CN109474218A - 基于foc的电动工具控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FOC的电动工具控制装置，该FOC的电动工具控制装置包括：电源模块、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路、逆变桥和电机，功率跟随器用于采集电源模块输出至逆变桥的母线电压和母线电流，并根据逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流至FOC控制器；FOC控制器用于根据参考电流输出驱动信号至预驱动电路，并采集电机的相电流后根据电机的相电流计算出电机速度和电机功率，将电机速度和电机功率反馈到功率跟随器，以使功率跟随器根据电机速度和电机功率调整参考电流；预驱动电路用于将FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动逆变桥的高压驱动信号，以控制所述电机运转。本发明降低了基于FOC的电动工具控制装置的成本，提高了使用寿命。
Description
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FOC的电动工具控制装置。
背景技术
目前，需要通过交流转直流供电的电动工具控制系统基本都有具有在二极管将交流转为直流之后需要通过很大容量的母线电容对电压滤波，系统功率越大需要的电容的容值也就越大，而现在市面上大容量的电容基本都以电解电容为主，大电解电容的体量很大，会极大地增加设备的体积，电容的价格会随着容值的增加而增加，电解电容的寿命有限，在整流器中大量使用电解电容也会影响到整个电路系统的寿命。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于FOC的电动工具控制装置，旨在解决降低基于FOC的电动工具控制装置的成本，提高使用寿命。
为实现上述目的，本发明提出一种基于FOC的电动工具控制装置，该FOC的电动工具控制装置包括：电源模块、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变桥，所述电源模块分别与所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥连接，且所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥依次顺序连接，所述逆变桥用于连接电机；其中，
所述功率跟随器，用于采集所述电源模块输出至所述逆变桥的母线电压和母线电流，并根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流至所述FOC控制器；
所述FOC控制器，用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流后根据所述电机的相电流计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器根据所述电机速度和电机功率调整所述参考电流；
所述预驱动电路，用于将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变桥的高压驱动信号，以控制所述电机运转。
可选地，所述电源模块中包含有滤波电容，所述滤波电容的容值小于或者等于20uF。
可选地，所述功率跟随器包括速度环PI电路和功率环PI电路，所述速度环PI电路与所述功率环PI电路依次顺序连接。
可选地，所述功率跟随器通过ADC采样所述电源模块输出至逆变桥的母线电压、母线电流。
可选地，所述FOC控制器包括转子磁通PI控制器、转子转矩PI控制器、第一坐标变换器、第二坐标变换器、第三坐标变换器、驱动信号输出电路、第四坐标变换器、第五坐标变换器、电流采集重构电路和角度输出电路，其中，
所述转子磁通PI控制器的第一端和所述转子转矩PI控制器的第一端分别连接所述功率跟随器的第二端，所述转子磁通PI控制器的第二端和所述转子转矩PI控制器的第二端分别连接所述第一坐标变换器的第一端，所述第一坐标变换器的第二端连接所述第二坐标变换器的第一端，所述第二坐标变换器的第二端连接所述第三坐标变换器的第一端，所述第三坐标变换器的第二端连接所述驱动信号输出电路的第一端，所述驱动信号输出电路的第二端连接所述预驱动电路的第一端，所述第四坐标变换器的第一端分别连接所述转子磁通PI控制器的第一端和所述转子转矩PI控制器的第一端，所述第四坐标变换器的第二端连接所述第五坐标变换器的第一端，所述第五坐标变换器的第二端连接所述电流采集重构电路，所述第一坐标变换器与所述第四坐标变换器互相连接，所述角度输出电路连接于所述第一坐标变换器与所述第四坐标变换器之间。
可选地，所述角度输出电路包括有采集所述电机转子位置的角度传感器。
可选地，所述电源模块输出至逆变桥的母线电压、母线电流为100HZ馒头波状波形。
本发明技术方案通过采用基于FOC的电动工具控制装置包括电源模块、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变桥，所述电源模块分别与所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥连接，且所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥依次顺序连接，所述逆变桥用于连接电机；所述电源模块，用于给所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥提供电源，由于所述电源模块中不具有大电解电容，就使得基于FOC的电动工具控制装置的体量减小、成本降低，同时没有大电解电容的限制，提高控制装置的使用寿命；所述功率跟随器，用