CN111525849A

CN111525849A - 电机调速方法及系统

Info

Publication number: CN111525849A
Application number: CN201910225374.6A
Authority: CN
Inventors: 王晓蕾; 涂金生; 王传傲; 王振兴; 徐彦; 朱毅
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-08-11

Abstract

电机调速方法及系统，包括：获取直流电机的转速参考数据；获取预设调速阈值并与转速参考数据比较，据以判断转速值是否大于预设调速阈值；若是，则判定电机调速系统处于常速模式；若否，则判定电机调速系统处于低速模式；根据调速模式信息获取调速控制信息；根据调速控制信息，调节直流电机的转速与转速参考数据一致。本发明解决了现有技术存在调速效率低及效果差的技术问题。

Description

电机调速方法及系统

技术领域

本发明涉及一种机械故障信号检测方法，特别是涉及一种电机调速方法及系统。

背景技术

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业控制、自动化以及航空航天等。无刷直流电机的速度和转矩控制可以借助霍尔传感器信号和相电流来实现，但由于霍尔传感器只能以固定角度间隔(60°)确定转子位置等原因，无刷直流电机的速度控制主要用于中速和高速。但有些特定的环境下需要电机实现低转速，比如人工心脏的血泵需要电机低转速来驱动，因此当电机具有高分辨率编码器时，也可以做到在低速时的准确控制，但是其成本太大，不适用于各种传统工业。因此，如何低成本的实现无刷电机的低速调控，成为电机应用领域中的重要研究方向之一。

综上所述，现有技术的故障信号增强方法存在调速效果差和精度低的技术问题。

发明内容

鉴于以上现有技术存在故障信号增强方法存在调速效果差和精度低的技术问题，本发明的目的在于提供一种电机调速方法及系统，一种电机调速方法，包括：获取直流电机的转速参考数据；获取预设调速阈值并与转速参考数据比较，据以判断转速值是否大于预设调速阈值；若是，则判定电机调速系统处于常速模式；若否，则判定电机调速系统处于低速模式；根据调速模式信息获取调速控制信息；根据调速控制信息，调节直流电机的转速与转速参考数据一致。

于本发明的一实施方式中，获取调速控制信息，包括：提取调速模式信息中的模式判断结果；若电机调速系统在常速模式下，获取直流电机的比例积分微分数据；根据比例积分微分数据计算常速调速信号；若电机调速系统在低速模式下，获取直流电机的微步进电流数据；根据微步进电流数据计算低速调速信号。

于本发明的一实施方式中，获取微步进数据，包括：根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_msin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益；根据转速参考数据计算角度参考数据；根据角度参考数据计算参考电流数据；根据参考电流数据计算得微步进数据；根据微步进数据调节转矩数据。

于本发明的一实施方式中，计算角度参考数据的步骤，包括：提取转速参考数据中的参考速度

根据如下公式计算角度参考数据

其中，P_n为电机极对数。

于本发明的一实施方式中，计算参考电流的步骤，包括：获取直流电机的转矩角数据θ_tm；根据如下公式计算参考电流数据

其中，K_ptc为步进控制增益。

于本发明的一实施方式中，一种电机调速系统，包括：参考模块，用以获取直流电机的转速参考数据；转速判断模块，用以获取预设调速阈值并与转速参考数据比较，据以判断转速值是否大于预设调速阈值，转速判断模块与参考模块连接；常速判定模块，用于在转速值大于预设调速阈值时，判定电机调速系统处于常速模式，常速判定模块与转速判断模块连接；低速判定模块，用于在转速值小于或等于预设调速阈值时，判定电机调速系统处于低速模式，低速判定模块与转速判断模块连接；控制信息获取模块，用以根据调速模式信息获取调速控制信息，控制信息获取模块与常速判定模块连接，控制信息获取模块与低速判定模块连接；调速模块，用以根据调速控制信息，调节直流电机的转速与转速参考数据一致，调速模块与控制信息获取模块连接。

于本发明的一实施方式中，控制信息获取模块，包括：模式获取模块，用以提取调速模式信息中的模式判断结果；常速电机数据模块，用以当电机调速系统在常速模式下时，获取直流电机的比例积分微分数据，常速电机数据模块与模式获取模块连接；常速调速信号模块，用以根据比例积分微分数据计算常速调速信号，常速调速信号模块与常速电机数据模块连接；低速电机数据模块，用以当电机调速系统在低速模式下时，获取直流电机的微步进电流数据，低速电机数据模块与模式获取模块连接；低速调速信号模块，用以根据微步进电流数据计算低速调速信号，低速调速信号模块与低速电机数据模块连接。

