CN109742982B - 一种功率可调的限功率控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种功率可调的限功率控制方法及控制器，包括：计算电机实际运行转速，并根据电机实际运行转速和当前占空比所对应的机械特性曲线估算当前负载转矩，进而得出电机实际输出功率；将电机实际输出功率与设定功率进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较电机实际输出功率与设定功率的大小，若电机实际输出功率小于设定功率，则将设定功率作为占空比设定，若电机实际输出功率大于设定功率，则计算目标占空比，并根据目标占空比对当前占空比进行调整，直至电机实际输出功率与设定功率差值在设定阈值内。

Description

一种功率可调的限功率控制方法及控制器

技术领域

本公开涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种功率可调的限功率控制方法及控制器。

背景技术

无刷直流电机具有体积小、重量轻、出力大、控制简单等一系列优点，在众多工业领域得到了广泛的应用。在实际应用中，为满足不同应用需求，往往需要无刷直流电机控制器具有功率可调的功能。同时为保证控制器的正常运行，应避免电机控制器输出功率超限，造成电气元件损坏情况的发生。普通的无刷直流电机控制器采用的双闭环调速是一种绝对硬特性的调速，在负载转矩变化时转速基本不变，但挖土机、电动钻具等一些应用领域希望在电机负载变化时转速也随之发生较大变化，且具有较快的响应。就发明人所知，目前市面上的控制器主要通过传感器检测母线电流或相电流来实现对功率的控制，增加了硬件成本，并且传感器一旦发生故障或检测受到干扰时，会发生功率计算不准，造成超限损坏控制器的情况。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开在不增加硬件成本的条件下，提供了一种功率可调的限功率控制方法及控制器。

为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：

一种功率可调的限功率控制方法，包括：

计算电机实际运行转速，并根据电机实际运行转速和当前占空比所对应的机械特性曲线估算当前负载转矩，进而得出电机实际输出功率；

将电机实际输出功率与设定功率进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较电机实际输出功率与设定功率的大小，若电机实际输出功率小于设定功率，则将设定功率作为占空比设定，若电机实际输出功率大于设定功率，则计算目标占空比，并根据目标占空比对当前占空比进行调整，直至电机实际输出功率与设定功率差值在设定阈值内。

进一步的，所述电机实际运行转速计算包括检测电机转子位置，并输出位置检测信号，根据检测信号计时电机转一个机械周期的时间，进而得到电机实际运行转速。

进一步的，所述当前占空比所对应的机械特性曲线由如下步骤得到：

通过实验测得不同占空比下电机的空载转速，不同占空比下加负载对应的电机实际转速；

将无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，对测试数据进行曲线拟合得出电机机械特性曲线斜率与占空比的关系以及电机机械特性曲线理想空载转速与占空比的关系；

根据理想空载转速及电机机械特性曲线斜率，得到当前占空比对应的机械特性曲线。

进一步的，所述目标占空比的计算包括：

根据设定功率和当前负载转矩计算得到目标转速；

根据目标转速和当前负载转矩确定目标特性曲线；

根据理想空载转速、电机机械特性曲线斜率、目标转速和当前负载转矩得到以目标占空比作为未知量的目标特性曲线方程；

求解目标特性曲线方程得到目标占空比。

进一步的，所述根据目标占空比对当前占空比进行调整具体包括：

将目标占空比与当前占空比进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较目标占空比与当前占空比的大小；

若目标占空比大于当前占空比，则将当前占空比逐步增加，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内；

若目标占空比小于当前占空比，则对其原因进行判断，若是由外部输入变小引起，则将目标占空比直接赋给当前占空比，否则将当前占空比逐步减小，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内。

一种功率可调的限功率控制器，包括电源模块、控制模块、驱动模块、功率模块和检测模块，其中

所述电源模块，其用于为各模块提供相应的低压直流电；

所述控制模块，其用于计算无刷直流电机的实际输出功率，并根据实际输出功率与设定功率的差值来调节当前占空比；

所述驱动模块，其用于接收控制模块的PWM信号并对其进行放大后发送至功率模块；

所述功率模块，其用于根据功率管导通情况调节无刷直流电机的供电电压，进而控制无刷直流电机的实际输出功率；

所述检测模块，其用于检测无刷直流电机的转子位置，并将检测信号发送至控制模块。

进一步的，所述控制模块用于根据检测模块的检测信号进行无刷直流电机的实际运行转速计算，并根据电机实际运行转速和当前占空比所对应的机械特性曲线估算当前负载转矩，进而得出电机实际输出功率。

进一步的，所述当前占空比所对应的机械特性曲线由如下步骤得到：

通过实验测得不同占空比下电机的空载转速，不同占空比下加负载对应的电机实际转速；

将无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，对测试数据进行曲线拟合得出电机机械特性曲线斜率与占空比的关系以及电机机械特性曲线理想空载转速与占空比的关系；

