CN108296301B - 一种铝型材挤压机及电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的铝型材挤压机及电机控制方法，涉及铝制造业技术领域。该铝型材挤压机包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块以及挤压设备，控制器与驱动模块以及参数采集模块电连接，电机与驱动模块及参数采集模块均电连接，电机与挤压设备连接，控制器用于依据实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及相电流确定脉宽调制信号，驱动模块用于响应脉宽调制信号而调整电机的运行频率，电机用于响应脉宽调制信号而运行以带动挤压设备运行；其中，控制器通过对旋转角度以及电流的双闭环控制，在大大提高电机的响应速度的同时，还提高了控制精度，使得电机在极低频率下仍然能稳定运行，从而提高铝型材挤压机制作的铝条的合格率。

Description

一种铝型材挤压机及电机控制方法

技术领域

本发明涉及铝制造业技术领域，具体而言，涉及一种铝型材挤压机及电机控制方法。

背景技术

现在，在铝制造行业内的生产，挤出过程均采用电机带动液压油泵提供挤出铝液推力的方式，其中对液压油压的控制掌握，对挤出的精度有着重大影响。频率控制电机转速，转速控制液压油压，所以变频低频率的极限对铝制造的精度质量有着重要的意义。长期以来，国内铝厂大多采用电机固定转速生产，精度低，且耗电量高，部分采用变频控制的铝厂也受低频极限限制，精度有限。而国内对此方面的研究单位很少，尤其是对铝型材极低频率控制方面的核心技术方面，尚没有更好的突破点。

铝型材极低频运行变频器采用“交-直-交”电流源型，将380V交流电通过整流桥整流成直流电，再通过电解电容将整流后的电流平波去耦，输出电流波形平直，稳定的电流。再由逆变单元模块将直流电转换为可调的交流电，再运用软件技术对其的算法，输出想要的频率，将电机按给定频率运行。

在铝型材极低频运行变频器的控制中，电机能达到多少运行频率是对铝型材精度的重要技术，也就是要解决软件对低频的运算精度，变频器对信号的接收精确。目前的文献能找到对这部分原理的介绍，但更深入的研究突破基本在0.2Hz附近，随着频率的降低，谐波的增大，干扰的加强，很难获取准确的信号与算法达到准确的极低频运行频率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝型材挤压机及电机控制方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种铝型材挤压机，所述铝型材挤压机包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块以及挤压设备，所述控制器与所述驱动模块以及所述参数采集模块电连接，所述电机与所述驱动模块及所述参数采集模块均电连接，所述电机与所述挤压设备连接；

所述参数采集模块用于采集所述电机的实际旋转角度以及输入至所述电机的相电流，并将所述实际旋转角度以及所述相电流传输至所述控制器；

所述控制器用于依据所述实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及所述相电流确定脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

所述驱动模块用于响应所述脉宽调制信号而调整所述电机的运行频率；

所述电机用于响应所述脉宽调制信号而运行以带动所述挤压设备运行。

进一步地，所述控制器用于依据所述实际旋转角度及所述相电流计算q轴电流以及d轴电流；

所述控制器还用于依据所述实际旋转角度、所述预设旋转角度以及所述q轴电流确定计算所述电机的q轴电压给定量；

所述控制器还用于依据所述d轴电流以及预设定的d轴电流参考值计算所述电机的d轴电压给定量；

所述控制器还用于依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成所述脉宽调制信号。

进一步地，所述控制器用于对所述实际旋转角度进行积分运算以确定所述电机的磁场角度信号；

所述控制器还用于依据所述磁场角度信号及所述相电流计算所述q轴电流以及所述d轴电流。

进一步地，所述控制器用于基于PI调节器算法并依据所述实际旋转角度及所述预设旋转角度计算q轴电流参考值；

所述控制器还用于基于PI调节器算法并依据所述q轴电流参考值及所述q轴电流计算q轴电压给定量。

进一步地，所述控制器用于基于PI调节器算法并依据所述d轴电流及预设定的d轴电流参考值计算所述d轴电压给定量。

进一步地，所述驱动模块包括变频单元以及驱动板，所述控制器、所述驱动板以及所述变频单元依次电连接，所述变频单元与所述电机电连接；

所述驱动板用于响应所述脉宽调制信号而输出开关信号至所述变频单元；

所述变频单元用于响应所述开关信号而导通或截止以调整所述电机的运行频率。

进一步地，所述变频单元包括电源电路、整流电路、电解电容以及逆变电路，所述电源电路、所述整流电路、所述电解电容以及所述逆变电路依次电连接。

进一步地，所述参数采集模块包括旋转角度采集单元以及相电流采集单元，所述旋转角度采集单元设置于所述电机的转轴，所述控制器与所述旋转角度采集单元以及所述相电流采集单元均电连接，所述相电流采集单元与所述电机电连接；