于本发明的一实施方式中，低速电机数据模块，包括：转矩数据模块，用以根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_msin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益；角度参考数据模块，用以根据转速参考数据计算角度参考数据；电流参考数据模块，用以根据角度参考数据计算参考电流数据，电流参考数据模块与角度参考数据模块连接；微步进模块，用以根据转矩数据和参考电流数据计算得微步进数据，微步进模块与转矩数据模块连接，微步进模块与参考电流数据模块连接；转矩调节模块，用以根据微步进数据调节转矩数据T_m，转矩调节模块与微步进模块连接。

于本发明的一实施方式中，角度参考数据模块，包括：参考数据提取模块，用以提取速参考数据中的参考速度

角度参考计算模块，用以根据如下公式计算角度参考数据

其中，P_n为电机极对数，角度参考计算模块与参考数据提取模块连接。

于本发明的一实施方式中，电流参考数据模块，包括：转矩角模块，用以获取直流电机的转矩角数据θ_tm；电流数据模块，用以根据如下公式计算参考电流数据：

其中，K_ptc为步进控制增益，电流数据模块与转矩角模块连接。

如上所述，本发明提供的一种电机调速方法及系统具有以下有益效果：本发明通过改变参考转矩电流使转矩角具有固定变化，不需高分辨率的编码器也可以在低转速有效地对电机实现精准调速，调速效率高，而且大大地降低了电机的生产成本。在油田开采过程中应用低速电机能有效提高抽油机井系统效率，降低抽油机井能耗及设备损耗等，除此之外，低速电机还广泛应用于医疗机械、食品机械、交通运输等方面。

综上，本发明提供一种电机调速方法及系统，解决了现有技术存在的信号处理效果差，微弱故障信号检测精度低的技术问题。

附图说明

图1显示为本发明的电机调速方法步骤示意图。

图2显示为本发明的电机数据处理示意图。

图3显示为图1中步骤S5在一实施例中的步骤示意图。

图4显示为图3中步骤S54在一实施例中的步骤示意图。

图5显示为本发明的电机角度电流变化关系图。

图6显示为图4中步骤S542在一实施例中的步骤示意图。

图7显示为图4中步骤S543在一实施例中的步骤示意图。

图8显示为本发明的电机调速系统模块示意图。

图9显示为图8中控制信息获取模块在一实施例中的模块示意图。

图10显示为图9中低速电机数据模块在一实施例中的模块示意图。

图11显示为图10中角度参考数据模块在一实施例中的模块示意图。

图12显示为图10中电流参考数据模块在一实施例中的模块示意图。

元件标号说明

1 参考模块

2 转速判断模块

3 常速判定模块

4 低速判定模块

5 控制信息获取模块

6 调速模块

51 模式获取模块

52 常速电机数据模块

53 常速调速信号模块

54 低速电机数据模块

55 低速调速信号模块

541 转矩数据模块

542 角度参考数据模块

543 电流参考数据模块

544 微步进模块

545 转矩调节模块

5421 参考数据提取模块

5422 角度参考计算模块

5431 转矩角模块

5432 电流数据模块

步骤标号说明

S1～S6 方法步骤

S51～S55 方法步骤

S541～S545 方法步骤

S5421～S5422 方法步骤

S5431～S5432 方法步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图12，须知，本说明书所附图式所绘示的结构，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如”上”、”下”、”左”、”右”、”中间”及”一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1和图2，显示为本发明的电机调速方法步骤示意图和电机数据处理示意图，如图1和图2所示，本发明的目的在于提供一种电机调速方法及系统，一种电机调速方法，包括：

S1、获取直流电机的转速参考数据，在一实施例中，启动电源，输入参考转速

S2、获取预设调速阈值并与转速参考数据比较，据以判断转速值是否大于预设调速阈值，在一实施例中，判定该电机参考转速

是否大于低速调控到常速调控阈值转速ω_A(12级以上，例如400转以下的电机称为低速电机，例如可设定取ω_A＝400转每分)；

S3、若是，则判定电机调速系统处于常速模式，在一实施例中，根据电机参考转速

与阈值转速ω_A的大小来切换速度调控模式；

S4、若否，则判定电机调速系统处于低速模式，在一实施例中，通过改变参考转矩电流使转矩角具有固定变化，利用PID(Proportion Integral Derivative，比例积分微分)调节控制法微步进电流控制法对电机进行速度调控，观测电机的实时速度直至达到参考转速，达到稳定后完成调速；

