CN109861604A - 厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统：包括第一减法器、PI调节器模块、分时切换控制模块、第二减法器、PI调节器模块、PWM换向控制模块、基于电子飞轮的储能装置模块、高过载系数BLDC模块、粉碎系统模块、霍尔传感器模块、相电流计算模块和速度计算模块；发明还提供一种厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动方法：基于电子飞轮的储能装置模块和高过载系数BLDC模块的实现方法，本发明采用短时间最大负载转矩来设计电机的最大扭矩，选择高过载系数来设计电机的额定扭矩，配合特殊设计的电容容组来实现短时的重载粉碎驱动，具有短时间高过载系数的负载特性；相比现有的厨房垃圾处理器电机驱动系统具有体积小、成本低的优势。

Description

厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及一种厨房垃圾处理器专用电机驱动系统，具体涉及一种厨房垃圾处理器专用高过载系数无刷直流电机驱动系统及方法。

背景技术

厨房垃圾处理器是一种通过高速电机驱动碾磨件碾磨和粉碎食物残余物至粉末或小颗粒状而随水流下水道自然排出的清洁器具它能有效的将厨房中各种食物垃圾，能减少厨房异味，减少害虫骚扰，促进家人健康。经查阅，现有厨房垃圾处理已有的相关专利，主要对厨房垃圾处理器的机械结构进行了保护，如专利文献1(CN 105113591 A),其特征在于，底座具有封闭的侧壁和向下敞开的空腔，电机开关安装在空腔中，底座固定在下机壳内，其中，底座的侧壁与下机壳的底面抵接，能够有效防止流入机壳内的水进入电机开关装置所在的空腔中，从而改善了针对电机开关装置的防水性能，防止了电路短路或电机烧毁等事故。专利文献2(CN 207419620 U),其通过设置吸风口、排风口、除臭箱、抽风风机、净化箱、预过滤网、离子除臭装置、活性碳过滤网、电源、输风机、单片机和除臭按钮的配合使用，解决了传统厨房垃圾处理器，无法处理内部气味，需要人工手动进行拆卸，进行晾晒的问题。

目前还没有厨房垃圾处理器电机驱动系统的相关专利，且电机驱动系统作为厨房垃圾处理器的关键部件，其相比传统行业(比如空调、冰箱等)的驱动系统，具有短时间高过载系数(4倍以上)的负载特性。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统：包括第一减法器、PI调节器模块、分时切换控制模块、第二减法器、PI调节器模块、PWM换向控制模块、基于电子飞轮的储能装置模块、高过载系数BLDC模块、粉碎系统模块、霍尔传感器模块、相电流计算模块和速度计算模块；

上位机系统将给定速度ω^* _m输入到第一减法器中；

第一减法器根据给定速度ω^* _m和实际速度ω_m，经运算得出速度的误差值Δω_m，并将速度的误差值Δω_m输入到PI调节器模块中；

PI调节器模块根据输入的速度误差值Δω_m，经运算得出闭环给定交轴电流并将该闭环给定交轴电流输入到分时切换控制模块中；

人为设定开环给定交轴电流并输入到分时切换控制模块中；

分时切换控制模块根据输入的闭环和开环给定交轴电流和霍尔传感器模块的电机的实际角度θ_m，经运算得最终的给定交轴电流值并将最终的给定交轴电流值输入到第二减法器中；

第二减法器根据输入的最终的给定交轴电流值和相电流计算模块的实际交轴电流值i_q，经运算得出交轴电流的差值Δi_q，并将交轴电流的差值Δi_q输入到PI调节器模块中；

PI调节器模块根据输入的交轴电流的差值Δi_q，经运算得出给定空间电压矢量的幅值u_ref，并将给定空间电压矢量的幅值u_ref输入到PWM换向控制模块中；

PWM换向控制模块根据输入的霍尔传感器模块的电机的实际角度θ_m、给定空间电压矢量的幅值u_ref，经运算得出六路PWM，并将六路PWM输入到基于电子飞轮的储能装置模块中；

