CN110784135B - 电机控制方法及电机控制系统 - Google Patents

电机控制方法及电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种电机控制方法及电机控制系统。该系统包括电机的速度调节器和负向电流调节器，该方法包括：依据电机的速度反馈信息，确定速度调节器输出的速度调节信息；依据速度调节信息，启动负向电流调节器；依据负向电流调节器输出的负向电流信息，确定电机的控制信息；依据控制信息对电机的转速进行控制。通过速度调节器输出的速度信号确定电机的当前状态符合预设加速条件时，启动负向电流调节器；将负向电流调节器输出的负向电流信息加入到对电机的转速控制中，实现根据电机的当前转速和当前输出转矩这两个因素来控制电机的转速，避免了电机的输出转矩超出电机最大承受能力的情况，进而实现对电机的高精度控制。

Description

电机控制方法及电机控制系统
技术领域
本发明实施例涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种电机控制方法及电机控制系统。
背景技术
无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,BLDCM)具有结构简单、运行可靠、维护方便以及无机械换向器等优点，随着电力电子技术及新型永磁材料发展和迅速成熟，无刷直流电机已经被广泛使用在工业生产中。
目前无刷直流电机调速系统运用最典型是双闭环调速系统，双闭环调速系统是由速度控制器和电流控制器通过PID运算得到输出值，传递到芯片的控制器，输出相应占空比的。双闭环调速系统的输入反馈(位置、电流)精度和频率直接决定电机调速的稳定性和响应速度，在一些高精度的场合，如要求速度响应快，输出转矩不能超过设定阈值时，该双闭环调速系统很难满足要求。
发明内容
本发明实施例提供一种电机控制方法及电机控制系统，以实现在提高转速的响应速度的同时，有效的控制电机输出转矩，确保电机稳定运行。
第一方面，本发明实施例提供了一种电机控制方法，应用于电机控制系统，所述电机控制系统包括电机的速度调节器和负向电流调节器，所述电机控制方法包括：
依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息；
依据所述速度调节信息，启动所述负向电流调节器；
依据所述负向电流调节器输出的负向电流信息，确定所述电机的控制信息；
依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电机控制系统，包括：速度调节器，负向电流调节器和控制模块，其中，
所述速度调节器用于依据电机的速度反馈信息和设定转速信息，输出速度调节信息；
所述负向电流调节器用于输出负向电流信息；
所述速度调节信息用于触发所述控制模块依据所述负向电流信息，确定所述电机的控制信息；
所述控制模块，用于依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制。
本发明实施例通过速度调节器输出的速度信号来判断电机的当前状态，并在电机的当前状态符合预设加速条件时，启动所设置的负向电流调节器；将负向电流调节器输出的负向电流信息加入到对电机的转速控制中，而因为该负向电流信息表征了电机当前输出转矩与最大输出转矩的偏差量，从而实现了根据电机的当前转速和当前输出转矩这两个因素来控制电机的运行，避免了电机的输出转矩超出电机最大承受能力的情况，有效控制了电机的输出转矩，解决了现有的双闭环调速系统不能满足对电机进行高精度调节的问题。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种电机控制方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种优化的电机控制方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的直流无刷电机控制方法的流程图；
图4是本发明实施例四提供的一种电机控制系统的结构框图；
图5是本发明实施例四提供的一种优化的电机控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种电机控制方法的流程图，本实施例可适用于对直流电机的转速进行调节和控制的情况，以实现对直流电机进行高精度转速控制，且避免让直流电机的输出转矩超出直流电机的最大承受能力。该方法可以由电机控制系统来执行，该电机控制系统至少包括电机的速度调节器和负向电流调节器，该方法具体包括：
S110、依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息。
