CN109450305A - 基于无感foc的吊扇电机控制方法、装置及吊扇 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无感FOC的吊扇电机控制方法、装置及吊扇，吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括：获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制电机进入静止状态；无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制电机运行。本发明技术方案实现了吊扇中电机无反转平滑启动。

Description

基于无感FOC的吊扇电机控制方法、装置及吊扇

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种基于无感FOC的吊扇电机控制方法、装置及吊扇。

背景技术

吊扇是现在生活中常见的物品，在吊扇中都使用电机来驱动扇叶的转动，而传统的电机启动控制主要是使用电机反电动势加比较器的方法检测电机初始转速，如果电机静止使用预定位到指定位置，会导致电机预定位到某个固定位置，并且由于扇叶的惯性在预定位置周围摆动，此过程会持续几秒钟，电机在预定位的基础上进行开环强拖然后切入闭环，这时候电机启动速度比较慢，加速过程不平滑，为了解决吊扇启动时候预定位而存在的客户体验差的问题，传统方案使用了hall来解决启动反偏问题，但是Hall位置受安装影响会影响电机效率，Hall易损坏，维修不方便。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种基于无感FOC的吊扇电机控制方法、装置及吊扇，旨在解决吊扇中电机启动的反转，启动不平滑的问题。

为实现上述目的，本发明提出的基于无感FOC的吊扇电机控制方法，吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，所述基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括：

获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；

根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制所述电机进入静止状态；

无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；

根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行。

可选地，所述获取采集的电机工作电流的步骤之后还包括：根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于正转状态时，控制所述电机继续保持当前运行状态。

可选地，所述获取采集的电机工作电流的步骤之后还包括：根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于静止状态时，执行所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置的步骤。

可选地，所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇静止时的电机转子初始位置包括：

无感FOC控制器按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VU、VW、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

可选地，所述控制所述电机进入静止状态具体为：无感FOC控制器将吊扇电机的目标工作电流预设为零。

为实现上述目的，本发明还提出一种基于无感FOC的吊扇电机控制装置，所述基于无感FOC的吊扇电机控制装置包括无感FOC控制器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的电机无感FOC控制程序；所述处理器执行所述电机无感FOC控制程序时实现如上所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法。

为实现上述目的，本发明还提出一种吊扇，所述吊扇包括如上所述的基于无感FOC的吊扇电机控制装置。

本发明技术方案通过采用吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，所述基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制所述电机进入静止状态；无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行。由于本发明技术方案是采用电机位置检测器获取吊扇电机转子初始位置、无感FOC控制器获取吊扇电机的目标工作电流控制吊扇电机平滑启动，当吊扇电机处于运行状态时，采用无感FOC控制算法的闭环控制调整电机运行达到吊扇的无反转启动，使得用算法控制吊扇电机正反转运行状态，避免了预定位，从而实现了吊扇中电机无反转平滑启动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明基于无感FOC的吊扇电机控制方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明无感FOC控制器检测初始位置一实施例的磁场方向图；

图3为本发明无感FOC控制器检测初始位置另一实施例的磁场方向图；

图4为本发明基于无感FOC的吊扇电机控制装置中无感FOC控制器一实施例的结构框图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种基于无感FOC的吊扇电机控制方法，应用于吊扇，吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，然而目前的吊扇都是使用传统的电机驱动控制，传统电机驱动控制主要是使用电机反电动势结合比较器的方法检测电机初始转速，如果电机静止使用预定位到指定位置，会导致电机预定位到某个固定位置，并且由于扇叶的惯性在预定位置周围摆动，此过程会持续几秒钟，电机在预定位的基础上进行开环强拖然后切入闭环，这时候电机启动速度比较慢，加速过程不平滑，为了解决吊扇启动时候预定位而存在的客户体验差的问题，传统方案使用了hall来解决启动反偏问题，但是Hall位置受安装影响会影响电机效率，Hall易损坏，维修不方便。

为了解决上述问题，在本发明一实施例中，如图1所示，所述基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括：

步骤S101，获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；

步骤S102，根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制所述电机进入静止状态；

步骤S103，无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；

步骤S104，根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行。

本实施例中，针对于基于无感FOC的吊扇电机控制方法中的吊扇电机可以是无刷直流电机，可以理解的是无刷直流电机是采用直流电源输入，电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机，由于以电子换向器取代了机械换向器，从而使得无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机的结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护。

本实施例中，电机位置检测器中运行电机位置检测算法，无感FOC控制器中运行无感FOC控制算法，即是无感磁场定向控制方法，也即矢量控制方法，是通过测量和控制电机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制；磁场定向控制，可以理解的是，转子磁场定向是仿照直流电动机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流(也即是励磁电流)和转矩分量电流(也即是负载电流)并分别加以控制，即磁通电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速装置的动态性能。进一步地，电机位置检测算法获取吊扇静止时的电机转子初始位置，无感FOC控制器获取吊扇电机的目标工作电流及通过坐标变换，将三相禁止坐标系转化为两项旋转坐标系，从而使三相交流耦合的定子电流转换为相互正交，独立解耦的转矩与励磁分量，从而达到类似于他励直流电动机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的。

