CN111641359A - 一种三相无刷直流电机快速稳速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相无刷直流电机快速稳速方法，包括以下步骤：步骤1、电机转速检测；步骤2、计算目标转速与实测转速差值；步骤3、计算比例系数K_p影响的占空比D_p；步骤4、计算微分系数K_d影响的占空比D_d；步骤5、当满足设定条件时，计算积分系数K_i影响的占空比D_I；步骤6、根据转速差值，使用系数k1和k2为占空比平滑处理，计算最终占空比D。本发明的快速稳速方法运用于直流无刷电机控制系统中，可满足高速、高精度和快速响应的电机调节要求，同时减少电机因负载变化带来的转速超调震荡等问题。

Description

一种三相无刷直流电机快速稳速方法

技术领域

本发明涉及一种三相无刷直流电机快速稳速方法，属于电机技术领域。

背景技术

无刷直流电机有着功率密度高、体积小、调速性能好，结构简单等特点，因此在电机控制领域得到广泛应用。随着社会进步和科技发展，对于无刷直流电机控制性能要求也越来越高，在无刷直流电机的控制中，最为常见的为PI控制方法，传统的PI控制方法虽能基本满足控制效果，但对于负载变化和高转速、高精度要求的系统中，很难实现预期目标。若要满足高转速、高精度要求，又往往需要增加控制的维度，使得算法复杂且牺牲控制的实时性。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种针对高速高精度要求的三相无刷直流电机转速控制方法。本发明的控制方法运用于直流无刷电机控制系统中，可满足高速、高精度和快速响应的电机调节要求，同时减少电机因负载变化带来的转速超调震荡等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种三相无刷直流电机快速稳速方法，包括以下步骤：

步骤1、电机转速检测

通过霍尔传感器检测电机的位置信号，控制器记录电机相同位置信号出现1次所用的检测时钟脉冲计数个数n，通过脉冲计数个数n表示电机转速；电机转速与脉冲计数个数n成反比关系；

步骤2、计算目标转速与实测转速差值e_k，e_k＝n_k-n_T；n_k为实测转速，n_T目标转速；

步骤3、计算比例系数K_p影响的占空比D_p，D_p＝K_p×e_k；

步骤4、计算微分系数K_d影响的占空比D_d，D_d＝n_k-n_k-1；n_k为当前实测转速，n_k-1为前一次实测转速；

步骤5、当满足设定条件时，计算积分系数K_i影响的占空比D_I，

其中，N为设定的累计偏差计算的次数；

对于D_I进行最小启调量控制，当计算出的D_I大于设定的第二阈值时，D_I进入后续计算，否则将D_I清零；

步骤6、根据转速差值e_k，使用系数k1和k2为占空比平滑处理，计算最终占空比D＝k1×(D_d+D_p)+k2×D_OLD+D_I；

k1+k2＝1；

其中，D_OLD为原空比，k1为计算出的新占空比系数，k2为原占空比系数。

进一步地，电机启动时，通过逐级增加占空比的方式，将占空比从5％增加至85％。

进一步地，每次增加的占空比值为5％，每次增加的时间间隔为50ms。

进一步地，步骤4)中，设置微分系数K_d影响的占空比D_d计算的转速限制范围为(170，350)。

进一步地，步骤5中，计算积分系数K_i影响的占空比D_I满足的设定条件为：

a)转速差值e_k小于设定的第一阈值；

b)转速趋于稳定；

c)占空比趋于稳定；

当上述3个条件同时满足时，进行积分系数K_i影响的占空比D_I计算。

进一步地，步骤6中，平滑处理时，根据转速差值e_k绝对值大小，将平滑系数分为3级调整，转速差值e_k绝对值越大，设置新占空比系数k1愈大、原占空比系数k2越小；反之，转速差值e_k绝对值越小，设置新占空比系数k1愈小、原占空比系数k2越大。