基于电子飞轮的储能装置模块根据输入的六路PWM，经运算输出三相电流值i_a、i_b、i_c，并将三相电流值i_a、i_b、i_c分别输入到高过载系数BLDC模块和相电流计算模块中；

高过载系数BLDC模块控制粉碎系统模块运行；

相电流计算模块根据输入的三相电流值i_a、i_b、i_c，经运算得出电机的实际交轴电流i_q，并将电机的实际交轴电流i_q输入到第二减法器中；

高过载系数BLDC模块上的霍尔传感器模块测得电机的实际角度θ_m，并将电机的实际角度θ_m分别输入到分时切换控制模块、PWM换向控制模块和速度计算模块中；

速度计算模块根据输入的电机的实际角度θ_m，经运算得出电机的实际速度ω_m，并将电机的实际速度ω_m输入到第一减法器中。

本发明还提供一种厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动方法：基于电子飞轮的储能装置模块和高过载系数BLDC模块的实现方法，包括以下步骤：

第一步：由公式(一)和(二)计算获得高过载系数BLDC模块的最大负载功率P_max和最大负载力矩T_max；

第二步：由公式(三)、(四)和(五)计算获得厨房垃圾处理器粉碎过程高过载系数BLDC模块的过载系数ρ、高过载系数BLDC模块输出的总能量T_mp和基于电子飞轮的储能装置模块的输出的能量T_cp；

第三步，由公式(六)计算获得基于电子飞轮的储能装置模块的电容容值C；

其中，n为电机转速，由霍尔传感器模块采集和计算而得；r为刀盘半径；F为电机粉碎时受到的总阻力；T_mp为高过载系数BLDC模块输出的总能量；T_cp为基于电子飞轮的储能装置模块的输出的能量；V₁是粉碎作业开始时电容两端的电压；V₂是粉碎作业结束时电容两端的电压；t_a为粉碎作业过程电机最大负载力矩维持的时间；t_c为粉碎作业的总时间；

第四步：由公式(七)、(八)计算得高过载系数BLDC模块的电机的额定功率P_rat、额定转矩T_rat；

高过载系数BLDC模块控制粉碎系统模块运行。

作为对本发明厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动方法的改进：分时切换控制模块的实现方法，包括以下步骤：

第一步：对电机的实际输出功率P和最大相电流i值进行实时计算；

第二步：将实际输出功率P和最大相电流i值分别与电机的输出功率过载阀值P_c和电流过载阀值i_c进行比较；

状态一：当P＜P_c且i＜i_c时，根据电机的实际角度θ_m计算电机运行圈数n，系统将根据电机运行圈数n的值，来判断系统下一步的运行模式；

A、当电机运行圈数n小于5时，系统进入速度开环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为开环给定交轴电流

B、当电机运行圈数n大于等于5时，系统进入速度闭环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为闭环给定交轴电流

状态二：当P≥P_c且i＜i_c时，系统进入堵转运行控制模式：系统将根据电机反转运行的次数z的值，来判断系统下一步的运行模式；

A、当电机反转次数z小于5时，则电机继续反转运行，回到第一步运行；

B、当电机反转次数z大于等于5时，z清零，同时电机发生堵转保护，立即停机报警；

状态三：当i≥i_c时，则电机立即停机报警。

本发明厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统及方法的技术优势为：

现有无刷直流电机驱动系统设计时，大多采用长时间最大负载转矩来设计电机的额定扭矩，3倍的额定扭矩来设计电机的最大过载扭矩。但一些特殊场合，其工况需要的最大负载力矩只是瞬时需要，大部分时间在轻载运行。采用现有方案，存在效率低、体积大、功率密度低的问题，限制了其应用。本发明作为厨房垃圾处理器的关键部件，采用短时间最大负载转矩来设计电机的最大扭矩(如图2所示)，选择高过载系数(大于等于4倍)来设计电机的额定扭矩，配合特殊设计的电容容组(如图3所示)来实现短时的重载粉碎驱动，其相比传统行业(比如空调、冰箱等)的驱动系统，具有短时间高过载系数的负载特性；相比现有的厨房垃圾处理器电机驱动系统具有体积小、成本低的优势。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统的原理框图；