所述旋转角度采集单元用于采集所述电机的实际旋转角度，并将所述实际旋转角度传输至所述控制器；

所述相电流采集单元用于采集所述相电流，并将所述相电流传输至所述控制器。

进一步地，所述铝型材挤压机还包括信号处理模块，所述参数采集模块、所述信号处理模块以及所述控制器依次电连接；

所述信号处理模块用于对所述实际旋转角度及所述相电流进行去噪、放大处理。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电机控制方法，应用于一铝型材挤压机，所述电机控制方法包括：

利用一参数采集模块采集所述电机的实际旋转角度以及输入至所述电机的相电流，并将所述实际旋转角度以及所述相电流传输至所述控制器；

利用一控制器依据所述实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及所述相电流确定脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

利用一驱动模块响应所述脉宽调制信号而调整所述电机的运行频率。

本发明实施例提供的铝型材挤压机，包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块以及挤压设备，控制器与驱动模块以及参数采集模块电连接，电机与驱动模块及参数采集模块均电连接，电机与挤压设备连接，控制器用于依据实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及相电流确定脉宽调制信号，驱动模块用于响应脉宽调制信号而调整电机的运行频率，电机用于响应脉宽调制信号而运行以带动挤压设备运行；其中，控制器通过对旋转角度以及电流的双闭环控制，在大大提高电机的响应速度的同时，还提高了控制精度，使得电机在极低频率下仍然能稳定运行，从而提高铝型材挤压机制作的铝条的合格率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的铝型材挤压机的电路结构框图。

图2示出了本发明实施例提供的铝型材挤压机的进一步的电路结构框图。

图3示出了本发明实施例提供的第一信号处理单元的电路图。

图4示出了本发明实施例提供的控制器的拓扑结构图。

图5示出了本发明实施例提供的电机控制方法的流程图。

图标：100-铝型材挤压机；110-参数采集模块；112-旋转角度采集单元；114-相电流采集单元；120-信号处理模块；122-第一信号处理单元；124-第二信号处理单元；130-控制器；140-驱动模块；150-电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

第一实施例

本发明实施例提供了一种铝型材挤压机100，用于制造铝条。请参阅图1，为本发明实施例提供的铝型材挤压机100的电路结构框图。该铝型材挤压机100包括控制器130、电机150、驱动模块140、参数采集模块110、信号处理模块120以及挤压设备，参数采集模块110、信号处理模块120、控制器130、驱动模块140以及电机150依次电连接，参数采集模块110还与电机150电连接，电机150与挤压设备连接。

其中，参数采集模块110用于采集电机150的实际旋转角度以及输入至电机150的相电流，并将实际旋转角度以及相电流传输至控制器130。

请参阅图2，具体地，参数采集模块110包括旋转角度采集单元112以及相电流采集单元114。旋转角度采集单元112设置于电机150的转轴，并与信号处理模块120电连接，用于采集电机150的实际旋转角度，并将实际旋转角度经由信号处理模块120传输至控制器130。相电流采集单元114与电机150以及信号处理模块120电连接，用于采集输入至电机150的相电流，并将相电流经由信号处理模块120传输至控制器130。

需要说明的是，旋转角度采集单元112可以是但不仅限于旋转编码器、曲轴传感器等。在一种优选的实施例中，旋转角度采集单元112为旋转编码器，且旋转编码器旋转一周，产生131072(17bit)个角度位置信号，从而角度检测分辨率可达0.00275度(360/131072)，从而旋转编码器可精确检测电机150的旋转角度，以实现控制电机150达到极低速度的状态。

在一种优选的实施例中，相电流采集单元114为霍尔电流传感器。

此外，需要说明的是，在本实施例中，输入至电机150的相电流包括u相电流i_u以及v相电流i_v。

信号处理模块120与控制器130及参数采集模块110均电连接，用于对实际旋转角度及相电流进行去噪、放大处理。通过设置信号处理模块120，使得参数采集模块110采集到的参数更加接近实际值，并尽可能压缩信号电压的上下沿延迟时间，使信号的失真率降到最低，以达到控制电机150运行的准确度，提高产品精度的目的。

