CN107896083B - 一种电机速度调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机速度调节方法及装置，涉及电机驱动技术领域。该电机速度调节方法及装置依据接收到的电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数，并依据斩波系数确定导通角，最后依据过零信号及导通角生成脉宽调制信号；由于输出电压随斩波系数线性变化，因而生成的脉宽调制信号在不同时间点，对输出电压具有相同的调节效果，从而达到快速、稳定地调节电机的速度的效果。

Description

一种电机速度调节方法及装置

技术领域

本发明涉及电机驱动技术领域，特别涉及一种电机速度调节方法及装置。

背景技术

电机(Electric machinery，俗称“马达”)是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，作为电器或各种机械的动力源，利用电能转换为机械能。

在传统的交流电机速度调节系统中，开关器件串联在电源与电机线路中，开关器件通过控制每个电源周期导通的时间，实现对电机输入电压的控制。具体地，速度参考值与实际速度的误差经过调节器计算得脉宽信号，经过脉宽发生器产生用于驱动开关器件的控制信号，控制输入电机的电压。这种调节方式会使得在不同脉宽时相具有不同的调节效果，比如脉宽较小时调节作用较弱，而脉宽为1/4电源周期时调节作用最强，这种非线性调节方式使得调速系统的调速效果变差，容易出现速度过冲或者调节过慢。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种电机速度调节方法及装置，以解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种电机速度调节方法，应用于一电机速度调节系统，所述电机速度调节方法包括：

接收电机实际运行速度以及过零信号；

依据所述电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数；

依据所述斩波系数确定导通角；

依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号。

进一步地，所述依据所述斩波系数确定导通角的步骤包括：

获取包括所述斩波系数和与所述斩波系数一一对应的导通角的关系对照表；

当所述关系对照表包括与所述斩波系数对应的导通角时，根据所述斩波系数查找所述关系对照表从而确定所述导通角。

进一步地，所述依据所述斩波系数确定导通角的步骤包括：

当所述关系对照表不包括与所述斩波系数对应的导通角时，依据所述关系对照表及所述斩波系数建立表征所述斩波系数与所述导通角之间关系的数学模型；

根据所述斩波系数并通过所述数学模型计算所述导通角。

进一步地，所述依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号的步骤包括：

依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比；

基于所述脉冲宽度及所述占空比生成所述脉宽调制信号。

进一步地，所述依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比的步骤包括：

以相邻的有效的两个所述过零信号的时间间隔作为所述脉冲宽度；

以所述导通角与所述时间间隔的比值作为所述占空比。

第二方面，本发明还提供了一种电机速度调节装置，应用于一电机速度调节系统，所述电机速度调节装置包括：

接收单元，用于接收电机实际运行速度以及过零信号；

斩波系数计算单元，用于依据所述电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数；

导通角确定单元，用于依据所述斩波系数确定导通角；

脉宽调制信号生成单元，用于依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号。

进一步地所述斩波系数计算单元包括：

获取子单元，用于获取包括所述斩波系数和与所述斩波系数一一对应的导通角的关系对照表；

查找子单元，用于当所述关系对照表包括与所述斩波系数对应的导通角时，根据所述斩波系数查找所述关系对照表从而确定所述导通角。

进一步地所述斩波系数计算单元包括：

数学模型建立子单元，用于当所述关系对照表不包括与所述斩波系数对应的导通角时，依据所述关系对照表及所述斩波系数建立表征所述斩波系数与所述导通角之间关系的数学模型；

计算子单元，用于根据所述斩波系数并通过所述数学模型计算所述导通角。

进一步地所述脉宽调制信号生成单元用于依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比；

所述脉宽调制信号生成单元还用于基于所述脉冲宽度及所述占空比生成所述脉宽调制信号。

进一步地所述脉宽调制信号生成单元还用于以相邻的有效的两个所述过零信号的时间间隔作为所述脉冲宽度；

所述脉宽调制信号生成单元还用于以所述导通角与所述时间间隔的比值作为所述占空比。

相对于现有技术，本发明所述的电机速度调节方法及装置具有以下优势：

依据接收到的电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数，并依据斩波系数确定导通角，最后依据过零信号及导通角生成脉宽调制信号；由于输出电压随斩波系数线性变化，因而生成的脉宽调制信号在不同时间点，对输出电压具有相同的调节效果，从而达到快速、稳定地调节电机的速度的效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的电机速度调节系统的电路结构框图。

