CN109984677A - 基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，包括以下步骤：获取电机转速ω、转子和叶轮的转动惯量J、电机输出的电磁转矩t_e以及机械传动系统的阻尼系数B；将获取的参数带入电机机械运动方程，根据电机机械运动方程计算电机的负载转矩t_l为0时的估计速度ω_estimate；用估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，采用PI控制器对负载转矩t_l进行修正，以获得实际速度ω所对应的负载转矩t_l；将获得的负载转矩t_l与事先测得的阈值A比较，判断吸尘器的进气口是否堵孔。该方法根据电机的机械运动方程，靠电机内部的参数来检测的，更加准确，且能在较短时间内检测出全堵状态，精度较高。

Description

基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法

技术领域

本发明涉及吸尘器技术领域，特别是涉及一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，吸尘器已逐渐取代扫帚，成为主要的清理工具。吸尘器按结构可分为立式、卧式和便携式。吸尘器主要包括5个部件：进气口，排气口，气泵(由电机与风叶轮组成)，集尘收纳装置以及外壳吸尘器在工作时，气泵转动，将空气一直推到排气口。当空气被向前推动时，风扇前方的粒子密度会增加，空气压力也相应增加，而风扇后方的空气密度会减小，此时气泵后方的压力低于吸尘器外部的压力，即环境气压，从而在吸尘器内部产生吸力，形成一定的真空度。因此，吸尘器外部的空气就自动通过进气口进入吸尘器。

吸尘器工作时，永磁同步电机带动叶轮吸入空气，形成一定的真空度，进行吸尘。吸入的空气会经过电机和控制板，吸收电机绕组和控制板的热量后，从排风口排出，对电机和控制板进行散热。用户使用吸尘器时，如果有异物将进风口全部堵上，那么就无空气流入，电机和控制板就无法散热，温度就会迅速上升，如果时间过长就会使电机和控制板损坏。

公开号为CN201810191120.2，专利名称为：一种吸尘器堵孔的检测方法、装置及吸尘器的专利中公开了一种堵孔检测方法，如图1所示为电机的加速过程示意图，该方法是靠速度、占空比和母线电流这些电机外部变量来检测的，只能等待电机稳定后来判断，需要较长的时间才能保护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法。

设计原理：当电机进风口被全堵后，进入的空气减小，叶轮的阻力就会较小，电机的负载转矩t_l就会减小，所以可以通过计算出电机的负载转矩t_l来判断堵孔情况。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，包括以下步骤：

S1：获取电机转速ω、转子和叶轮的转动惯量J、电机输出的电磁转矩t_e以及机械传动系统的阻尼系数B；

S2：将步骤S1获取的参数带入电机机械运动方程，根据电机机械运动方程计算电机的负载转矩t_l为0时的估计速度ω_estimate；

S3：用估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，采用PI控制器对负载转矩t_l进行修正，以获得实际速度ω所对应的负载转矩t_l；

S4：将步骤S3获得的负载转矩t_l与事先测得的阈值A比较，判断吸尘器的进气口是否堵孔需要停机保护。

进一步，步骤S2中的电机机械运动方程为：

其中，t_e为电机输出的电磁转矩；

J为转子和叶轮的转动惯量；

ω为电机速度；

B为机械传动系统的阻尼系数；

t_l为负载转矩，空气密度越大，叶轮速度越高，该值越大；

当t_l＝0时，由公式1可以获得电机转速ω的计算公式为：

将上一时刻的转速估计值ω_(i-1)_estimate带入到公式2中，则当前时刻的估计速度ω_i_estimate可以表示为：

其中，ω_(i-1)_estimate为i-1时刻的速度估计值；ω_i_estimate为i时刻的速度估计值。

进一步，步骤S3中，将估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，当二者相等时，对应输出的负载转矩就是修正后的负载转矩。

进一步，步骤S4中，阈值A的获取方法：使电机运行，使用一个挡板将电机进风口堵上，该挡板上开有一定孔径的小孔，读取此时的负载转矩t_l，记为A1；将电机进风口全堵，读取此时的负载转矩t_l，记为A2，将A1与A2取平均值得到需要的阈值A。

全堵塞时，空气最稀薄，电机的负载转矩t_l最小，堵的孔径越大，负载转矩越大。将该阈值A写入程序，程序运行时将实时计算得到的负载转矩t_l与该阈值A进行比较，负载转矩t_l一旦小于该阈值A并且持续时间大于预设时间，就保护停机。挡板上开孔的大小以持续堵孔的预设时间由电机的性能和实际测试情况决定。