图2为高过载无刷直流电机驱动系统的负载特性曲线图；

图3为基于电子飞轮的储能装置模块7的原理框图；

图4为分时切换模块3的实现原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统，如图1所示，包括第一减法器1、PI调节器模块2、分时切换控制模块3、第二减法器4、PI调节器模块5、PWM换向控制模块6、基于电子飞轮的储能装置模块7、高过载系数BLDC模块8、粉碎系统模块9、霍尔传感器模块10、相电流计算模块11和速度计算模块12。

上位机系统将给定速度ω^* _m输入到第一减法器1中。

第一减法器1根据给定速度ω^* _m和实际速度ω_m，经运算得出速度的误差值Δω_m，并将速度的误差值Δω_m输入到PI调节器模块2中。

PI调节器模块2根据输入的速度误差值Δω_m，经运算得出闭环给定交轴电流并将该闭环给定交轴电流输入到分时切换控制模块3中。

人为设定开环给定交轴电流并输入到分时切换控制模块3中。

分时切换控制模块3根据输入的电机的实际角度θ_m、闭环和开环给定交轴电流经运算得最终的给定交轴电流值并将最终的给定交轴电流值输入到第二减法器4中。

第二减法器4根据输入的最终的给定交轴电流值和实际交轴电流值i_q，经运算得出交轴电流的差值Δi_q，并将交轴电流的差值Δi_q输入到PI调节器模块5中。

PI调节器模块5根据输入的交轴电流的差值Δi_q，经运算得出给定空间电压矢量的幅值u_ref，并将给定空间电压矢量的幅值u_ref输入到PWM换向控制模块6中。

PWM换向控制模块6根据输入的电机的实际角度θ_m、给定空间电压矢量的幅值u_ref，经运算得出六路PWM，并将六路PWM输入到基于电子飞轮的储能装置模块7中。

基于电子飞轮的储能装置模块7根据输入的六路PWM，经运算输出三相电流值i_a、i_b、i_c，并将三相电流值i_a、i_b、i_c分别输入到高过载系数BLDC模块8和相电流计算模块11中。

高过载系数BLDC模块8控制粉碎系统模块9运行；

相电流计算模块11根据输入的三相电流值i_a、i_b、i_c，经运算得出电机的实际交轴电流i_q，并将电机的实际交轴电流i_q输入到第二减法器4中。

高过载系数BLDC模块8上的霍尔传感器模块10测得电机的实际角度θ_m，并将电机的实际角度θ_m分别输入到分时切换控制模块3、PWM换向控制模块6和速度计算模块12中。

速度计算模块12根据输入的电机的实际角度θ_m，经运算得出电机的实际速度ω_m，并将其输入到第一减法器1中。

基于电子飞轮的储能装置模块7，如图3所示，包括整流桥71、限流电阻72、逆变器73、电子飞轮74(电容)。

市电输入到整流桥71中。

整流桥71根据输入的市电输出市电电流io，并输入到限流电阻72中。

限流电阻72根据输入的市电电流io和外部控制信号输出整流桥输出电流iS，并分别输入到电子飞轮74和逆变器73中。

电子飞轮74根据整流桥输出电流iS和逆变器输入电流信号_iDC，输出或接收电流iC到逆变器73或电子飞轮74中。

逆变器73根据PWM换向控制模块6输出的PWM信号和逆变器输入电流信号_iDC，经系统控制输出电机的三相电流值i_a、i_b、i_c。

其中，基于电子飞轮的储能装置模块7和高过载系数BLDC模块8的实现方法为：

第一步：根据图2，由公式(一)和(二)计算获得高过载系数BLDC模块8的最大负载功率P_max和最大负载力矩T_max。

第二步：由公式(三)、(四)和(五)计算获得厨房垃圾处理器粉碎过程高过载系数BLDC模块8的过载系数ρ(ρ≥4)、高过载系数BLDC模块8输出的总能量T_mp和基于电子飞轮的储能装置模块7的输出的能量T_cp。