S5、根据调速模式信息获取调速控制信息，在一实施例中，利用微步进电流控制法对电机进行速度调控，观测电机的实时速度直至达到参考转速，达到稳定后完成调速；

S6、根据调速控制信息，调节直流电机的转速与转速参考数据一致，在一实施例中，不需高分辨率的编码器也可以在低转速有效地对电机实现精准调速。

在这些实施例中，转速ω_A亦可设定为其他数值，例如300或500转每分。

请参阅图3，显示为图1中步骤S5在一实施例中的步骤示意图，如图3所示，步骤S5、获取调速控制信息，包括：

S51、提取调速模式信息中的模式判断结果，在一实施例中，我们通过对速度设置模块所输出的参考速度以及阈值速度进行比较；

S52、若电机调速系统在常速模式下，获取直流电机的比例积分微分数据，在一实施例中，若参考速度大于阈值速度则采用PID速度调制，若参考速度小于阈值电压则采用微步进电流调节；

S53、根据比例积分微分数据计算常速调速信号，在一实施例中，该模块通过电机实时速度与参考速度的差值来进行的电流控制。将差值分别进行求导、求积分、以及倍数相乘在通过不同比重的系数来实现了对电机电流的控制，从而实现了电机速度的调制。该模块使用 FPGA同过编写相关代码实现；

S54、若电机调速系统在低速模式下，获取直流电机的微步进电流数据，在一实施例中，使用FPGA通过编写相关代码实现，该模块是对电机的转速进行测量，在这里使用软件测量的方法来实现，通过FPGA实现对无刷直流电极的驱动；

S55、根据微步进电流数据计算低速调速信号，在一实施例中，使用FPGA同过编写相关代码实现，该模块为产生正弦波，使用FPGA同过编写相关代码实现，设置霍尔滤波模块以增加系统的稳定性和准确性，使用FPGA同过编写相关代码实现。

请参阅图4和图5，显示为图3中步骤S54在一实施例中的步骤示意图和电机角度电流变化关系图，如图4和图5所示，步骤S54、获取微步进数据，包括：

S541、根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_msin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益，在一实施例中，电机转矩由转矩电流和转矩角确定；

S542、根据转速参考数据计算角度参考数据，在一实施例中，最大输出转矩受电流矢量的大小限制，转矩电流幅度由转矩角度与参考速度和参考旋转角度控制；

S543、根据角度参考数据计算参考电流数据，在一实施例中，相电流的旋转角度由电动机参考速度确定，并且电动机转矩根据负载变化由电动机的转矩角度而自动改变；

S544、根据参考电流数据计算得微步进数据，在一实施例中，在低速范围内使用霍尔传感器信号的反馈控制是不够的，电动机速度可以通过转矩角与电动机的转矩电流来控制；

S545、根据微步进数据调节转矩数据，在一实施例中，通过改变电机转矩来实现对电机转速的调控。

请参阅图6，显示为图4中步骤S542在一实施例中的步骤示意图，如图6所示，S542、计算角度参考数据的步骤，包括：

S5421、提取转速参考数据中的参考速度

在一实施例中，电动机的实际转矩由旋转电流矢量Im(k)和实际转子矢量

之间的电流和转矩角θ_tm(k)的大小确定。当实际电流从

旋转到

时，实际转子位置可以通过负载转矩改变；

S5422、根据如下公式计算角度参考数据

其中，P_n为电机极对数，在一实施例中，转矩电流角度在αβ旋转表面中根据固定参考速度改变参考角度。

请参阅图7，显示为图4中步骤S543在一实施例中的步骤示意图，如图7所示，S543、计算参考电流的步骤，包括：

S5431、获取直流电机的转矩角数据θ_tm，在一实施例中，如果负载转矩低于前一步骤，则移动实际转子位置移动到θ_r(k)以减小转矩角。否则，使转矩角θ_tm(k-1)高于先前的转矩角以增加输出转矩；