进一步地，还包括步骤7)电机超低和超高转速占空比设定：

当电机转速判断为转速超低时，占空比设置为最大占空比；当电机转速判断为转速超高时，占空比设置为最小占空比。

本发明所达到的有益效果：

本发明的快速稳速方法运用于直流无刷电机控制系统中，可满足高速、高精度和快速响应的电机调节要求，同时减少电机因负载变化带来的转速超调震荡等问题。

附图说明

图1电机转速控制系统结构框图；

图2整体流程图；

图3基于PID转速控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

结合图1－图3所示，本发明的方案主要内容包括：

1、电机转速检测方法

电机转速检测是电机稳速控制的前提条件，只有在可靠性电机转速检测的保障下，电机稳速控制才可能实现。

常用的无刷直流电机转速检测通过霍尔传感器完成。电机转速测量公式如下：

转速＝60×CLK/(P×n)

其中，CLK：采样脉冲频率；

P：电机极对数；

n：控制器记录霍尔传感器检测电机的位置信号中相同位置信号出现一次所用的检测时钟脉冲计数个数。

通过电机转速测量公式可以看出，在电机转速控制系统中，CLK和P为设置的固定值。电机转速与脉冲计数个数n成反比关系，为了节约控制器计算资源开销，本发明中直接用n代替电机实测转速。通过该步骤处理，大大简化电机转速测量的复杂程度，提升电机转速检测可靠性和响应速度。

2、电机快速启动方法

电机在启动过程中需要消耗大量能量。设置较小的驱动电流无法启动电机或者启动耗时较多，不能满足快速启动要求；设置驱动电流过大，则会导致启动瞬间负载极大，存在损坏电机控制系统的风险。

本发明中为避免上述驱动电流过大或者过小的问题，采用逐级递增方式进行驱动电流设置。在电机启动时，将决定驱动能力的占空比从5％增加至85％，每次增加值为5％，每次时间间隔为50ms。通过此方法，既保证了电机的正常启动，又满足快速性的要求。

3、电机稳速控制

(1)占空比计算

三相无刷直流电机速度调节实质为通过改变电机定子绕组中所加电压的占空比实现，因此电机稳速控制实际为占空比控制。电机启动完成后运转过程中，根据实际的电机速度变化，通过PID算法实现电机稳速控制，既通过PID算法得到适合电机运转的占空比。其中比例调节部分(P)作用为根据实际转速与目标转速偏差，进行电机转动过程中占空比最直观的闭环调节，比例系数过大导致电机超调，过小则会增加响应时间，本发明中使用分段比例系数和平滑处理，可有效解决比例系数过大或者过小问题；微分环节(D)调整起预判的作用，无刷直流电机因本身无刹车机制且惯性大，转速一旦超调，必然会增加调节过程的响应时间，因此本发明于常见的PI控制基础上引入微分调整环节。积分调节(I)目的为消除过程中稳态误差，在PD调节后仍无法满足实际转速与目标转速零误差要求时，启用积分调节，考虑到积分调节具有滞后效果，因此本发明中，积分调节启用设置限制条件，防止积分滞后的负面影响对整个调节系统的影响。

传统的PID占空比计算时，占空比D为比例部分D_p、微分部分D_d和积分部分D_I三者之和。其中Dp＝Kp×e_k、D_d＝K_d×(e_k-e_k-1)、

与传统PID占空比计算相比，本发明从以下几方面进行设计优化：

1)简化的转速和转速偏差测量方法

计算目标转速与实测转速差值e_k，e_k＝n_k-n_T；n_k为电机实测转速，n_T为电机目标转速，本发明中电机实测转速均用脉冲计数个数n表示，从而简化转速测量和转速偏差测量的复杂度；