需要说明的是，无感是指在无感FOC控制器中不具有传感器等，电机中转子的位置和速度信息都是来自于无感FOC控制器中的位置估算器，这样就使得在FOC控制算法中减少了传感器的使用，降低了应用于吊扇的基于无感FOC的吊扇电机控制装置的整体成本。可以理解的是，无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇静止时的电机转子初始位置，即是无感FOC控制器将吊扇电机的目标工作电流预设为零，并获取电机位置检测器当前检测的吊扇的电机转子初始位置；也即在采用电机无感FOC控制器将目标电流预设为0，如果电机处于静止转态，流过电机的电流几乎为0，此时电机位置检测器检测电机转子的当前位置及无感FOC控制器检测转子的当前速度，根据检测的电机转子的当前位置和转子的当前速度控制电机进入闭环运行；如果电机是处于运行转态，这时候电机就会有电流流过，就获取电流采集电路采集的电机当前工作电流，根据这时候电流采集电路采集到的电机当前工作电流，判断当电机为反转状态时，通过所述电机无感FOC控制器将所述电机驱动控制为静止状态后再通过无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置，根据此时的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行，使得电机变换为正常运行状态，以此实现吊扇电机的无反转平滑启动。

本实施例中，在所述获取采集的电机工作电流的步骤之后还包括根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于正转状态时，控制所述电机继续保持当前运行状态，可以理解的是，当前处于正转状态时，就不存在获取电机转子初始位置；在根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于静止状态时，执行所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置的步骤，可以理解的是，当确定电机处于静止状态时，可能会存在吊扇电机处于反偏状态，这里通过执行所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置，以实现吊扇电机的无反转平滑启动。

上述实施例中，对于基于无感FOC的吊扇电机控制方法，通过采用吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，所述基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制所述电机进入静止状态；无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行。由于本发明技术方案是采用无感FOC控制器中的无感FOC控制算法获取吊扇电机转子初始位置、吊扇电机的目标工作电流控制吊扇电机平滑启动，当吊扇电机处于运行状态时，采用无感FOC控制算法的闭环控制调整电机运行达到吊扇的无反转启动，整个过程中无感FOC控制器不具有传感器，使得减小了成本，同时用算法控制吊扇电机正反转运行状态，避免了预定位，从而实现了吊扇中电机无反转平滑启动。

在一实施例中，所述电机位置检测器获取电机转子初始位置包括：

电机位置检测器对按照预设的顺序对电机三相注入脉冲信号，获取所述电机静止时的转子初始位置。

电机位置检测器按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VU、VW、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

本实施例中，电机位置检测器中运行电机位置检测算法，通过电机位置检测算法获取电机转子初始位置是利用一些直流无刷电机的凸极性，即是因电机转子位置不同而造成的电机定子各相间电感不平衡的现象，而对电机定子各相注入脉冲信号，观察其由于电感不平衡而造成的反馈差异，以获取电机转子当前静止时的位置信息。可以理解的是，此处获取电机转子当前静止时的初始位置信息也即是通过电机位置检测器获取的电机转子初始位置。

本实施例中，直接脉冲注入检测法是给电机定子三相通相同的短时电流或电压信号，也即是向电机定子绕组顺序注入一系列的脉冲信号，电机U、V、W三个相线之间互相通脉冲信号，通过采集运放电路每一次通电时得到电流信号放大之后与比较器的负端进行比较来检测电流从相线一端到相线另外一端所用的时间，观察电机定子反馈回来的电压或电流信号差异，随后根据信号差异确定出对应的电机三相电感差异，最终估算获得电机转子的位置信息，使得吊扇在启动的时候提前知道当前转子所在角度，避免预定位的过程，以此达到较高的位置检测准确性，同时也可以省去电机内部的检测元件。

进一步地，电机位置检测器对电机各相注入脉冲信号，获取电机当前静止时的转子初始位置信息可以是直接脉冲注入检测法，也可以是间接高频信号注入检测法，可以理解的是，在电机位置检测器中能够实现获取电机当前静止时转子初始位置信息的算法都是可以的，此处不做限定。

本实施例中，对于电机位置检测器获取初始位置的直接脉冲注入检测法是基于电机定子铁芯非线性磁化特性来实现。可以理解的是，如图2所示的情况时，当定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体的磁场方向一致的时，气隙磁场等于转子磁场与定子磁场之和，此时定子铁芯的饱和程度增加，磁阻变大，绕组电感减小。如图3所示的情况时，电流产生的磁场方向与定子磁场方向相反，两个磁场相互抵消，使得定子铁芯饱和程度降低，磁阻变小，绕组电感增大。

此外，为了解决上述问题，在一实施例中，本发明还提出一种基于无感FOC的吊扇电机控制装置，所述基于无感FOC的吊扇电机控制装置包括无感FOC控制器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的电机无感FOC控制程序；所述处理器执行所述电机无感FOC控制程序时实现如上所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法。