图2为本发明实施例所述的电机速度调节系统的电路图。

图3为本发明实施例所述的电机速度调节方法的流程图。

图4为图3中步骤S303的具体流程图。

图5为图3中步骤S304的具体流程图。

图6为脉宽调制波形随过零信号与导通角变化的关系图。

图7为本发明实施例所述的电机速度调节装置的功能模块图。

图8为图7中斩波系数计算单元的子模块示意图。

附图标记说明：

100-电机速度调节系统；110-调速电路；120-过零检测电路；130-控制模块；140-电机；150-速度传感器；200-电机速度调节装置；210-接收单元；220-斩波系数计算单元；230-导通角确定单元；231-获取子单元；232-查找子单元；233-数学模型建立子单元；234-判断子单元；235-计算子单元；240-脉宽调制信号生成单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种电机速度调节系统100，用于调节电机140的速度。请参阅图1，为本发明提供的电机速度调节系统100的电路结构框图。该电机速度调节系统100包括控制模块130、调速电路110、电机140、速度传感器150以及过零检测电路120，控制模块130与调速电路110、过零检测电路120以及速度传感器150均电连接，调速电路110与电机140、过零检测电路120均电连接，电机140与速度传感器150电连接。

请参阅图2，为电机速度调节系统100的电路图。其中，调速电路110包括电源以及开关器件，电源通过开关器件与电机140电连接。调速电路110用于控制电机140的运行速度。

在一种优选的实施例中，开关器件为固态继电器。

过零检测电路120与电源并联，用于依据电源的波动情况生成过零信号，并将过零信号传输至控制模块130。

具体地，当过零检测电路120检测到电源过零时，生成过零信号。

速度传感器150用于检测电机实际运行速度，并将该电机实际运行速度传输至控制模块130。

控制模块130用于接收过零信号以及电机实际运行速度，以及依据过零信号、电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值生成脉宽调制信号，以控制开关器件的导通状态，从而实现对电机140速度的调节。

第一实施例

本发明实施例提供了一种电机速度调节方法，应用于电机速度调节系统100，用于调节交流电机140的速度。请参阅图3，为本发明实施例提供的电机速度调节方法的流程图。该电机速度调节方法包括：

步骤S301：接收电机实际运行速度以及过零信号。

可以理解地，电机实际运行速度为速度传感器150采集并传输的，过零信号为过零信号检测电路检测并传输的。

步骤S302：依据电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数。

具体地，可通过以下算式对斩波系数进行计算：

ξ＝K_p ^*(W_{r_Ref}-W_r)+K_i ^*∫(W_{r_Ref}-W_r)dt

其中，ξ为斩波系数，W_r为电机实际运行速度，W_{r_Ref}为预设定的电机速度参考值，K_p为预设定的比例系数，K_i为预设定的积分系数。

步骤S303：依据斩波系数确定导通角。

请参阅图4，为步骤S303的具体流程图。步骤S303包括：

子步骤S3031：获取包括斩波系数和与斩波系数一一对应的导通角的关系对照表。

其中，斩波系数与导通角的对应关系如下表所示：

关系对照表

导通角θ	斩波系数ζ	导通角θ	斩波系数ζ	导通角θ	斩波系数ζ
						0	0	60	0.31	120	0.84
10	0.01	70	0.4	130	0.9
						20	0.04	80	0.5	140	0.94
30	0.08	90	0.59	150	0.97
						40	0.15	100	0.68	160	0.99
50	0.22	110	0.77	170	0.995
										180	1

子步骤S3032：判断关系对照表中是否包含与该斩波系数对应的导通角，如果是，则执行子步骤S3033；如果否，则执行子步骤S3034。

可以理解地，上表仅列举了当导通角为整数时对应的斩波系数，并未涵盖所有的导通角的情况，因而单纯通过查表可能存在不能查询到某些斩波系数对应的导通角的情况，因而首先判断关系对照表中是否包含与该斩波系数对应的导通角。

子步骤S3033：根据斩波系数查找关系对照表从而确定导通角。

当关系对照表包括与斩波系数对应的导通角时，可以较为容易地从关系对照表中查找到与该斩波系数对应的导通角。

子步骤S3034：依据关系对照表及斩波系数建立表征斩波系数与导通角之间关系的数学模型。

具体地，需要通过关系对照表首先确定斩波系数所处区域，即斩波系数处于哪两个导通角所对应的斩波系数之间，设斩波系数ζ处于ζ1与ζ2之间；接着获取位于两端点处斩波系数对应的导通角，即通过查表获取ζ1对应的导通角θ1，通过查表获取ζ2对应的导通角θ2；最后按照线性方式计算斩波系数ζ对应的导通角，其算式如下：