于采集所述电源模块输出至所述逆变桥的母线电压和母线电流，并根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流至所述FOC控制器，由于所述功率跟随器的控制，不需要使用PFC功率因数校正，就使得整个基于FOC的电动工具控制装置的功率因数得到提高，也减小了控制装置的成本；所述FOC控制器，用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流后根据所述电机的相电流计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器根据所述电机速度和电机功率调整所述参考电流；所述预驱动电路，用于将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变桥的高压驱动信号，以控制所述电机运转，本发明技术方案基于FOC的电动工具控制装置不需要大电解电容对电压的滤波，同样能达到电压稳定，降低了基于FOC的电动工具控制装置的成本，提高了使用寿命。
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FOC的电动工具控制装置一实施例的结构示意图；
图2为本发明基于FOC的电动工具控制装置中功率跟随器一实施例的结构示意图；
图3为本发明基于FOC的电动工具控制装置中FOC控制器一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 电源模块 | 320 | 转子转矩PI控制器 |
| 200 | 功率跟随器 | 330 | 第一坐标变换器 |
| 300 | FOC控制器 | 340 | 第二坐标变换器 |
| 400 | 预驱动电路 | 350 | 第三坐标变换器 |
| 500 | 逆变桥 | 360 | 驱动信号输出电路 |
| 600 | 电机 | 370 | 第四坐标变换器 |
| 210 | 速度环PI电路 | 380 | 第五坐标变换器 |
| 220 | 功率换PI电路 | 390 | 电流采集重构电路 |
| 310 | 转子磁通PI控制器 | 395 | 角度输出电路 |
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FOC的电动工具控制装置。
在本发明一实施例中，如图1所示，该FOC的电动工具控制装置包括：电源模块100、功率跟随器200、FOC控制器300、预驱动电路400和逆变桥500，所述电源模块100分别与所述功率跟随器200、所述FOC控制器300、所述预驱动电路400和所述逆变桥500连接，且所述功率跟随器200、所述FOC控制器300、所述预驱动电路400和所述逆变桥500依次顺序连接，所述逆变桥500用于连接电机600；其中，
所述功率跟随器200，用于采集所述电源模块100输出至所述逆变桥500的母线电压和母线电流，并根据所述逆变桥500的母线电压和母线电流输出参考电流至所述FOC控制器300；
所述FOC控制器300，用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路400，并采集所述电机600的相电流后根据所述电机600的相电流计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器200，以使所述功率跟随器200根据所述电机速度和电机功率调整所述参考电流；
所述预驱动电路400，用于将所述FOC控制器300输出的驱动信号转换成驱动所述逆变桥500的高压驱动信号，以控制所述电机600运转。
本实施例中，电源模块100用于给所述功率跟随器200、所述FOC控制器300、所述预驱动电路400和所述逆变桥500提供电源；所述功率跟随器200、所述FOC控制器300、所述预驱动电路400和所述逆变桥500依次顺序连接，可以理解的是，本实施例中功率跟随器200的第二端连接FOC控制器300的第一端，FOC控制器300的第二端连接到预驱动电路400的第一端，此处FOC控制器300的第一端也即是IQREF参考电流的输入端，FOC控制器300的第二端也即是驱动信号的输出端，预驱动电路400的第二端连接逆变桥500的第一端，逆变桥500的第二端连接电机600，也即是在FOC的电动工具控制装置中速度给定到功率跟随器200，功率跟随器200输出参考电流IQREF给定到FOC控制器300，控制FOC控制器300的输出，FOC控制器300采集电机600的相电流进行计算，根据所述电机600的相电流计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器200，与功率跟随器200配合调整输出目标参考电流到FOC控制器300，即是功率跟随器200调整后使得电机转速达到目标速度，再调整目标参考电流恒定输出至所述预驱动电路400，即是控制输出驱动信号至预驱动电路400，通过预驱动电路400将从FOC控制器300输出的驱动信号转换成高压驱动信号，以驱动逆变桥500控制电机600进行运转。
需要说明的是，在FOC的电动工具控制装置的电源模块100中不具有大容量电解电容，对于本实施例的方案，不需要通过大容量的电解电容进行电压滤波来维持电压的稳定，例如此大电解电容为470uF、4700uF等；由于没有大容量电解电容，基于FOC的电动工具控制装置就可以把电路做小，减小控制装置的体积；在对于一些大功率的设备因为没有足够大的单体电容继而采用组阵列的方式，而本方案采用基于FOC的电动工具控制装置就可以做到替代大容量电解电容和组阵列方式，实现减小电动工具控制装置的成本；在FOC的电动工具控制装置中通过功率跟随器200可以实现控制装置功率因数的提高，也就是由于本方案不使用大容量电解电容，在控制装置中整流器的二极管导通角就会大大增加，整个电路的谐波分量减少，能够达到很高的功率因数，就不需要再增加PFC功率因数校正，达到了减少控制装置的成本；此外，基于FOC算法控制和功率跟随器200的调整，能够保证电路中电压的稳定，因此，整个电路中也就不需要大电解电容去进行稳压，进而减少大电解电容对整个装置的寿命影响，提高了基于FOC电动工具控制装置的使用寿命。