具体地，信号处理模块120包括第一信号处理单元122以及第二信号处理单元124，旋转角度采集单元112、第一信号处理单元122以及控制器130依次电连接，第二信号处理单元124、相电流采集单元114以及控制器130依次电连接。

请参阅图3，为第一信号处理单元122的电路图。第一信号处理单元122包括光电耦合器及运算放大器，光电耦合器的信号输入端与参数采集模块110电连接，光电耦合器的第一信号输出端及第二信号输出端分别与运算放大器的同相输入端、反向输入端电连接，光电耦合器的第三信号输出端与运算放大器的同相输入端电连接，运算放大器的信号输出端与控制器130电连接。

需要说明的是，第二信号处理单元124的电路图与第一信号处理单元122的电路图一致，因此在此不再赘述。

控制器130用于依据实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及相电流确定脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至驱动模块140。

请参阅图4，为控制器130的拓扑结构图。具体地，控制器130用于首先依据实际旋转角度及相电流计算q轴电流以及d轴电流。

其中，控制器130在依据实际旋转角度及相电流计算q轴电流以及d轴电流的过程中，首先对实际旋转角度进行积分运算以确定电机150的磁场角度信号，接着依据磁场角度信号及相电流计算q轴电流以及d轴电流。

具体地，首先对u相电流i_u以及v相电流i_v进行Clark运算，再将进行Clark运算后的结果结合实际旋转角度进行Park运算，则可以计算出q轴电流以及d轴电流。

控制器130还用于依据实际旋转角度、预设旋转角度以及q轴电流确定计算电机150的q轴电压给定量。

其中，控制器130依据实际旋转角度、预设旋转角度以及q轴电流确定计算电机150的q轴电压给定量的过程中，首先基于PI调节器算法并依据实际旋转角度及预设旋转角度计算q轴电流参考值，再基于PI调节器算法并依据q轴电流参考值及q轴电流计算q轴电压给定量。

具体地，先计算实际旋转角度与预设旋转角度的差值，再对差值做PI调节器算法后，便能计算出q轴电流参考值。相应的，计算出q轴电流参考值与q轴电流的差值后，再对差值做PI调节器算法后，便能计算出q轴电压给定量。

控制器130还用于依据d轴电流以及预设定的d轴电流参考值计算电机150的d轴电压给定量。

在一种优选的实施例中，预设定的d轴电流参考值为0。

其中，控制器130用于基于PI调节器算法并依据d轴电流及预设定的d轴电流参考值计算d轴电压给定量。具体地，在计算出d轴电流参考值与d轴电流的差值后，再对差值做PI调节器算法后，便能计算出d轴电压给定量。

控制器130还用于依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

控制器130通过对旋转角度以及电流的双闭环控制，在大大提高电机150的响应速度的同时，还提高了控制精度，使得电机150在极低频率下仍然能稳定运行，从而提高铝型材挤压机100制作的铝条的合格率。

驱动模块140用于响应脉宽调制信号而调整电机150的运行频率。驱动模块140包括变频单元以及驱动板，控制器130、驱动板以及变频单元依次电连接，变频单元与电机150电连接；驱动板用于响应脉宽调制信号而输出开关信号至变频单元；变频单元用于响应开关信号而导通或截止以调整电机150的运行频率。

变频单元包括电源电路、整流电路、电解电容以及逆变电路，电源电路、整流电路、电解电容以及逆变电路依次电连接。

其中，电源电路为电路提供交流电；整流电路用于将交流电变换为直流电；电解电容用于过滤经整流电路整流后仍然存在的交流电；逆变电路与控制器130电连接，用于在脉宽调制信号的控制下，输出电压至电机150，实现对电机150频率的控制。

电机150用于响应脉宽调制信号而运行以带动挤压设备运行。

挤压设备用于在电机150的驱动下工作以制作铝条。

第二实施例

请参阅图5，图5为本发明较佳实施例提供的一种电机控制方法的流程图。需要说明的是，本实施例所提供的电机控制方法，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。该电机控制方法包括：

步骤S501：利用一参数采集模块110采集电机150的实际旋转角度以及输入至电机150的相电流，并将实际旋转角度以及相电流传输至控制器130。

步骤S502：利用一控制器130依据实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及相电流确定脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至驱动模块140。