例如，当依据电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算出的斩波系数为0.6时，通过查询关系对照表可知0.6位于0.59～0.68之间，同时斩波系数为0.59时，导通角为80度，斩波系数为0.68时，导通角为100度；因而斩波系数为0.6时，导通角约为82.22度。

可以理解地，通过首先确定斩波系数范围，再用线性方式计算出导通角，不仅可以适应计算0～180度范围内所有的导通角，弥补了采用通过采用查表方式确定导通角这种方法存在的某些导通角不能查询到的问题。

步骤S304：依据过零信号及导通角生成脉宽调制信号。

请参阅图5，为步骤S304的具体流程图。步骤S304包括：

子步骤S3041：依据过零信号及导通角确定脉冲宽度及占空比。

具体地，以相邻的有效的两个过零信号的时间间隔作为脉冲宽度，以导通角与时间间隔的比值作为占空比。

需要说明的是，过零信号是依据电源的波形变化而生成的，每当输入电压过零点时，过零信号位于上升沿并存在短暂的高电平，此时过零信号有效，接着过零信号变为低电平直至下次输入电压过零点时，过零信号将再次处于有效的状态。

此外，相邻的有效的两个过零信号的时间间隔即为输入电压相邻两次过零的时间间隔，即为脉宽调制信号的脉冲宽度。

占空比为一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。因而在确定脉冲宽度及占空比的情况下，便能确定脉宽调制信号的具体波形。

子步骤S3042：基于脉冲宽度及占空比生成脉宽调制信号。

请参阅图6，为脉宽调制波形随过零信号与导通角变化的关系图。其中，Vin表示输入电压，Vout表示输出电压，PWM表示脉宽调制信号，Vctr为过零信号。

在t0时刻，输入电压过零，此时过零信号有效，脉宽调制信号为高电平，从而驱动开关器件导通；在持续导通角θ对应的时间之后，脉宽调制信号变为低电平，此时驱动开关器件截止；直至下次过零信号有效，脉宽调制信号再次变为高电平。

第二实施例

请参阅图7，图7为本发明较佳实施例提供的一种电机速度调节装置200的功能模块图。需要说明的是，本实施例所提供的电机速度调节装置200，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。该电机速度调节装置200包括接收单元210、斩波系数计算单元220、导通角确定单元230以及脉宽调制信号生成单元240。