传统的计算公式：D_d＝K_d×(e_k-e_k-1)，其中e_k和e_k-1分别为两次实测转速和目标转速n_T差值，因此：

e_k-e_k-1＝(n_k－n_T)-(n_k-1－n_T)＝n_k-n_k-1

n_k为当前实测转速，n_k-1为前一次实测转速；

本发明中的简化后公式为D_d＝K_d×(n_k-n_k-1)。

同时，为了提升电机稳速响应时间，本发明中增加启动D_d计算的速度限制范围，避免不必要的速度范围下进行微分计算造成的资源浪费。

2)积分控制部分启动条件设定

积分作用为消除过程中稳态误差，提升电机转速控制精度，在非稳定过程中进行积分调节不仅无法实现提升转速精度目的，反而会导致电机震荡，因此本发明中设置了进入计算积分部分占空比D_I条件如下：

a)转速已逼近目标转速，即e_k小于设定的第一阈值；

b)转速趋于稳定；

c)占空比趋于稳定。

当上述3条件同时满足条件下，进行积分影响部分占空比DI计算。

计算公式:

N为设定的累计偏差计算的次数。同时，对于D_I进行最小启调量控制，当计算出的D_I大于设定的第二阈值时，D_I才进入后续占空比计算，否则D_I不再发挥积分调节作用，将D_I清零。

3)比例、微分部分分级平滑处理

用传统公式计算出的比例和微分部分D_d、D_p若直接叠加到占空比中，往往会导致占空比突变使得电机转速超调震荡，因此本发明中根据转速差值e_k，使用系数k1和k2为占空比平滑处理，最终计算占空比公式为

D＝k1×(D_d+D_p)+k2×D_OLD+D_I；

k1+k2＝1；

其中D_OLD为原占空比，k1为计算出的新占空比系数，k2为原占空比系数。

同时，为加快电机响应速度，实现电机快速稳速目的，本发明设计平滑系数分级调整，根据转速差值e_k绝对值大小，将平滑系数分为3级调整，转速差值e_k绝对值越大，设置新增占空比系数k1愈大、原占空比系数k2越小；反之转速差值e_k绝对值越小，设置新增占空比系数k1愈小、原占空比系数k2越大。

4)电机转速超低和超高条件下占空比设定

在3)中计算出占空比经过平滑处理，当电机转速突然出现超低和超高异常情况时，存在对电机转速控制响应不及时缺点。因此，设计中对于此类特殊条件下，进行极限占空比输出设置。当电机转速判断为转速超低时，占空比设置为最大占空比；当电机转速判断为转速超高时，占空比设置为最小占空比。

通过步骤(1)占空比计算方法计算出的占空比，结合控制器自带PWM模块实现稳速控制。

(2)电机换相控制

根据霍尔位置传感器检测的相位信息，通过换相控制算法进行电机控制逻辑输出设置。具体换相控制算法如下：

使用霍尔位置传感器检测的相位信息，预测下一组电机的位置相位；电机相位状态有六种，当电机以顺时针方向转动时，相位信号对应值变化规律为：011、010、110、100、101、001按顺序循环。为便于理解，将这六种相位状态分别称之为：相位3、相位2、相位6、相位4、相位5、相位1。

根据相位预测映射关系，由前次相位预测出对应的下一相位。

当检测到输入的电机转动相位有变化时，首先判断相位变化逻辑是否满足相位变化规律，根据前次相位所预测的预测相位与当前实际测量相位相比较，若两者相同且判断2次结果一致，则按照电机的输出控制逻辑执行电机控制输出。

若相位变化不满足相位变化规律，在累计10次不满足相位变化规律的情况下，则按当前检测到的位置相位进行换相，防止因相位检测偏差导致的电机停转。

通过换相算法，可有效防止因霍尔传感器检测检测相位不准确而导致的电机转动抖动和停转问题，提升电机转速调节过程中的稳定性。

实施例1

上述发明创造内容中所陈述内容仅是无刷直流电机快速调整方法的说明，为更直观理解本发明，现就其中效果较好实施例子进行如下详细描述。

选用控制器为C8051F580单片机作为此例算法实现的控制芯片。时钟48MHz，通过PAC模块完成PWM占空比输出，占空比分辨率1/2048。

1、电机转速检测

通过霍尔传感器检测电机的位置信号，控制器记录电机相同位置信号出现1次所用的检测时钟脉冲计数个数n，通过脉冲计数个数n表示转速。传统的电机转速测量过程中，需要按照公式：转速＝60×CLK/(P×n),其中CLK为采样脉冲频率，设置为23.4kHz，选用电机极对数P＝1。