本实施例中，所述电源模块100包括一个小于或者等于20uF的电容，在基于FOC的电动工具控制装置中不具有大容量电解电容，而包括一个很小的电容，此电容为小于或者等于20uF的电容，可以用于滤除FOC的电动工具控制装置中的高次谐波，可以理解的是，电源模块中很小的电容可以为15uF、10uF、8uF等，此处不做限制。
上述实施例中，通过在基于FOC的电动工具控制装置中设置电源模块100、功率跟随器200、FOC控制器300、预驱动电路400和逆变桥500，采用功率跟随器200控制采集所述电源模块输出至所述逆变桥的母线电压和母线电流，并根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流至所述FOC控制器，FOC控制器300根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流后根据所述电机的相电流计算出电机速度和电机功率，并将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以FOC控制器300与功率跟随器200的结合调整所述参考电流以输出驱动信号到预驱动电路400，通过预驱动电路400将驱动信号转换成高压驱动信号以驱动逆变桥500控制电机600正常运转，本实施例实现了基于FOC的电动工具控制装置的电压稳定，不需要连接大容量电解电容对电压滤波来维持电压的稳定，以此降低了基于FOC的电动工具控制装置的成本，提高了使用寿命。
在一实施例中，如图2所示，所述功率跟随器包括速度环PI电路210和功率环PI电路220，所述速度环PI电路210与所述功率环PI电路220依次顺序连接，可以理解的是，速度给定到速度环PI电路210的第一端，速度环PI电路210的第二端连接功率换PI电路220的第一端，功率换PI电路220的第二端连接到FOC控制器的第一端，根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流到FOC控制器。
本实施例中，在功率跟随器中，速度环输入值和FOC控制器中计算的电机速度反馈值进行比较后的差值在速度环做PID调节处理后输出到电流环，速度环的反馈通过功率跟随器中编码器反馈后的值经过速度运算器获得，需要说明的是，PID调节主要是比例增益和积分，速度环PI电路包含了速度环和电流环。速度环串联校正装置包括一个积分环节，以克服电机死区和功率放大器漂移造成的静态误差，保证静态精度指标，提高控制装置静态刚度。通过速度环PI电路再传输到功率环PI电路，可以理解的是，功率环输入值和FOC控制器中计算的电机功率反馈值进行比较后的差值在功率环做PID调节处理后输出，再根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流到FOC控制器。
本实施例中，所述速度环PI电路210为所述功率跟随器的控制外环，可以理解的是，速度环PI电路210作为控制外环通过模拟量的输入或脉冲的频率进行电机速度的控制，在有上位控制装置的外环控制时速度环PI电路210可以进行定位，把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算。以达到减少中间传动过程中的误差，增加了整个控制装置的定位精度。
本实施例中，所述功率跟随器通过ADC采样所述电源模块输出至逆变桥的母线电压、母线电流，可以理解的是，在功率跟随器中，可以通过ADC采样实现对电路中母线电压、母线电流的跟随，也即是功率的跟随，以达到提高整个控制装置的性能。
在一实施例中，如图3所示，所述FOC控制器包括转子磁通PI控制器310、转子转矩PI控制器320、第一坐标变换器330、第二坐标变换器340、第三坐标变换器350、驱动信号输出电路360、第四坐标变换器370、第五坐标变换器380、电流采集重构电路390和角度输出电路395，其中，
所述转子磁通PI控制器310的第一端和所述转子转矩PI控制器320的第一端分别连接所述功率跟随器的第二端，所述转子磁通PI控制器310的第二端和所述转子转矩PI控制器320的第二端分别连接所述第一坐标变换器330的第一端，所述第一坐标变换器330的第二端连接所述第二坐标变换器340的第一端，所述第二坐标变换器340的第二端连接所述第三坐标变换器350的第一端，所述第三坐标变换器350的第二端连接所述驱动信号输出电路360的第一端，所述驱动信号输出电路360的第二端连接所述预驱动电路的第一端，所述第四坐标变换器370的第一端分别连接所述转子磁通PI控制器310的第一端和所述转子转矩PI控制器320的第一端，所述第四坐标变换器370的第二端连接所述第五坐标变换器380的第一端，所述第五坐标变换器380的第二端连接所述电流采集重构电路390，所述第一坐标变换器330与所述第四坐标变换器370互相连接，所述角度输出电路395连接于所述第一坐标变换器330与所述第四坐标变换器370之间。
本实施例中，FOC控制器接收功率跟随器中参考电流IQREF的输入，再通过FOC控制器采集电机数据进行第一坐标变换器330、第二坐标变换器340、第三坐标变换器350、第四坐标变换器370、第五坐标变换器380及计算处理，使得驱动信号输出电路输出驱动信号到预驱动电路，电流采集重构电路390输出信号到逆变桥；可以理解的是，所述基于FOC的电动工具控制装置的控制核心为所述FOC控制器，也即是所述FOC控制器通过采集所述电机数据进行计算，并结合功率跟随器输出驱动信号；本实施例中FOC控制器的矢量控制来调整控制装置的输出频率、输出电压的大小及角度，配合电机使用，减少了基于FOC电动工具控制装置的成本及控制了较低的能耗，由于不受大容量电解电容的限制，也提高了基于FOC电动工具控制装置的使用寿命。