根据理想空载转速及电机机械特性曲线斜率，得到当前占空比对应的机械特性曲线。

进一步的，所述当前占空比调节包括：

将电机实际输出功率与设定功率进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较电机实际输出功率与设定功率的大小，若电机实际输出功率小于设定功率，则将设定功率作为占空比设定，若电机实际输出功率大于设定功率，则计算目标占空比，并将目标占空比与当前占空比进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较目标占空比与当前占空比的大小；

若目标占空比大于当前占空比，则将当前占空比逐步增加，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内；

若目标占空比小于当前占空比，则对其原因进行判断，若是由外部输入变小引起，则将目标占空比直接赋给当前占空比，否则将当前占空比逐步减小，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内。

进一步的，所述目标占空比的计算包括：

根据设定功率和当前负载转矩计算得到目标转速；

根据目标转速和当前负载转矩确定目标特性曲线；

根据理想空载转速、电机机械特性曲线斜率、目标转速和当前负载转矩得到以目标占空比作为未知量的目标特性曲线方程；

求解目标特性曲线方程得到目标占空比。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1)本公开通过外部模拟输入，实现不同功率的设定，并利用无刷直流电机机械特性近似直线的特点，在电机控制中通过软件实现对负载转矩的估算及功率的计算，不增加硬件成本，方法简单。

2)本公开通过实时监测负载转矩及电机转速，计算实际输出功率，与设定功率比较，通过调节占空比，有效限制控制器的功率输出，确保电机控制器的正常工作，可以满足系统控制的要求，增加系统运行的稳定性和安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开某一实施例的控制器硬件结构示意图；

图2为本公开某一实施例的控制器功率控制原理图；

图3为本公开某一实施例的电机机械特性曲线图；

图4为本公开某一实施例的负载转矩计算及变化判断流程图；

图5为本公开某一实施例的目标占空比计算流程图；

图6为本公开某一实施例的占空比更新流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

作为一种或多种实施例，如图1，一种功率可调的限功率控制器的硬件电路包括电源模块、控制模块、驱动模块、功率模块和检测模块五部分，其中：

所述电源模块通过电源转换芯片为各模块提供需要的低压直流电；

所述控制模块包括控制芯片及其外围电路，具体实施中，所述控制芯片具备模拟输入引脚1个，位置中断输入引脚3个，pwm输出引脚3个，高低点平输出引脚3个。具体的，所述控制模块一般为CPU的最小系统，为本领有技术人员所公知，在此不再赘述。

所述驱动模块包括驱动芯片电路，所述驱动芯片电路采用功率管驱动芯片，用于将控制芯片产生的控制信号放大来驱动功率开关管；

所述功率模块，包括滤波电路及三相全桥功率驱动电路，所述三相全桥功率驱动电路采用多管mos并联方式；

所述检测模块，为电机转子位置检测及信号调理电路，用于将霍尔输出的三路开漏信号调理后接入控制芯片电路。

由图1的硬件结构所组成的控制器的功率控制如图2所示，通过外部模拟输入，实现不同功率的设定，根据实际输出功率与设定功率的大小来选择控制模式，包括当实际输出功率小于设定功率时的常规控制方法，以及当实际输出功率大于设定功率时的限功率控制方法，当控制方法选择完毕后，通过PWM调节和逆变器进行无刷直流电机BLDC的占空比调节，其中，实际输出功率通过电机实际运行转速及负载转矩进行计算。

具体的，在实际控制系统中，功率可调的限功率控制方法具体实施步骤如下：

如图3，无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，根据理想空载转速及直线斜率，可以得到当前PWM占空比对应的机械特性曲线的方程。

具体实施中，通过标定不同PWM占空比下，电机的转速及负载转矩，经过曲线拟合，得到电机机械特性斜率K与占空比Duty的线性关系式及电机理想空载转速n₀与占空比Duty的线性关系式，根据理想空载转速n₀及斜率K，可以得到当前占空比Duty对应的机械特性曲线L的方程为：

n＝n₀+K*T

其中，n₀＝a₁*Duty+b₁，K＝a₂*Duty+b₂，a₁，b₁，a₂，b₂由曲线拟合得到。

同时，通过位置检测模块所测的位置霍尔信号可以准确计算当前的转速，具体为利用控制芯片的输入捕获功能，计时电机转一个机械周期的时间，可以得到电机实际转速为n(r/min)。

将转速n代入L方程，可以得到当前转矩T，计算公式为：

T＝(n₀-n)/(-K)