其中，电机的速度反馈信息可通过电机的位置传感器输出的霍尔信号计算得到。速度调节器为闭环调节器，例如，该速度调节器可以使用PID调节器(proportionintegration differentiation，比例-积分-微分控制器)。速度调节器的输入信号为给定的速度值，速度调节器根据给定的速度值和电机的速度反馈信息进行计算后输出速度调节信息。
S120、依据所述速度调节信息，启动所述负向电流调节器。
其中，负向电流调节器为PID方式的闭环调节器，其输入信号为电机的电流环限制信息，反馈信号为电机的当前工作电流。电机的电流环限制信息与电机的加速转矩阈值相对应，具体地，通过电机的加速转矩阈值和转矩限制比例可以唯一确定电机的电流环限制值，因而负向电流调节器的输入信号根据电机的加速转矩阈值进行设定。这里，加速转矩阈值是指电机所能承受的最大输出转矩。
当电机处于加速状态时，电机需要输出较大的转矩才能确保转速响应速度，这样就可能出现输出转矩超过电机最大承受能力的情况。
为了避免电机的输出转矩突破上限，可选的，当速度调节信息符合预设加速条件时，则依据所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息，启动所述负向电流调节器。
其中，速度调节信息符合预设加速条件是指电机处于加速状态，且该速度调节信息大于设定的速度环阈值。通常该速度环阈值设置为零，当然，也可以为该速度环阈值设置配置参数，当速度调节信息大于该配置参数时，确定速度调节信息符合预设加速条件。
由前述分析可知，电机的工作电流与电机的输出转矩有着对应关系，因而通过比较电机的电流反馈信息与电机的电流环限制信息，可以判断电机的输出转矩是否超出电机的最大承受能力。电流反馈信息可以通过电流采集电路进行采集并输出，例如，可以通过AD转换模块采集电机的电流反馈信息。可选的，该过程具体包括：
比较所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息；
若所述电机的电流反馈信息大于所述电机的电流环限制信息，则启动所述负向电流调节器。
其中，电机的电流环限制信息是指电机的输出转矩达到加速转矩阈值时所对应的电流信息，即电机处于最大输出能力时电机的电流信息。因而当电机的电流反馈信息大于电机的电流环限制信息时，表明电机的输出转矩已经超出最大输出转矩，此时，启动负向电流调节器对电机的输出转矩进行调节，以降低电机的输出转矩，保证电机工作在稳定状态。通过引入负向电流调节器来调节电机的输出转矩，可以防止速度调节器的超调和电机的输出转矩突破上限。
S130、依据所述负向电流调节器输出的负向电流信息，确定所述电机的控制信息。
其中，负向电流调节器采用PID方式进行调节，通过引入电机的电流反馈信息和电机的电流环限制信息，并根据负向电流调节器的输出信息确定电机的控制信息，形成闭环反馈，实现将电机的当前状态作为反馈变量应用到对电机的调速过程中。
具体地，该过程包括：将所述负向电流调节器输出的负向电流信息和所述速度调节器输出的速度调节信息进行求和，得到所述电机的控制信息。
其中，负向电流信息反映了电机的电流反馈信息与电机的电流环限制信息之间的偏差量，速度调节信息反映了电机的当前转速与转速设定值间的偏差量，负向电流调节器按照设定的转换关系将计算出的电流偏差值转换成标幺值进行输出，同样地，速度调节器按照对应的转换关系将速度偏差量转换成标幺值进行输出。将这两个标幺值进行求和计算，得到电机的控制信息。显然，该控制信息反映了负向电流调节器和速度调节器两个闭环调节器的调节结果。
S140、依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制。
其中，控制电机转速通常是通过控制PWM(pulse width modulation，脉冲宽度调制)芯片生成相应占空比的信号，再使用该信号来驱动电机转动。因而，本实施例中依据该控制信息对电机的转速进行控制具体包括：
依据所述控制信息生成相应占空比的信号；
将所述信号输出至所述电机的驱动模块，控制所述电机运转。
其中，信号的占空比决定了电机的转速。本实施例通过负向电流调节器对电机的输出转矩进行调节，并将该调节结果叠加速度调节器的调节结果来控制信号的占空比，实现了在电机处于预设加速状态时，通过速度调节器和负向电流调节器的双环控制对电机的转速进行调节，以避免电机的输出转矩超过上限。
该电机控制方法的工作原理是：通过引入负向电流调节器，在电机的输出转矩达到电机的加速转矩阈值时，启动负向电流调节器，并将负向电流调节器的输出信号加入到对电机进行转速调节的闭环控制中，以避免电机的输出转矩超出电机的最大承受能力，实现对电机的保护。