其中，接收单元210用于接收电机实际运行速度以及过零信号。

在一种优秀的实施例中，可以理解地，接收单元210可用于执行步骤S301。

斩波系数计算单元220用于依据电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数。

在一种优秀的实施例中，可以理解地斩波系数计算单元220可用于执行步骤S302。

导通角确定单元230用于依据斩波系数确定导通角。

在一种优秀的实施例中，可以理解地导通角确定单元230可用于执行步骤S303。

在一种优秀的实施例中，请参阅图8，导通角确定单元230包括获取子单元231、查找子单元232、数学模型建立子单元233、判断子单元234以及计算子单元235。

其中，获取子单元231用于获取包括斩波系数和与斩波系数一一对应的导通角的关系对照表。

在一种优秀的实施例中，可以理解地获取子单元231可用于执行子步骤S3031。

判断子单元234用于判断关系对照表中是否包含与该斩波系数对应的导通角。

在一种优秀的实施例中，可以理解地判断子单元234可用于执行子步骤S3032。

查找子单元232用于当关系对照表包括与斩波系数对应的导通角时，根据斩波系数查找关系对照表从而确定导通角。

在一种优秀的实施例中，可以理解地查找子单元232可用于执行子步骤S3033。

数学模型建立子单元233用于当关系对照表不包括与斩波系数对应的导通角时，依据关系对照表及斩波系数建立表征斩波系数与导通角之间关系的数学模型。

在一种优秀的实施例中，可以理解地数学模型建立子单元233可用于执行子步骤S3034。

计算子单元235用于根据斩波系数并通过数学模型计算导通角。

在一种优秀的实施例中，可以理解地计算子单元235可用于执行子步骤S3035。

脉宽调制信号生成单元240用于依据过零信号及导通角生成脉宽调制信号。

具体地，脉宽调制信号生成单元240用于依据过零信号及导通角确定脉冲宽度及占空比；

脉宽调制信号生成单元240还用于基于脉冲宽度及占空比生成脉宽调制信号。

其中，以相邻的有效的两个过零信号的时间间隔作为脉冲宽度，以导通角与时间间隔的比值作为占空比。

在一种优秀的实施例中，可以理解地脉宽调制信号生成单元240可用于执行子步骤S304、子步骤S3041以及子步骤S3042。

综上所述，本发明提供的一种电机速度调节方法及装置，依据接收到的电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数，并依据斩波系数确定导通角，最后依据过零信号及导通角生成脉宽调制信号；由于输出电压随斩波系数线性变化，因而生成的脉宽调制信号在不同时间点，对输出电压具有相同的调节效果，从而达到快速、稳定地调节电机的速度的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种电机速度调节方法，应用于一电机速度调节系统，其特征在于，所述电机速度调节方法包括：

接收电机实际运行速度以及过零信号；

依据所述电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数；其中，所述电机实际运行速度、所述预设定的电机速度参考值以及所述斩波系数满足算式：

ξ＝K_p*(W_{r_Ref}-W_r)+K_i*∫(W_{r_Ref}-W_r)dt

其中，ξ为斩波系数，W_r为电机实际运行速度，W_{r_Ref}为预设定的电机速度参考值，K_p为预设定的比例系数，K_i为预设定的积分系数；

获取包括所述斩波系数和与所述斩波系数一一对应的导通角的关系对照表；

当所述关系对照表包括与所述斩波系数对应的导通角时，根据所述斩波系数查找所述关系对照表从而确定所述导通角；

依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号。

2.根据权利要求1所述的电机速度调节方法，其特征在于，所述依据所述斩波系数确定导通角的步骤还包括：

当所述关系对照表不包括与所述斩波系数对应的导通角时，依据所述关系对照表及所述斩波系数建立表征所述斩波系数与所述导通角之间关系的数学模型；

根据所述斩波系数并通过所述数学模型计算所述导通角。

3.根据权利要求1或2所述的电机速度调节方法，其特征在于，所述依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号的步骤包括：

依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比；

基于所述脉冲宽度及所述占空比生成所述脉宽调制信号。

4.根据权利要求3所述的电机速度调节方法，其特征在于，所述依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比的步骤包括：

以相邻的有效的两个所述过零信号的时间间隔作为所述脉冲宽度；

以所述导通角与所述时间间隔的比值作为所述占空比。

5.一种电机速度调节装置，应用于一电机速度调节系统，其特征在于，所述电机速度调节装置包括：

接收单元，用于接收电机实际运行速度以及过零信号；

斩波系数计算单元，用于依据所述电机实际运行速度及预设定的电机速度参考值计算斩波系数；其中，所述电机实际运行速度、所述预设定的电机速度参考值以及所述斩波系数满足算式：

ξ＝K_p*(W_{r_Ref}-W_r)+K_i*∫(W_{r_Ref}-W_r)dt

其中，ξ为斩波系数，W_r为电机实际运行速度，W_{r_Ref}为预设定的电机速度参考值，K_p为预设定的比例系数，K_i为预设定的积分系数；

导通角确定单元，用于依据所述斩波系数确定导通角；

其中，所述导通角确定单元包括：

获取子单元，用于获取包括所述斩波系数和与所述斩波系数一一对应的导通角的关系对照表；

查找子单元，用于当所述关系对照表包括与所述斩波系数对应的导通角时，根据所述斩波系数查找所述关系对照表从而确定所述导通角；

脉宽调制信号生成单元，用于依据所述过零信号及所述导通角生成脉宽调制信号。

6.根据权利要求5所述的电机速度调节装置，其特征在于，所述斩波系数计算单元包括：

数学模型建立子单元，用于当所述关系对照表不包括与所述斩波系数对应的导通角时，依据所述关系对照表及所述斩波系数建立表征所述斩波系数与所述导通角之间关系的数学模型；

计算子单元，用于根据所述斩波系数并通过所述数学模型计算所述导通角。

7.根据权利要求5或6所述的电机速度调节装置，其特征在于，所述脉宽调制信号生成单元用于依据所述过零信号及所述导通角确定脉冲宽度及占空比；

所述脉宽调制信号生成单元还用于基于所述脉冲宽度及所述占空比生成所述脉宽调制信号。

8.根据权利要求7所述的电机速度调节装置，其特征在于，所述脉宽调制信号生成单元还用于以相邻的有效的两个所述过零信号的时间间隔作为所述脉冲宽度；

所述脉宽调制信号生成单元还用于以所述导通角与所述时间间隔的比值作为所述占空比。

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