步骤S503：利用一驱动模块140响应脉宽调制信号而调整电机150的运行频率。

综上所述，本发明提供的铝型材挤压机，包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块以及挤压设备，控制器与驱动模块以及参数采集模块电连接，电机与驱动模块及参数采集模块均电连接，电机与挤压设备连接，控制器用于依据实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及相电流确定脉宽调制信号，驱动模块用于响应脉宽调制信号而调整电机的运行频率，电机用于响应脉宽调制信号而运行以带动挤压设备运行；其中，控制器通过对旋转角度以及电流的双闭环控制，在大大提高电机的响应速度的同时，还提高了控制精度，使得电机在极低频率下仍然能稳定运行，从而提高铝型材挤压机制作的铝条的合格率。

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 (8)

1.一种铝型材挤压机，其特征在于，所述铝型材挤压机包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块以及挤压设备，所述控制器与所述驱动模块以及所述参数采集模块电连接，所述电机与所述驱动模块及所述参数采集模块均电连接，所述电机与所述挤压设备连接；

所述参数采集模块用于采集所述电机的实际旋转角度以及输入至所述电机的相电流，并将所述实际旋转角度以及所述相电流传输至所述控制器；

所述控制器用于依据所述实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及所述相电流确定脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

所述驱动模块用于响应所述脉宽调制信号而调整所述电机的运行频率；

所述电机用于响应所述脉宽调制信号而运行以带动所述挤压设备运行；所述控制器用于依据所述实际旋转角度及所述相电流计算q轴电流以及d轴电流；

所述控制器还用于依据所述实际旋转角度、所述预设旋转角度以及所述q轴电流确定计算所述电机的q轴电压给定量；

所述控制器还用于依据所述d轴电流以及预设定的d轴电流参考值计算所述电机的d轴电压给定量；

所述控制器还用于依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成所述脉宽调制信号；

所述控制器用于对所述实际旋转角度进行积分运算以确定所述电机的磁场角度信号；

所述控制器还用于依据所述磁场角度信号及所述相电流计算所述q轴电流以及所述d轴电流。

2.根据权利要求1所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述控制器用于基于PI调节器算法并依据所述实际旋转角度及所述预设旋转角度计算q轴电流参考值；

所述控制器还用于基于PI调节器算法并依据所述q轴电流参考值及所述q轴电流计算q轴电压给定量。

3.根据权利要求1所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述控制器用于基于PI调节器算法并依据所述d轴电流及预设定的d轴电流参考值计算所述d轴电压给定量。

4.根据权利要求1所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述驱动模块包括变频单元以及驱动板，所述控制器、所述驱动板以及所述变频单元依次电连接，所述变频单元与所述电机电连接；

所述驱动板用于响应所述脉宽调制信号而输出开关信号至所述变频单元；

所述变频单元用于响应所述开关信号而导通或截止以调整所述电机的运行频率。

5.根据权利要求4所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述变频单元包括电源电路、整流电路、电解电容以及逆变电路，所述电源电路、所述整流电路、所述电解电容以及所述逆变电路依次电连接。

6.根据权利要求1所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述参数采集模块包括旋转角度采集单元以及相电流采集单元，所述旋转角度采集单元设置于所述电机的转轴，所述控制器与所述旋转角度采集单元以及所述相电流采集单元均电连接，所述相电流采集单元与所述电机电连接；

所述旋转角度采集单元用于采集所述电机的实际旋转角度，并将所述实际旋转角度传输至所述控制器；

所述相电流采集单元用于采集所述相电流，并将所述相电流传输至所述控制器。

7.根据权利要求1所述的铝型材挤压机，其特征在于，所述铝型材挤压机还包括信号处理模块，所述参数采集模块、所述信号处理模块以及所述控制器依次电连接；

所述信号处理模块用于对所述实际旋转角度及所述相电流进行去噪、放大处理。

8.一种电机控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至权利要求7任一项所述的铝型材挤压机，其中铝型材挤压机包括控制器、电机、驱动模块、参数采集模块，所述电机控制方法包括：

利用一参数采集模块采集所述电机的实际旋转角度以及输入至所述电机的相电流，并将所述实际旋转角度以及所述相电流传输至所述控制器；

利用一控制器依据所述实际旋转角度、预设定的预设旋转角度以及所述相电流确定脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

利用一驱动模块响应所述脉宽调制信号而调整所述电机的运行频率。