本实施例技术方案，通过速度调节器输出的速度信号来判断电机的当前状态，并在电机的当前状态符合预设加速条件时，启动所设置的负向电流调节器；将负向电流调节器输出的负向电流信息加入到对电机的转速控制中，而因为电机的负向电流信息表征了电机当前输出转矩与最大输出转矩的偏差量，从而实现了根据电机的当前转速和当前输出转矩这两个因素来输出对电机的控制信息，避免了输出转矩超出电机最大承受能力的情况，能够有效控制电机的输出转矩，解决了现有的双闭环调速系统不能满足对电机进行高精度调节的问题。
在上述技术方案的基础上，可选的，若速度调节信息不符合预设加速条件，即电机当前处于加速状态，但该速度调节信息未超过设定的速度环阈值，此时，电机的输出转矩尚未达到电机的最大承受能力，此时不启动负向电流调节器，直接根据速度调节器输出的速度调节信息确定电机的控制信息，并基于该控制信息对电机的转速进行控制。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的一种优化的电机控制方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上对电机处于减速过程的转速控制方法进行了优化，具体地，该电机控制系统还包括制动电流调节器，该方法包括以下步骤：
S210、依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息。
S220、若所述速度调节信息符合预设减速条件，则启动所述制动电流调节器。
其中，速度调节信息符合预设减速条件是指电机处于减速状态，且速度调节信息小于设定的速度环阈值。通常，该速度环阈值设置为零，即当电机的转速超出转速设置值时，认为速度调节器输出的速度调节信息符合预设减速条件。
在减速时，由于惯性的作用，即使速度调节器的输出值为零，电机转速仍可能超过设置值，此时，速度调节器输出的速度调节信息为负值，如果使用速度调节信息的负值进行制动，往往出现电机卡堵，转矩急增。因而为了避免电机出现上述问题，本实施例所提供的电机控制系统设置有制动电流调节器，当速度调节信息符合预设减速条件时，启动该制动电流调节器，通过该制动电流调节器对减速过程中电机的转速进行控制。
S230、依据所述电机的电流反馈信息和所述电机的制动电流环限制信息，确定所述制动电流调节器输出的制动电流信息。
其中，制动电流环限制信息为根据电机的制动转矩阈值计算得到的电流阈值，电机的制动转矩阈值可以设置为与加速转矩阈值相同，也可以是一个固定阈值与转速差的乘积得到的动态值。
制动电流调节器为PID调节器，制动电流调节器将电机的制动电流环限制信息和电机的电流反馈信息进行比较，输出制动电流信息，该制动电流信息反映了电机的电流反馈信息与电机的制动电流环限制信息的偏差量。
S240、依据所述制动电流信息，确定所述电机的控制信息。
其中，制动电流调节器按照设定的转换关系将该制动电流信息转换成标幺值进行输出，使得制动电流调节器输出的制动电流信息与速度调节器的输出值和负向电流调节器的输出值具有相同的量纲，因而该制动电流信息可以直接用于确定对电机的控制信息。
S250、依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制。
其中，因为控制信息是根据电机的制动电流调节器的输出值所确定的，因而本实施例实现了在电机符合预设减速条件时，仅根据制动电流调节器的输出值对电机的转速进行控制，因为电流环的调节频率比速度环的调节频率高很多，制动时使用单一的电流环控制可以有效的降低电机制动的异响和发热。
本实施例的技术方案，在电机减速时，判断速度调节器输出的速度调节信息是否符合预设减速条件，在速度调节信息符合预设减速条件时，启动所设置的制动电流调节器，并基于该制动电流调节器输出的制动电流信息确定电机的控制信息，实现在电机符合预设的减速状态时，仅通过制动电流调节器对电机的转速进行控制，提高了对电机转速的调节速度，并有效降低电机制动的异响和发热问题。
在上述技术方案的基础上，可选的，若速度调节信息不符合预设的减速条件，即电机处于减速状态，但该速度调节信息大于设定的速度环阈值，此时，依据速度调节器输出的速度调节信息确定电机的控制信息，并依据该控制信息对电机的转速进行控制。
实施例三
图3是本发明实施例三提供的直流无刷电机控制方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上进行了优化，并结合直流无刷电机对电机转速的完整控制过程作进一步说明，该方法具体包括：
S310、根据电机的位置传感器输出的霍尔信号确定所述电机的速度反馈信息Vfb。