第三步，由公式(六)计算获得基于电子飞轮的储能装置模块7的电容容值C。

其中，n为电机转速，由霍尔传感器模块10采集和计算而得；r为刀盘半径；F为电机粉碎时受到的总阻力；T_mp为高过载系数BLDC模块8输出的总能量；T_cp为基于电子飞轮的储能装置模块7的输出的能量；V₁是粉碎作业开始时电容两端的电压；V₂是粉碎作业结束时电容两端的电压；t_a为粉碎作业过程电机最大负载力矩维持的时间；t_c为粉碎作业的总时间。

第四步：由公式(七)、(八)计算得高过载系数BLDC模块8的电机的额定功率P_rat、额定转矩T_rat。

高过载系数BLDC模块8控制粉碎系统9运行。

分时切换控制模块3的实现方法为:

闭环给定交轴电流和人为设定开环给定交轴电流共同输入到分时切换控制模块3中；分时切换控制模块3根据输入的闭环和开环给定交轴电流经运算得最终的给定交轴电流值并将最终的给定交轴电流值输入到第二减法器4中。

具体实现方法如下:

第一步：对电机的实际输出功率P和最大相电流i值进行实时计算(现有公知技术)；

第二步：将实际输出功率P和最大相电流i值分别与电机的输出功率过载阀值P_c和电流过载阀值i_c进行比较，根据下面的三种状态进行控制模式的切换与控制。

状态一：当电机没有过流又没有过载时(此时P＜P_c且i＜i_c)，根据电机的实际角度θ_m计算电机运行圈数n，系统将根据电机运行圈数n的值，来判断系统下一步的运行模式。

A、当n小于5时，系统进入速度开环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为开环给定交轴电流其中开环给定交轴电流由外部人为设定。

B、当n大于等于5时，系统进入速度闭环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为闭环给定交轴电流

状态二：当电机没有过流但发生过载时(即P≥P_c,i＜i_c)，系统进入堵转运行控制模式：系统将根据电机反转运行的次数z的值，来判断系统下一步的运行模式。

A、当电机反转次数z小于5时，则电机继续反转运行，回到第一步运行；

B、当电机反转次数z大于等于5时，z清零，同时电机发生堵转保护，立即停机报警。

状态三：当电机发生过流时(i≥i_c)，则电机立即停机报警。

其中，为速度闭环运算后的给定交轴电流值，P_c为电机的输出功率过载阀值；i_c为电机的过流保护阀值，P、i、P_c、i_c的获得均为现有公知技术，根据电机可知。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动系统，其特征在于：包括第一减法器(1)、PI调节器模块(2)、分时切换控制模块(3)、第二减法器(4)、PI调节器模块(5)、PWM换向控制模块(6)、基于电子飞轮的储能装置模块(7)、高过载系数BLDC模块(8)、粉碎系统模块(9)、霍尔传感器模块(10)、相电流计算模块(11)和速度计算模块(12)；

上位机系统将给定速度ω^* _m输入到第一减法器(1)中；

第一减法器(1)根据给定速度ω^* _m和实际速度ω_m，经运算得出速度的误差值Δω_m，并将速度的误差值Δω_m输入到PI调节器模块(2)中；

PI调节器模块(2)根据输入的速度误差值Δω_m，经运算得出闭环给定交轴电流并将该闭环给定交轴电流输入到分时切换控制模块(3)中；

人为设定开环给定交轴电流并输入到分时切换控制模块(3)中；

分时切换控制模块(3)根据输入的闭环和开环给定交轴电流和霍尔传感器模块(10)的电机的实际角度θ_m，经运算得最终的给定交轴电流值并将最终的给定交轴电流值输入到第二减法器(4)中；

第二减法器(4)根据输入的最终的给定交轴电流值和相电流计算模块(11)的实际交轴电流值i_q，经运算得出交轴电流的差值Δi_q，并将交轴电流的差值Δi_q输入到PI调节器模块(5)中；