通过公式可以看出，在固定的电机转速控制系统中，CLK和P为固定值。电机转速与脉冲计数个数n成反比关系，因此本发明中直接用n代替电机转速，用于后续计算。使用该种处理方法可节约控制器计算资源。

2、电机快速启动过程

为防止电机启动过程中出现大电流，本发明中，设计在电机启动时，占空比通过逐级增加方式，将占空比从5％增加至85％，每次增加占空比值为5％，每次时间间隔为50ms。

3、电机稳速控制

(1)占空比计算

完成占空比计算包括以下步骤：

1)计算目标转速与实测转速差值e_k，e_k＝n_k-n_T；n_k为实测转速，n_T目标转速，本发明中目标转速为6000r/min，电机为1对极，每转动1转计算1次占空比，因此目标转速脉冲计算为234。

2)计算比例系数K_p影响的占空比Dp，D_p＝K_p×e_k；

3)计算微分系数K_d影响的占空比D_d；

传统的计算公式：D_d＝K_d×(e_k-e_k-1)，其中e_k和e_k-1分别为两次实测速度和目标转速n_T差值，因此：

e_k-e_k-1＝(n_k－n_T)-(n_k-1－n_T)＝n_k-n_k-1

则运用在本发明中的简化后公式为D_d＝n_k-n_k-1；同样，本发明中增加启动D_d计算的速度限制范围为(170，350)。

4)计算积分系数K_i影响的占空比D_I

进入计算积分系数K_i影响的占空比D_I条件如下：

a)转速已逼近目标转速，即e_k小于设定阈值；

b)转速趋于稳定；

c)占空比趋于稳定。

当上述3条件同时满足条件下，进行积分影响部分占空比D_I计算。

计算公式:

本发明中累计偏差计算的次数N＝5。同时，对于D_I进行最小启调量控制，当计算出的D_I大于阈值时，D_I才进入后续计算，否则D_I不再发挥积分调节作用，将D_I清零。

积分控制环节流程见图2所示。

5)根据转速差值e_k，使用系数k1和k2为占空比平滑处理，根据最终计算占空比公式

D＝k1×(D_d+D_p)+k2×D_OLD+D_I；

k1+k2＝1；

其中D_OLD为原占空比，k1为计算出的新占空比系数，k2为原占空比系数。

同时，为加快电机响应速度，实现电机快速稳速目的，本发明设计平滑系数分级调整，根据转速差值e_k绝对值大小，将平滑系数分为3级调整，转速差值e_k绝对值越大，设置新增占空比系数k1愈大、原占空比系数k2越小；反之转速差值e_k绝对值越小，设置新增占空比系数k1愈小、原占空比系数k2越大。

6)电机超低和超高转速占空比设定

设计中对于转速超低和超高转此类特殊条件下，进行最大占空比输出设置。当电机转速判断为转速超低时，占空比设置为最大占空比；当电机转速判断为转速超高时，占空比设置为最小占空比。本例中，最大占空比90％，最小占空比10％。当实测转速n_k≥6144时，判定为超低转速；当实测转速n_k≤118时，判定为超高转速。

(2)电机换相控制

根据霍尔位置传感器检测的相位信息，设定下一组电机输出控制逻辑；当电机以顺时针方向转动时，电机HC、HB、HA相位六种状态为：

为便于理解，我们将上面六种相位状态分别称之为：相位3、相位2、相位6、相位4、相位5、相位1。

查表2得到六路控制信号的输出相位(即更改输出控制信号，完成换相)。换相时采用电机相位预测算法：当检测到输入的电机有变化时，首先判断相位变化逻辑是否满足相位变化规律(根据上一次相位所预测的下一次相位与当前相位相比较)，如相位预测正确次数RPA累计2次满足，则更换电机输出控制逻辑；若不满足相位变化规律，在相位预测错误次数FPA累计10次不满足相位变化情况下，按当前检测相位，根据表2中换相数据进行更换电机输出控制逻辑。