进一步，步骤S1中电机转速ω是由算法计算得到的或者霍尔传感器得到；电磁转矩t_e是由公式计算得到的；电机转速ω和电磁转矩t_e是电机在运转过程中实时计算的；转动惯量J和阻尼系数B，如果系统确定的话，这两个数都是常数，需要事先测得。

电磁转矩t_e可以实时计算，计算公式为：

t_e＝1.5Pλi_q (4)

其中，P为电机极对数，λ为永磁体磁链幅值，i_q为转矩电流。

转动惯量J和阻尼系数B需要事先测出，其方法如下：

转动惯量J的获取方法：称出转子的重量和测量出叶轮的半径，根据J＝mr²计算出转动惯量，其中，m为转子重量，r为叶轮半径；

阻尼系数B的获取方法：使电机空载稳速运行，利用电磁转矩t_e除以速度可得到。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，根据电机的机械运动方程，靠电机内部的参数来检测的，会更准确。由于电机的机械运动方程在加速过程中也是成立的，所以本设计可以在加速过程中检测出异常，更快地保证电机的安全。在较短时间内检测出全堵状态，精度较高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是现有技术中电机的加速过程示意图。

图2是通过估计转速修正负载转矩的算法框图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，包括以下步骤：

S1：获取电机转速ω、转子和叶轮的转动惯量J、电机输出的电磁转矩t_e以及机械传动系统的阻尼系数B；

电机转速ω是由算法计算得到的或者霍尔传感器得到；电磁转矩t_e是由公式计算得到；电机转速ω和电磁转矩t_e是电机在运转过程中实时计算的；转动惯量J和阻尼系数B，如果系统确定的话，这两个数都是常数，需要事先测得。

电磁转矩t_e可以实时计算，计算公式为：

t_e＝1.5Pλi_q (4)

其中，P为电机极对数，λ为永磁体磁链幅值，i_q为转矩电流。

转动惯量J和阻尼系数B需要事先测出，其方法如下：

转动惯量J的获取方法：称出转子的重量和测量出叶轮的半径，根据J＝mr2计算出转动惯量，其中，m为转子重量，r为叶轮半径；

阻尼系数B的获取方法：使电机空载稳速运行，利用电磁转矩t_e除以速度可得到。

S2：将步骤S1获取的参数带入电机机械运动方程，根据电机机械运动方程计算电机的负载转矩t_l为0时的估计速度ω_estimate；

电机机械运动方程为：

其中，t_e为电机输出的电磁转矩；

J为转子和叶轮的转动惯量；

ω为电机速度；

B为机械传动系统的阻尼系数；

t_l为负载转矩，空气密度越大，叶轮速度越高，该值越大；

当t_l＝0时，由公式1可以获得电机转速ω的计算公式为：

将上一时刻的转速估计值ω_(i-1)_estimate带入到公式2中，则当前时刻的估计速度ω_i_estimate可以表示为：

其中，ω_(i-1)_estimate为i-1时刻的速度估计值；ω_i_estimate为i时刻的速度估计值。

S3：用估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，采用PI控制器对负载转矩t_l进行修正，以获得实际速度ω所对应的负载转矩t_l；将估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，当二者相等时，对应输出的负载转矩就是修正后的负载转矩。

S4：将步骤S3获得的负载转矩t_l与事先测得的阈值A比较，判断吸尘器的进气口是否堵孔。

本实施例中以64XC216-085型号电机为例，介绍阈值A的计算过程及堵孔判断，其性能参数电阻16.5毫欧，电感11微亨，反电动势0.089V/Krpm，因此，测试时采用的挡板上开孔直径为6.5mm，堵孔预设时长为300ms。

阈值A的获取方法：使电机运行，使用一个挡板将电机进风口堵上，该挡板上开有一定孔径的小孔，孔径为6.5mm，读取此时的负载转矩t_l，记为A1；将电机进风口全堵，读取此时的负载转矩t_l，记为A2，将A1与A2取平均值得到需要的阈值A。

全堵塞时，空气最稀薄，电机的负载转矩t_l最小，堵的孔径越大，负载转矩越大。将该阈值A写入程序，程序运行时将实时计算得到的负载转矩t_l与该阈值A进行比较，负载转矩t_l一旦小于该阈值A并且持续时间大于预设时间300ms，就保护停机。