本实施例中，如图4所示，所述基于无感FOC的吊扇电机控制装置具体包括无感FOC控制器，所述无感FOC控制器PI控制器100、第一坐标逆变器200、第二坐标逆变器300、三相全桥逆变器400、第一坐标变换器500、第二坐标变换器600和转子位置估算器700，其中，

所述PI控制器100的第一端输入参考电流，所述PI控制器100的第二端连接所述第一坐标逆变器200的第一端，所述第一坐标逆变器200的第二端连接所述第二坐标逆变器300的第一端，所述第二坐标逆变器300的第二端连接所述三相全桥逆变器400的第一端，所述三相全桥逆变器400的第二端连接所述电机800，所述第一坐标变换器500的第一端连接于所述三相全桥逆变器400的第二端与所述电机800之间，所述第一坐标变换器500的第二端连接所述第二坐标变换器600的第一端，所述第二坐标变换器600的第二端连接PI控制器100的第一端，所述第一坐标逆变器200与所述第二坐标变换器600互相连接，所述转子位置估算器700的第一端连接于所述第一坐标逆变器200与所述第二坐标变换器600之间，所述第一坐标变换器500的第二端与所述第二坐标变换器600的第一端之间连接所述转子位置估算器700。

本实施例中，在基于无感FOC的吊扇电机控制装置中，第一坐标逆变器200即是无感FOC控制器中PARK反变换，三相全桥逆变器即是无感FOC控制器中三相全桥逆变，第二坐标逆变器300即是无感FOC控制器中SVPWM变换，第一坐标变换器500即是无感FOC控制器中CLARKE变换，第二坐标变换器600即是无感FOC控制器中PARK变换，三相全桥逆变器400到电机800之间具有自动采集电机在运行的相电流，相电流包括Ia、Ib、Ic，可以理解的是，自动采集可以是包括单电阻采样、双电阻采样、三电阻采样和功率器件内阻采样等不同采样方式；在无感FOC控制器中坐标轴变换包括第一坐标变换器500和第二坐标变换器600，也即是无感FOC控制器中坐标轴变换包括CLARKE变换和PARK变换，用于把三相旋转坐标轴电流Ia、Ib、Ic变换成D，Q轴垂直坐标轴ID，IQ电流信号；电流环控制用于根据D轴参考电流IDREF，Q轴参考电流IQREF和反馈电流信号D轴反馈电流IDREF，Q轴反馈电流信号IQREF，通过PI控制器的PI算法对D轴，Q轴电流进行控制，并输到UD，UQ电压信号；坐标轴反变换用于把D，Q垂直坐标轴UD，UQ信号变换成α，β垂直旋转坐标轴Uα，Uβ电压信号；第二坐标逆变器300输出用于把α、β垂直旋转坐标轴Uα，Uβ电压信号变换成三相U、V、W输出占空比电压信号；转子位置估算器用于把Vα、Vβ、Iα、Iβ输入估算获得电机转子位置和速度信息。

需要说明的是，转子位置估算器方式可以是反正切法、PLL锁相环法等，以此获得电机角度信号θ和角速度信号Speed，从而使得对吊扇电机的高频噪音滤波，实现了减小吊扇电机运行噪音，提高吊扇电机的平滑启动。

由于该无感FOC控制装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

此外，为了解决上述问题，本发明还提出一种吊扇，所述吊扇包括如上所述的电机基于无感FOC的吊扇电机控制装置，由于该吊扇采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于无感FOC的吊扇电机控制方法，吊扇包括无感FOC控制器、用于检测吊扇静止时的电机转子初始位置的电机位置检测器及用于采集吊扇电机工作电流的电流采集电路，其特征在于，所述基于无感FOC的吊扇电机控制方法包括：

获取电流采集电路采集的电机当前工作电流；

根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于反转状态时，控制所述电机进入静止状态；

无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置；

根据获取的电机转子初始位置和吊扇电机的目标工作电流控制所述电机运行。

2.如权利要求1所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法，其特征在于，所述获取采集的电机工作电流的步骤之后还包括：根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于正转状态时，控制所述电机继续保持当前运行状态。

3.如权利要求1所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法，其特征在于，所述获取采集的电机工作电流的步骤之后还包括：根据采集的电机当前工作电流确定电机当前处于静止状态时，执行所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇电机处于静止状态时的电机转子初始位置的步骤。

4.如权利要求1所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法，其特征在于，所述无感FOC控制器获取电机位置检测器检测的吊扇静止时的电机转子初始位置包括：

无感FOC控制器按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VU、VW、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVU、IVW、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVU、tVW、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

5.如权利要求1所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法，其特征在于，所述控制所述电机进入静止状态具体为：无感FOC控制器将吊扇电机的目标工作电流预设为零。

6.一种基于无感FOC的吊扇电机控制装置，其特征在于，所述基于无感FOC的吊扇电机控制装置包括无感FOC控制器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的电机无感FOC控制程序；所述处理器执行所述电机无感FOC控制程序时实现如权利要求1-5中任意一项所述的基于无感FOC的吊扇电机控制方法。

7.一种吊扇，其特征在于，所述吊扇包括如权利要求6所述的基于无感FOC的吊扇电机控制装置。