S320、依据电机的速度反馈信息Vfb，确定所述速度调节器输出的速度调节信息Vpwm。
S330、对所述速度调节信息Vpwm进行判断。
S340、若所述速度调节信息Vpwm大于零。
S350、比较所述电机的电流环限制信息Ilim和所述电机的电流反馈信息Ifb。
S351、若所述电机的电流反馈信息Ifb未超过所述电机的电流环限制信息Ilim，则依据所述速度调节器输出的所述速度调节信息Vpwm确定所述电机的控制信息P。
S352、若所述电机的电流反馈信息Ifb大于所述电机的电流环限制信息Ilim，则启动所述负向电流调节器。
S353、将所述负向电流调节器输出的负向电流信息Io1和所述速度调节器输出的速度调节信息Vpwm进行求和，得到所述电机的控制信息P。
S360、若所述速度调节信息Vpwm小于零或等于零，则启动所述制动电流调节器。
S361、依据所述制动电流调节器输出的制动电流信息Io2确定所述电机的控制信息P。
S370、将所述控制信息P输出至控制器，所述控制器输出相应占空比的信号。
S380、将所述信号输出至所述电机的三相逆变器，所述三相逆变器驱动所述电机运转。
本实施例结合直流无刷电机对直流无刷电机的转速控制过程进行了说明，在直流无刷电机的电流反馈信息Ifb大于电流环限制信息Ilim时，启动负向电流调节器，通过负向电流调节器和速度调节器构成的双闭环对电机的转速进行控制，以控制电机的输出转矩不超过电机的最大承受能力，保证电机稳定运行；在直流无刷电机的速度调节信息Vpwm小于零时，启动制动电流调节器，使用制动电流调节器输出的制动电流对电机的转速进行控制，以降低电机制动的异响和发热。
本实施例提出一种新型的速度—电流双闭环电机控制方法，输出转矩小于阈值的一定比例m时，单速度环运行，高于比例m时，负向电流环启动，用于平衡输出，降低速度环引起的超调。当需要减速时，如速度环输出为负值，用于制动的电流环启动，以一定的阻力进行制动，直到速度环输出为正值。具体地，本实施例使用3个相对独立的PID控制器以一定的控制逻辑对电机进行调速和转矩调节，用户应用层设置(给定)的速度值Vref，输出转矩阈值Q1，制动转矩阈值Q2。通常上述3个值都是动态的，特别是转速值Vref。转速值Vref的变化必然引起电机控制的加速和减速，而加速时，需要输出较大的转矩才能确保转速响应速度，这样就有可能出现输出转矩超过电机最大承受能力的情况。所以需要及时的引入电流环来调节输出转矩，防止速度环的超调和转矩突破上限。相反，在减速时，由于惯性的作用，即使速度环输出值为0，电机转速仍可能超过设置值，这时就需要引入制动，如果使用速度环的负值进行制动，往往出现电机卡堵，转矩急增，因为速度环调节频率比电流环低很多，而制动时使用单一的电流环控制可以有效的降低电机制动的异响和发热。本实施例利用转速、转矩和电机当前状态之间的相互关系，形成一种电机控制逻辑，在提高转速响应速度的同时，有效的控制电机输出转矩，确保电机稳定运行。
实施例四
图4是本发明实施例四提供的一种电机控制系统的结构框图，该控制系统20用于控制和调整电机10的转速，该电机控制系统20包括：
电流采样电路410，用于采集电机10的电流反馈信息；
速度反馈信息获取模块420，用于根据电机的转子位置信息确定电机的速度反馈信息；
负向电流调机器430，用于根据电流采集电路410采集的电流反馈信息和电流环限制信息输出负向电流信息；
速度调节器440，用于根据霍尔信号获取模块420输出的位置信息确定
控制模块450，用于根据速度调机器440的输出值和/或负向电流调节器430的输出值确定控制信号；
PWM控制器460，用于根据控制模块450输出的控制信息输出相应占空比的PWM信号；
驱动模块470，用于根据PWM信号驱动电机10运转。
在上述技术方案的基础上，速度调节器440，具体用于依据电机的速度反馈信息和设定转速信息，输出速度调节信息，其中，速度调节信息用于触发控制模块依据负向电流信息，确定电机的控制信息；
可选的，控制模块450还用于若速度调节信息符合预设加速条件，则依据电机的电流环限制信息和电机的电流反馈信息，启动负向电流调节器。
可选的，控制模块450具体用于比较电机的电流环限制信息和电机的电流反馈信息；
若电机的电流反馈信息；大于电机的电流环限制信息，则启动负向电流调节器。
在上述技术方案的基础上，控制模块450还用于将负向电流调节器输出的负向电流信息的标幺值和速度调节器输出的速度调节信息的标幺值进行求和，得到电机的控制信息。
为了在电机减速过程中对电机进行有效控制，降低电机的异响和发热，本实施例还提供了一种优化的电机控制系统，该电机控制系统的结构框图如图5所示，该电机控制系统20包括还包括有制动电流调节器480，其中，