表1相位预测关系映射表

前次相位

相位1

相位2

相位3

相位4

相位5

相位6

预测相位

相位3

相位6

相位2

相位5

相位1

相位4

表1为相位预测映射关系，根据前次霍尔相位输入作为输入条件。例如前次相位为相位1(霍尔传感器位置信号对应值001)，则预测相位为相位3即(霍尔传感器位置信号对应值为011)。

本设计中使用的三相无刷直流电机三相绕组为A、B、C，连接方式为星形连接，工作状态为两相导通工作。电机相位控制则是根据当前输入相位，确定电机的定子绕组驱动电流流向。表2为电机的相位与三相绕组驱动电流流向对应关系。

表2电机相位与绕组电流流向对应关系

当前相位

相位1

相位2

相位3

相位4

相位5

相位6

电流流向

A→C

B→A

B→C

C→B

A→B

C→A

若在相位预测时，前次相位1，对应出的预测值为相位3；实际检测的相位也为相位3，在预测和检测相位两次相同，则执行电机控制输出。电机控制输出逻辑为当前相位3对应电机输出控制逻辑，并通过控制电路使得电机驱动电流B相绕组流向C相绕组。

本设计中电机的输出控制逻辑通过单片机6个控制引脚完成，经过处理电路控制驱动电机相位输出，相位电路如何驱动非本发明重点，对此不作展开说明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、电机转速检测

通过霍尔传感器检测电机的位置信号，控制器记录电机相同位置信号出现1次所用的检测时钟脉冲计数个数n，通过脉冲计数个数n表示电机转速；电机转速与脉冲计数个数n成反比关系；

步骤2、计算目标转速与实测转速差值e_k，e_k＝n_k-n_T；n_k为实测转速，n_T目标转速；

步骤3、计算比例系数K_p影响的占空比D_p，D_p＝K_p×e_k；

步骤4、计算微分系数K_d影响的占空比D_d，D_d＝n_k-n_k-1；n_k为当前实测转速，n_k-1为前一次实测转速；

步骤5、当满足设定条件时，计算积分系数K_i影响的占空比D_I，

其中，N为设定的累计偏差计算的次数；

对于D_I进行最小启调量控制，当计算出的D_I大于设定的第二阈值时，D_I进入后续计算，否则将D_I清零；

步骤6、根据转速差值e_k，使用系数k1和k2为占空比平滑处理，计算最终占空比D＝k1×(D_d+D_p)+k2×D_OLD+D_I；

k1+k2＝1；

其中，D_OLD为原占空比，k1为新占空比系数，k2为原占空比系数。

2.根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，电机启动时，通过逐级增加占空比的方式，将占空比从5％增加至85％。

3.根据权利要求2所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，每次增加的占空比值为5％，每次增加的时间间隔为50ms。

4.根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，步骤4)中，设置微分系数K_d影响的占空比D_d计算的转速限制范围为(170，350)。

5.根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，步骤5中，计算积分系数K_i影响的占空比D_I满足的设定条件为：

a)转速差值e_k小于设定的第一阈值；

b)转速趋于稳定；

c)占空比趋于稳定；

当上述3个条件同时满足时，进行积分系数K_i影响的占空比D_I计算。

6.根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，步骤6中，平滑处理时，根据转速差值e_k绝对值大小，将平滑系数分为3级调整，转速差值e_k绝对值越大，设置新占空比系数k1愈大、原占空比系数k2越小；反之，转速差值e_k绝对值越小，设置新占空比系数k1愈小、原占空比系数k2越大。

7.根据权利要求1所述的一种三相无刷直流电机快速稳速方法，其特征是，还包括步骤7)电机超低和超高转速占空比设定：

当电机转速判断为转速超低时，占空比设置为最大占空比；当电机转速判断为转速超高时，占空比设置为最小占空比。

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