的慢慢升高，实际转速也慢慢升高，在T4阶段，虽然电机控制电流(如图3所示)降低，但其对应的控制力矩τ_e仍然很大，足以满足电机高速运行的条件，而且，料理机水杯内部的食物已经破碎，电机阻力力矩较小，电机实际运行转速仍然随着F_PLL_MAX的升高而升高。在t5阶段，进行转速闭环控制，电机所需的电流按照转速闭环控制单元输出的电流进行控制，而电机转速随着F_PLL_MAX的迅速升高而迅速升高，跟随电机转速命令值快速变化。

当上述恒转矩控制工作时间结束后，料理机采用如图6所示的转速闭环控制，通过将转速给定值ω^*与反馈转速ω之差，作为PI调节器1的输入，其输出I_q ^*与反馈的实际检测q轴电流I_q之差输入PI调节器2，PI调节器2的输出作为q轴电压命令值Vq，其他部分工作原理同图1，在转速闭环控制阶段，电机的实际转速由转速给定值ω^*控制，达到理想的控制效果，电机转速快速升高，达到高转速设定值如20000RPM运行，快速对食材破壁。

本发明特别采用恒转矩和锁相环限制电机运行电流和电机最高运行频率的方法快速将块头大、高硬度的食材快速打碎，特别控制电机的恒转矩电流命令值按照一定的规律变化，电机实际工作频率受到锁相环比例积分最大输出幅度限制，控制F_PLL_MAX的限幅值按照本发明设计的变化规则变化，使得在启动时，电机以极大的力矩工作，大力矩工作时间短，控制电机之IPM(或者IGBT)发热不明显，有效的提高了料理机破壁实物的效果。同时采用转速闭环控制相结合的的方法，快速提高电机的转速，有效的克服了传统控制方法电机运行频率不高，电机输出力矩小，不能快速将大、硬的食材快速打碎的不足，解决了传统控制方法需要随着频率命令值的增加，电机输出力矩慢慢增加，导致的失步停机、过流等控制失败的技术问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，包括启动后即开始的恒转矩控制阶段和在所述恒转矩控制阶段之后的转速闭环控制阶段；

在所述恒转矩控制阶段通过控制锁相环输出频率限幅值最大值的方法控制电机的实际工作频率，包括以下步骤：

步骤a，在启动时经过开环拖动，将电机的实际工作频率从0拖动到频率f1；

步骤b，控制锁相环比例积分控制最大输出限幅值F_PLL_MAX，使电机实际工作频率快速变化到F_PLL_MAX的数值；

步骤c,待稳定或小幅度增加F_PLL_MAX的数值一段时间后，使F_PLL_MAX较快地增加，以使电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX增加；

步骤d，经过预定时间后，进入转速闭环控制阶段。

2.根据权利要求1所述的料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，在入转速闭环控制阶段中，F_PLL_MAX快速地增加，电机实际工作频率也跟着F_PLL_MAX快速增加，最终达到预设的最大数值，电机实际工作频率也迅速的达到最大频率命令值，稳定一段时间后停止电机工作。

3.根据权利要求1和2所述的料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，在恒转矩控制阶段，电机的运行电流按照如下步骤变化：

步骤1，在t1时间内，电机从静止拖动到频率f1,电流从0到I_q1 ^*；

步骤2，在t2时间内，电机控制电流命令值从I_q1 ^*到I_q2 ^*变化，优选地采用充电的方式将电流从I_q1 ^*充电到I_q2 ^*，充电时间长短由低通滤波器低通滤波时间常数T₁确定，充电传递函数为：s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q1 ^*，T_i为计算周期时间，n为自然数；

步骤3，在t3时间内，电机控制电流命令值保持I_q2 ^*不变；

步骤4，在t4时间内，电机控制电流命令值从I_q2 ^*到I_q3 ^*变化，优选地采用放电的方式将电流从I_q2 ^*放电到I_q3 ^*，放电传递函数为：

s为拉普拉斯变换算符；离散化为：

其中I_q(0) ^*＝I_q2 ^*，T_i为计算周期时间，T₂为低通滤波器低通滤波时间常数，n为自然数。

4.根据权利要求3所述的料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，在t5时间内,采用转速闭环控制，随着电机转速的提高和时间的推移，电机电流逐渐提高，其电流的大小由转速闭环控制。

5.根据权利要求4所述的料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，在恒转矩控制阶段，锁相环比例积分最大输出限幅值F_PLL_MAX按照如下步骤变化：

在t1、t2及t3阶段，电机的运行频率限制值F_PLL_MAX维持不变，或者在T3阶段，F_PLL_MAX小幅度增加，在T4阶段，F_PLL_MAX增加幅值可以较快，但是，在T5阶段，F_PLL_MAX增加速度必须大于频率命令值加速度，以便适应电机命令值加速要求。

6.根据权利要求1所述的料理机恒转矩频率控制方法，其特征在于，在恒转矩运行阶段，电机的运行电流从拖动结束后的较小电流快速变化到大电流，稳定运行一段时间后，再从大电流到较小的电流变化，随后进入转速闭环控制，在转速闭环控制阶段，电机电流由转速闭环控制单元确定，从而使得在较低的频率，电机输出较大力矩和功率的控制效果，快速的将食物打碎，便于后续高频闭环运行。