制动电流调节器480用于依据电机的电流反馈信息和电机的制动电流环限制信息，输出制动电流信息；
相应地，控制模块450还用于若速度调节信息符合预设减速条件，则启动制动电流调节器480；依据制动电流调节器480输出的制动电流信息，确定电机的控制信息。
在上述技术方案的基础上，控制模块450还用于若速度调节信息不符合预设加速条件和预设减速条件，则依据速度调节器440输出的速度调节信息确定电机的控制信息。
本发明实施例所提供的电机控制系统可执行本发明任意实施例提供的电机控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。本实施例中未详尽描述的内容可以参考本发明任意方法实施例中的描述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种电机控制方法，其特征在于，应用于电机控制系统，所述电机控制系统包括电机的速度调节器和负向电流调节器，所述电机控制方法包括：
依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息；
依据所述速度调节信息，启动所述负向电流调节器；
依据所述负向电流调节器输出的负向电流信息，确定所述电机的控制信息；
依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制；
其中，依据所述速度调节信息，启动所述负向电流调节器，包括：
若所述速度调节信息符合预设加速条件，则依据所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息，启动所述负向电流调节器；
其中，所述电机控制系统还包括制动电流调节器，在所述依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息之后，所述方法还包括：
若所述速度调节信息符合预设减速条件，则启动所述制动电流调节器；
依据所述电机的电流反馈信息和所述电机的制动电流环限制信息，确定所述制动电流调节器输出的制动电流信息；
依据所述制动电流信息，确定所述电机的控制信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息，启动所述负向电流调节器，包括：
比较所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息；
若所述电机的电流反馈信息大于所述电机的电流环限制信息，则启动所述负向电流调节器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述负向电流调节器输出的负向电流信息，确定所述电机的控制信息，包括：
基于所述负向电流调节器输出的负向电流信息和所述速度调节器输出的速度调节信息，确定所述电机的控制信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述依据电机的速度反馈信息，确定所述速度调节器输出的速度调节信息之后，所述方法还包括：
若所述速度调节信息不符合预设加速条件和预设减速条件，则依据所述速度调节器输出的速度调节信息确定所述电机的控制信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制，包括：
依据所述控制信息生成相应占空比的信号；
将所述信号输出至所述电机的驱动模块，控制所述电机运转。
6.一种电机控制系统，其特征在于，包括：速度调节器，负向电流调节器和控制模块，其中，
所述速度调节器用于依据电机的速度反馈信息和设定转速信息，输出速度调节信息；
所述负向电流调节器用于输出负向电流信息；
所述速度调节信息用于触发所述控制模块依据所述负向电流信息，确定所述电机的控制信息；
所述控制模块，用于依据所述控制信息对所述电机的转速进行控制；
其中，所述控制模块还用于若所述速度调节信息符合预设加速条件，则依据所述电机的电流环限制信息和所述电机的电流反馈信息，启动所述负向电流调节器；
其中，所述电机控制系统还包括电机的制动电流调节器，所述制动电流调节器用于依据所述电机的电流反馈信息和所述电机的制动电流环限制信息，输出制动电流信息；
所述控制模块还用于若所述速度调节信息符合预设减速条件，则启动所述制动电流调节器；依据所述制动电流调节器输出的所述制动电流信息，确定所述电机的控制信息。
7.根据权利要求6所述的电机控制系统，其特征在于，所述控制模块还用于若所述速度调节信息不符合预设加速条件和预设减速条件，则依据所述速度调节器输出的速度调节信息确定所述电机的控制信息。
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