比较本次计算得到的转矩与上次计算得到的转矩，为提高控制系统稳定性，设置功率变化阈值，通过判断两次转矩值变化量是否超出阈值判断转矩变化，如果超过阈值，则认为负载转矩发生变化，置负载转矩变化标志位为1；反之，则认为负载转矩无变化，负载转矩变化标志位置位0，具体流程图如图4所示。

根据计算得到的转矩T，结合测得的实际转速n，根据功率公式可以计算得到实际输出功率，并与外部输入的给定功率P₀比较，实际输出功率与给定功率(即设定功率)大小情况有三种可能，即：

a、输出功率小于给定功率，如A(T₁，n₁)点，常规控制；

b、输出功率大于给定功率，如B(T₁，n_m)点，固定功率控制；

c、输出功率等于给定功率(或两者之差在设定阈值范围内)，不作处理。

(1)输出功率小于给定功率

当输出功率小于给定功率时，如果按照恒功率公式计算给定转速，会出现计算的给定转速超过电机最大运行转速的情况，即在当前负载下输出功率无法达到给定功率，此时应改用常规控制，把外部输入作为给定占空比Duty_ref。

(2)输出功率大于给定功率

当输出功率大于给定功率时，采用限功率控制。根据外部输出得到给定功率为P₀，按照功率公式计算目标转速n_ref，再结合当前转矩T₁从而确定目标特性曲线，由于目标特性曲线斜率与理想空载转速都是占空比的函数，结合机械特性斜率K及(T₁，n_ref)点，求解目标特性曲线的方程，得到目标占空比Duty_ref。

上述两种控制方式的具体流程图如图5所示。

实际控制中，得到目标占空比Duty_ref后对当前占空比的处理过程如下，比较Duty_ref和当前实际占空比Duty₁，如果两者之差未超过阈值，则不对当前占空比Duty₁进行修改；否则，比较目标占空比Duty_ref与当前占空比Duty₁的大小，如果当前占空比Duty_ref小于目标占空比Duty₁，需要将当前占空比Duty_ref增大，考虑实际情况中不希望转速瞬间有较大的变化，故增加占空比时按照一定步距缓慢增大占空比，每次增加一个步距，得到新的占空比Duty₁+step；如果当前占空比大于目标占空比，再次判断减小占空比是因内部计算引起还是由外部输入变小引起，如果是外部输入变小引起的给定占空比变小，则直接将目标占空比赋给当前占空比，否则按照一定步距缓慢减小，每次减小一个步距，得到新的占空比Duty₁-step。当占空比更新以后，由于电机转速不能立刻稳定到更新后的占空比对应的特性曲线上，为防止在这段时间再次更新占空比造成电机转速的不稳定，对占空比更新的频率进行了限制，具体可选择每隔200ms进行一次占空比的更新，占空比更新后，保持200ms不变，等下次定时到，再进行占空比的更新。具体流程图如图6所示。因需要较快响应负载扭矩及外部输入功率给定的变化，目标占空比的计算频率要求比转矩计算及占空比更新的频率高。

以增加功率给定为例对整个控制过程做进一步说明，假设电机当前稳定运行在(T₁，n₁)点，此时占空比为Duty₁，对应机械特性曲线图如图3所示的L₁直线。加速踏板输入增加，对应占空比到Duty₀，给定功率到P₀，电机当前运行在(T₁，n₁)点的输出功率为P_out，P_out＝T₁*n₁/9.55(w)。由图3可知输出功率P_out小于给定功率P₀，应采用常规控制，将Duty₀作为给定占空比Duty_ref，200ms定时时间到后占空比增加一个步距到Duty₁+step，此时对应机械特性曲线为L₂，对应电机转速为n₂，再次计算输出功率并比较输出功率与给定功率的关系，如果输出功率仍然小于给定功率，则继续增加占空比，重复上述过程，结果有两种可能：a、占空比增加到给定占空比Duty_ref(Duty₀)后，计算输出功率仍小于给定功率，则电机最终稳定运行在电机固有机械特性曲线L上；b、占空比增加m个步距到Duty₁+m*step时，电机输出功率超过给定功率，此时对应电机转速为n_m，则进行限功率控制，计算新的占空比给定值Duty_ref，电机最终稳定在恒功率曲线P₀上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种功率可调的限功率控制方法，其特征在于，包括：

计算电机实际运行转速，并根据电机实际运行转速和当前占空比所对应的机械特性曲线估算当前负载转矩，进而得出电机实际输出功率；

将电机实际输出功率与设定功率进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较电机实际输出功率与设定功率的大小，若电机实际输出功率小于设定功率，则将设定功率作为占空比设定，若电机实际输出功率大于设定功率，则计算目标占空比，并根据目标占空比对当前占空比进行调整，直至电机实际输出功率与设定功率差值在设定阈值内；