本实施例中，第一坐标变换器即是PARK逆变器，第二坐标变换器即是CLARKE逆变器，第三坐标变换器即是SVPWM逆变器，第四坐标变换器即是PARK变换器，第五坐标变换器即是CLARKE变换器；逆变桥500到电机600之间具有电流采集重构电路采集电机在运行的相电流，相电流包括IA、IB、IC，在FOC控制器中坐标轴变换包括PARK逆变器、CLARKE逆变器、SVPWM逆变器、CLARKE变换器和PARK变换器，CLARKE变换器和PARK变换器用于把三相旋转坐标轴电流IA，IB变换成D，Q轴垂直坐标轴ID，IQ电流信号；转子磁通PI控制器用于根据D轴参考电流IDREF和反馈电流信号D轴反馈电流IDREF，转子转矩PI控制器用于根据Q轴参考电流IQREF反馈电流信号和Q轴反馈电流IQREF，通过转子磁通PI控制器和转子转矩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；再通过PARK逆变器和CLARKE逆变器，即是坐标轴反变换把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；SVPWM变换输出用于把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。
本实施例中，所述角度输出电路包括有采集所述电机转子位置的角度传感器，即是所述角度输出电路中的角度通过角度传感器采集获得；可以理解的是，也可以通过FOC控制器的角度输出电路估算获得，以此估算出电机速度反馈到功率跟随器，使得功率跟随器和FOC控制器的配合控制电机的运转。
需要说明的是，在上述基于FOC的电动工具控制装置中的母线电压、母线电流和功率为100HZ馒头波状波形。
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FOC的电动工具控制装置，其特征在于，该FOC的电动工具控制装置包括：电源模块、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变桥，所述电源模块分别与所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥连接，且所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变桥依次顺序连接，所述逆变桥用于连接电机；其中，
所述功率跟随器，用于采集所述电源模块输出至所述逆变桥的母线电压和母线电流，并根据所述逆变桥的母线电压和母线电流输出参考电流至所述FOC控制器；
所述FOC控制器，用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流后根据所述电机的相电流计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器根据所述电机速度和电机功率调整所述参考电流；
所述预驱动电路，用于将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变桥的高压驱动信号，以控制所述电机运转。
2.如权利要求1所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述电源模块中包含有滤波电容，所述滤波电容的容值小于或者等于20uF。
3.如权利要求1所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述功率跟随器包括速度环PI电路和功率环PI电路，所述速度环PI电路与所述功率环PI电路依次顺序连接。
4.如权利要求3所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述功率跟随器通过ADC采样所述电源模块输出至逆变桥的母线电压、母线电流。
5.如权利要求1所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述FOC控制器包括转子磁通PI控制器、转子转矩PI控制器、第一坐标变换器、第二坐标变换器、第三坐标变换器、驱动信号输出电路、第四坐标变换器、第五坐标变换器、电流采集重构电路和角度输出电路，其中，
所述转子磁通PI控制器的第一端和所述转子转矩PI控制器的第一端分别连接所述功率跟随器的第二端，所述转子磁通PI控制器的第二端和所述转子转矩PI控制器的第二端分别连接所述第一坐标变换器的第一端，所述第一坐标变换器的第二端连接所述第二坐标变换器的第一端，所述第二坐标变换器的第二端连接所述第三坐标变换器的第一端，所述第三坐标变换器的第二端连接所述驱动信号输出电路的第一端，所述驱动信号输出电路的第二端连接所述预驱动电路的第一端，所述第四坐标变换器的第一端分别连接所述转子磁通PI控制器的第一端和所述转子转矩PI控制器的第一端，所述第四坐标变换器的第二端连接所述第五坐标变换器的第一端，所述第五坐标变换器的第二端连接所述电流采集重构电路，所述第一坐标变换器与所述第四坐标变换器互相连接，所述角度输出电路连接于所述第一坐标变换器与所述第四坐标变换器之间。
6.如权利要求5所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述角度输出电路包括有采集所述电机转子位置的角度传感器。
7.如权利要求1所述的基于FOC的电动工具控制装置，其特征在于，所述电源模块输出至逆变桥的母线电压、母线电流为100HZ馒头波状波形。
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