S5432、根据如下公式计算参考电流数据

其中，K_ptc为步进控制增益，在一实施例中，当增益K_ptc设定为电动机的额定电流时，最大可能负载是电动机的额定输出转矩。参考电流

受保护电动机和驱动器的最大值以及改善突然负载特性的最小值的限制。

请参阅图8，显示为本发明的电机调速系统模块示意图，如图8所示，一种电机调速系统，包括：参考模块1、转速判断模块2、常速判定模块3、低速判定模块4、控制信息获取模块 5和调速模块6，参考模块1，用以获取直流电机的转速参考数据，在一实施例中，本发明的控制系统采用ZYNQ平台的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)开发板来实现，使用FPGA的来实现有很大的便利，将原来复杂的控制系统拆分为很多个独立的模块，然后通过一个大的模块进行模块的封装，我们通过外设来是实现，将一个带有八个数码管和八个按键的外设接入开发板中，通过按键可以实现对参考速度和阈值速度进行设定；转速判断模块2，用以获取预设调速阈值并与转速参考数据比较，据以判断转速值是否大于预设调速阈值，转速判断模块2与参考模块1连接，在一实施例中，我们通过对速度设置模块所输出的参考速度以及阈值速度进行比较，若参考速度大于阈值速度则采用PID速度调制，若参考速度小于阈值电压则采用微步进电流调节。该模块我们使用FPGA同过编写相关代码实现；常速判定模块3，用于在转速值大于预设调速阈值时，判定电机调速系统处于常速模式，常速判定模块3与转速判断模块2连接，在一实施例中，该模块通过电机实时速度与参考速度的差值来进行的电流控制。将差值分别进行求导、求积分、以及倍数相乘在通过不同比重的系数来实现了对电机电流的控制，从而实现了电机速度的调制。该模块使用FPGA同过编写相关代码实现；低速判定模块4，用于在转速值小于或等于预设调速阈值时，判定电机调速系统处于低速模式，低速判定模块4与转速判断模块2连接；控制信息获取模块5，用以根据调速模式信息获取调速控制信息，控制信息获取模块5与常速判定模块3连接，控制信息获取模块5与低速判定模块4连接，在一实施例中，该模块将使用的二进制转换为10 进制来表示。该模块使用FPGA同过编写相关代码实现，该模块是为了显示出输入的参考速度、输入的阈值速度、以及电机的实时转速。该模块通过带有12个数码管和8个按键的外设接入开发板来实现；调速模块6，用以根据调速控制信息，调节直流电机的转速与转速参考数据一致，调速模块6与控制信息获取模块5连接，在一实施例中，该模块通过对参考速度进行处理后与对霍尔传感器所得到的信号处理后的值再度进行处理来控制电流，从而实现了电机转速的调制。

请参阅图9，显示为图8中控制信息获取模块在一实施例中的模块示意图，如图9所示，控制信息获取模块5，包括：模式获取模块51、常速电机数据模块52、常速调速信号模块53、低速电机数据模块54和低速调速信号模块55，模式获取模块51，用以提取调速模式信息中的模式判断结果；常速电机数据模块52，用以当电机调速系统在常速模式下时，获取直流电机的比例积分微分数据，常速电机数据模块52与模式获取模块51连接；常速调速信号模块 53，用以根据比例积分微分数据计算常速调速信号，常速调速信号模块53与常速电机数据模块52连接；低速电机数据模块54，用以当电机调速系统在低速模式下时，获取直流电机的微步进电流数据，低速电机数据模块54与模式获取模块51连接；低速调速信号模块55，用以根据微步进电流数据计算低速调速信号，低速调速信号模块55与低速电机数据模块54连接。

请参阅图10，显示为图9中低速电机数据模块在一实施例中的模块示意图，如图10所示，低速电机数据模块54，包括：转矩数据模块541、角度参考数据模块542、电流参考数据模块543、微步进模块544和转矩调节模块545，转矩数据模块541，用以根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_msin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益；角度参考数据模块542，用以根据转速参考数据计算角度参考数据；电流参考数据模块543，用以根据角度参考数据计算参考电流数据，电流参考数据模块543与角度参考数据模块542连接；微步进模块544，用以根据转矩数据和参考电流数据计算得微步进数据，微步进模块544与电流参考数据模块543连接；转矩调节模块545，用以根据微步进数据调节转矩数据T_m，转矩调节模块545与微步进模块544 连接。

请参阅图11，显示为图10中角度参考数据模块在一实施例中的模块示意图，如图11所示，角度参考数据模块542，包括：参考数据提取模块5421和角度参考计算模块5422，参考数据提取模块5421，用以提取转速参考数据中的参考速度

角度参考计算模块5422，用以根据如下公式计算角度参考数据

其中，P_n为电机极对数，角度参考计算模块5422与参考数据提取模块5421连接。

请参阅图12，显示为图10中电流参考数据模块在一实施例中的模块示意图，如图12所示，电流参考数据模块543，包括：转矩角模块5431和电流数据模块5432，转矩角模块5431，用以获取直流电机的转矩角数据θ_tm；电流数据模块5432，用以根据如下公式计算参考电流数据：