所述当前占空比所对应的机械特性曲线由如下步骤得到：

通过实验测得不同占空比下电机的空载转速，不同占空比下加负载对应的电机实际转速；

将无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，对测试数据进行曲线拟合得出电机机械特性曲线斜率与占空比的关系以及电机机械特性曲线理想空载转速与占空比的关系；

根据理想空载转速及电机机械特性曲线斜率，得到当前占空比对应的机械特性曲线。

2.如权利要求1所述的一种功率可调的限功率控制方法，其特征在于，所述电机实际运行转速计算包括检测电机转子位置，并输出位置检测信号，根据检测信号计时电机转一个机械周期的时间，进而得到电机实际运行转速。

3.如权利要求1所述的一种功率可调的限功率控制方法，其特征在于，所述目标占空比的计算包括：

根据设定功率和当前负载转矩计算得到目标转速；

根据目标转速和当前负载转矩确定目标特性曲线；

根据理想空载转速、电机机械特性曲线斜率、目标转速和当前负载转矩得到以目标占空比作为未知量的目标特性曲线方程；

求解目标特性曲线方程得到目标占空比。

4.如权利要求1所述的一种功率可调的限功率控制方法，其特征在于，所述根据目标占空比对当前占空比进行调整具体包括：

将目标占空比与当前占空比进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较目标占空比与当前占空比的大小；

若目标占空比大于当前占空比，则将当前占空比逐步增加，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内；

若目标占空比小于当前占空比，则对其原因进行判断，若是由外部输入变小引起，则将目标占空比直接赋给当前占空比，否则将当前占空比逐步减小，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内。

5.一种功率可调的限功率控制器，其特征在于，包括电源模块、控制模块、驱动模块、功率模块和检测模块，其中

所述电源模块，其用于为各模块提供相应的低压直流电；

所述控制模块，其用于计算无刷直流电机的实际输出功率，并根据实际输出功率与设定功率的差值来调节当前占空比；

所述驱动模块，其用于接收控制模块的PWM信号并对其进行放大后发送至功率模块；

所述功率模块，其用于根据功率管导通情况调节无刷直流电机的供电电压，进而控制无刷直流电机的实际输出功率；

所述检测模块，其用于检测无刷直流电机的转子位置，并将检测信号发送至控制模块；

所述当前占空比所对应的机械特性曲线由如下步骤得到：

通过实验测得不同占空比下电机的空载转速，不同占空比下加负载对应的电机实际转速；

将无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，对测试数据进行曲线拟合得出电机机械特性曲线斜率与占空比的关系以及电机机械特性曲线理想空载转速与占空比的关系；

根据理想空载转速及电机机械特性曲线斜率，得到当前占空比对应的机械特性曲线。

6.如权利要求5所述的一种功率可调的限功率控制器，其特征在于，所述控制模块用于根据检测模块的检测信号进行无刷直流电机的实际运行转速计算，并根据电机实际运行转速和当前占空比所对应的机械特性曲线估算当前负载转矩，进而得出电机实际输出功率。

7.如权利要求6所述的一种功率可调的限功率控制器，其特征在于，所述当前占空比所对应的机械特性曲线由如下步骤得到：

通过实验测得不同占空比下电机的空载转速，不同占空比下加负载对应的电机实际转速；

将无刷直流电机机械特性曲线近似为直线，对测试数据进行曲线拟合得出电机机械特性曲线斜率与占空比的关系以及电机机械特性曲线理想空载转速与占空比的关系；

根据理想空载转速及电机机械特性曲线斜率，得到当前占空比对应的机械特性曲线。

8.如权利要求5所述的一种功率可调的限功率控制器，其特征在于，所述当前占空比调节包括：

将电机实际输出功率与设定功率进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较电机实际输出功率与设定功率的大小，若电机实际输出功率小于设定功率，则将设定功率作为占空比设定，若电机实际输出功率大于设定功率，则计算目标占空比，并将目标占空比与当前占空比进行差值计算，若两者之差超过设定阈值，则比较目标占空比与当前占空比的大小；

若目标占空比大于当前占空比，则将当前占空比逐步增加，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内；

若目标占空比小于当前占空比，则对其原因进行判断，若是由外部输入变小引起，则将目标占空比直接赋给当前占空比，否则将当前占空比逐步减小，直至其与目标占空比的差值在设定阈值内。

9.如权利要求8所述的一种功率可调的限功率控制器，其特征在于，所述目标占空比的计算包括：

根据设定功率和当前负载转矩计算得到目标转速；

根据目标转速和当前负载转矩确定目标特性曲线；

根据理想空载转速、电机机械特性曲线斜率、目标转速和当前负载转矩得到以目标占空比作为未知量的目标特性曲线方程；

求解目标特性曲线方程得到目标占空比。

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