PI调节器模块(5)根据输入的交轴电流的差值Δi_q，经运算得出给定空间电压矢量的幅值u_ref，并将给定空间电压矢量的幅值u_ref输入到PWM换向控制模块(6)中；

PWM换向控制模块(6)根据输入的霍尔传感器模块(10)的电机的实际角度θ_m、给定空间电压矢量的幅值u_ref，经运算得出六路PWM，并将六路PWM输入到基于电子飞轮的储能装置模块(7)中；

基于电子飞轮的储能装置模块(7)根据输入的六路PWM，经运算输出三相电流值i_a、i_b、i_c，并将三相电流值i_a、i_b、i_c分别输入到高过载系数BLDC模块(8)和相电流计算模块(11)中；

高过载系数BLDC模块(8)控制粉碎系统模块(9)运行；

相电流计算模块(11)根据输入的三相电流值i_a、i_b、i_c，经运算得出电机的实际交轴电流i_q，并将电机的实际交轴电流i_q输入到第二减法器(4)中；

高过载系数BLDC模块(8)上的霍尔传感器模块(10)测得电机的实际角度θ_m，并将电机的实际角度θ_m分别输入到分时切换控制模块(3)、PWM换向控制模块(6)和速度计算模块(12)中；

速度计算模块(12)根据输入的电机的实际角度θ_m，经运算得出电机的实际速度ω_m，并将电机的实际速度ω_m输入到第一减法器(1)中。

2.利用权利要求1所述的驱动系统的厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动方法，其特征在于：基于电子飞轮的储能装置模块(7)和高过载系数BLDC模块(8)的实现方法，包括以下步骤：

第一步：由公式(一)和(二)计算获得高过载系数BLDC模块(8)的最大负载功率P_max和最大负载力矩T_max；

第二步：由公式(三)、(四)和(五)计算获得厨房垃圾处理器粉碎过程高过载系数BLDC模块(8)的过载系数ρ、高过载系数BLDC模块(8)输出的总能量T_mp和基于电子飞轮的储能装置模块(7)的输出的能量T_cp；

第三步，由公式(六)计算获得基于电子飞轮的储能装置模块(7)的电容容值C；

其中，n为电机转速，由霍尔传感器模块(10)采集和计算而得；r为刀盘半径；F为电机粉碎时受到的总阻力；T_mp为高过载系数BLDC模块(8)输出的总能量；T_cp为基于电子飞轮的储能装置模块(7)的输出的能量；V₁是粉碎作业开始时电容两端的电压；V₂是粉碎作业结束时电容两端的电压；t_a为粉碎作业过程电机最大负载力矩维持的时间；t_c为粉碎作业的总时间；

第四步：由公式(七)、(八)计算得高过载系数BLDC模块(8)的电机的额定功率P_rat、额定转矩T_rat；

高过载系数BLDC模块(8)控制粉碎系统模块(9)运行。

3.根据权利要求2所述的厨房垃圾处理器高过载无刷直流电机驱动方法，其特征在于：分时切换控制模块(3)的实现方法，包括以下步骤：

第一步：对电机的实际输出功率P和最大相电流i值进行实时计算；

第二步：将实际输出功率P和最大相电流i值分别与电机的输出功率过载阀值P_c和电流过载阀值i_c进行比较；

状态一：当P＜P_c且i＜i_c时，根据电机的实际角度θ_m计算电机运行圈数n，系统将根据电机运行圈数n的值，来判断系统下一步的运行模式；

A、当电机运行圈数n小于5时，系统进入速度开环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为开环给定交轴电流

B、当电机运行圈数n大于等于5时，系统进入速度闭环控制模式，此时最终的给定交轴电流值给定为闭环给定交轴电流

状态二：当P≥P_c且i＜i_c时，系统进入堵转运行控制模式：系统将根据电机反转运行的次数z的值，来判断系统下一步的运行模式；

A、当电机反转次数z小于5时，则电机继续反转运行，回到第一步运行；

B、当电机反转次数z大于等于5时，z清零，同时电机发生堵转保护，立即停机报警；

状态三：当i≥i_c时，则电机立即停机报警。