其中，K_ptc为步进控制增益，电流数据模块5432与转矩角模块5431连接。

综上所述，本发明提供的一种电机调速方法及系统，本发明通过改变参考转矩电流使转矩角具有固定变化，不需高分辨率的编码器也可以在低转速有效地对电机实现精准调速，调速效率高，而且大大地降低了电机的生产成本。在油田开采过程中应用低速电机能有效提高抽油机井系统效率，降低抽油机井能耗及设备损耗等，除此之外，低速电机还广泛应用于医疗机械、食品机械、交通运输等方面，具有较好的应用前景，解决了现有技术存在的调速效果差精度低的技术问题，具有很高的商业价值和实用性。

Claims

1.一种电机调速方法，其特征在于，包括：

获取直流电机的转速参考数据；

获取预设调速阈值并与所述转速参考数据比较，据以判断所述转速值是否大于所述预设调速阈值；

若是，则判定所述电机调速系统处于常速模式；

若否，则判定所述电机调速系统处于低速模式

根据调速模式信息获取调速控制信息；

根据所述调速控制信息，调节所述直流电机的转速与所述转速参考数据一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取调速控制信息，包括：

提取所述调速模式信息中的模式判断结果；

若所述电机调速系统在所述常速模式下，获取所述直流电机的比例积分微分数据；

根据所述比例积分微分数据计算常速调速信号；

若所述电机调速系统在所述低速模式下，获取所述直流电机的微步进电流数据；

根据所述微步进电流数据计算低速调速信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取微步进数据，包括：

根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_m sin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益；

根据所述转速参考数据计算角度参考数据；

根据所述角度参考数据计算参考电流数据；

根据所述参考电流数据计算得所述微步进数据；

根据所述微步进数据调节所述转矩数据T_m。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取耦合输入信号的步骤，包括：

提取所述转速参考数据中的参考速度

根据如下公式计算所述角度参考数据

其中，P_n为电机极对数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共振处理信号的步骤，包括：

获取直流电机的转矩角数据θ_tm；

根据如下公式计算所述参考电流数据

其中，K_ptc为步进控制增益。

6.一种电机调速系统，其特征在于，包括：

参考模块，用以获取直流电机的转速参考数据；

转速判断模块，用以获取预设调速阈值并与所述转速参考数据比较，据以判断所述转速值是否大于所述预设调速阈值；

常速判定模块，用于在所述转速值大于所述预设调速阈值时，判定所述电机调速系统处于常速模式；

低速判定模块，用于在所述转速值小于或等于所述预设调速阈值时，判定所述电机调速系统处于低速模式；

控制信息获取模块，用以根据调速模式信息获取调速控制信息；

调速模块，用以根据所述调速控制信息，调节所述直流电机的转速与所述转速参考数据一致。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制信息获取模块，包括：

模式获取模块，用以提取所述调速模式信息中的模式判断结果；

常速电机数据模块，用以当所述电机调速系统在所述常速模式下时，获取所述直流电机的比例积分微分数据；

常速调速信号模块，用以根据所述比例积分微分数据计算常速调速信号；

低速电机数据模块，用以当所述电机调速系统在所述低速模式下时，获取所述直流电机的微步进电流数据；

低速调速信号模块，用以根据所述微步进电流数据计算低速调速信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述低速电机数据模块，包括：

转矩数据模块，用以根据如下公式计算得转矩数据T_m：

T_m＝K_tI_m sin(θ_tm)

其中I_m为转矩电流，θ_tm为转矩角，K_t为转矩增益；

角度参考数据模块，用以根据所述转速参考数据计算角度参考数据；

电流参考数据模块，用以根据所述角度参考数据计算参考电流数据；

微步进模块，用以根据所述参考电流数据计算得所述微步进数据；

转矩调节模块，用于根据所述微步进数据调节所述转矩数据T_m。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述角度参考数据模块，包括：

参考数据提取模块，用以提取所述转速参考数据中的参考速度

角度参考计算模块，用以根据如下公式计算所述角度参考数据

其中，P_n为电机极对数。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电流参考数据模块，包括：

转矩角模块，用以获取直流电机的转矩角数据θ_tm；

参考电流模块，用以根据如下公式计算所述参考电流数据：

其中，K_ptc为步进控制增益。