在步骤S2计算估计速度时，由于最初的估计转速ω_estimate是基于“负载转矩t_l为0”获得的，但是实际情况中，显然t_l不为0，所以这个ω_estimate是不准确的，将其与已知的速度ω进行比较，然后修正t_l，再用修正后的t_l，去计算ω_estimate，直到ω_estimate与实际速度ω相等，当二者相等时，就得到了负载转矩t_l，这个修正过程是通过PI控制器实现的，单片机运行过程中这个修正过程也是非常快的，其修正过程如图2所示，其中，用电机实际速度ω减去估计速度ω_estimate，将差值输入PI控制器进行运算，结果再乘以-1，得到t_l。

PI控制器公式如下：

其中，K_p是比例系数，K_i是积分系数，这两个系数需要通过实验获得，将这两个值设置不同的参数组合，然后观察t_l是否稳定，最终选取最合适的两个值。

得到t_l后，根据式(3)可得到ω_i_estimate，至此该时刻运算结束。之后再开始下一时刻的运算。经过多个时刻的运算，实际速度ω减去估计速度ω_estimate的差值基本为0，或是绝对值很小的在0左右波动的值，此时t_l稳定，即可获得t_l。

原理解释：

假设在某一时刻，实际速度ω>估计速度ω_estimate，那么其差值就是正数，PI控制器的输出就会增大，再乘以-1得到的t_l就会减小，根据式(3)t_l的减小会使该式的运算结果ω_i_estimate增大，则ω_i_estimate不断增大，慢慢趋近于实际速度ω。

假设在某一时刻，实际速度ω<估计速度ω_estimate，那么其差值就是负数，PI控制器的输出就会减小，再乘以-1得到的t_l就会增大，根据式(3)t_l的增大会使该式的运算结果ω_i_estimate减小，则ω_i_estimate不断减小，慢慢趋近于实际速度ω。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取电机转速ω、转子和叶轮的转动惯量J、电机输出的电磁转矩t_e以及机械传动系统的阻尼系数B；

S2：将步骤S1获取的参数带入电机机械运动方程，根据电机机械运动方程计算电机的负载转矩t_l为0时的估计速度ω_estimate；

S3：用估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，采用PI控制器对负载转矩t_l进行修正，以获得实际速度ω所对应的负载转矩t_l；

S4：将步骤S3获得的负载转矩t_l与事先测得的阈值A比较，判断吸尘器的进气口是否堵孔需要停机保护。

2.如权利要求1所述的基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：步骤S2中的电机机械运动方程为：

其中，t_e为电机输出的电磁转矩；

J为转子和叶轮的转动惯量；

ω为电机速度；

B为机械传动系统的阻尼系数；

t_l为负载转矩，空气密度越大，叶轮速度越高，该值越大；

当t_l＝0时，由公式1可以获得电机转速ω的计算公式为：

将上一时刻的转速估计值ω_(i-1)_estimate带入到公式2中，则当前时刻的估计速度ω_i_estimate可以表示为：

其中，ω_(i-1)_estimate为i-1时刻的速度估计值；ω_i_estimate为i时刻的速度估计值。

3.如权利要求2所述的基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：步骤S3中，将估计速度ω_estimate与实际速度ω进行比较，当二者相等时，对应输出的负载转矩就是修正后的负载转矩。

4.如权利要求3所述的基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：步骤S4中，阈值A的获取方法：使电机运行，使用一个挡板将电机进风口堵上，该挡板上开有一定孔径的(直径为6.5mm的)小孔，读取此时的负载转矩t_l，记为A1；将电机进风口全堵，读取此时的负载转矩t_l，记为A2，将A1与A2取平均值得到需要的阈值A。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：所述步骤S1中电磁转矩t_e的计算方法为：

电磁转矩t_e可以实时计算，计算公式为：

t_e＝1.5Pλi_q (4)

其中，P为电机极对数，λ为永磁体磁链幅值，i_q为转矩电流。

6.如权利要求1-4任一项所述的基于观测器的吸尘器电机堵孔保护方法，其特征在于：所述步骤S1中转动惯量J和阻尼系数B需要事先测出，

转动惯量J的获取方法：称出转子的重量和测量出叶轮的半径，根据J＝mr²计算出转动惯量，其中，m为转子重量，r为叶轮半径；

阻尼系数B的获取方法：使电机空载稳速运行，利用电磁转矩t_e除以速度可得到。