CN114499308A - 带角度识别的直流无刷电机无感foc控制器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，属于电机控制技术领域，具体的控制方法包括：步骤一：对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic；步骤二：将Ia、Ib、Ic进行Clark变换，获得Iα和Iβ；将Iα、Iβ进行Park变换得到Iq和Id；步骤三：获取控制器的q轴电流参考值Iq_ref和d轴电流参考值Id_ref，计算Iq、Id和Iq_ref、Id_ref之间的误差Wq和Wd；步骤四：将Wq和Wd输入到PID控制器中，获得输出的控制电压Uq、Ud；将获得的Uq、Ud进行反ParK变换，获得Uα和Uβ；步骤五：通过Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制。

Description

带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体是带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法。

背景技术

直流无刷电机广泛用于各种应用需求，例如工业控制、汽车领域、航空、自动化系统、医疗保健设备及家用电器等领域中的各种负载、恒定负载和定位应用。近些年，由于无刷直流电机大规模的研发和技术的逐渐成熟，其驱动系统在工业生产中的分布范围也随之扩大，已逐步成为工业用电机的发展主流。现有的直流无刷电机控制多采用方波控制，方波控制方法的缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率低、电机机械噪音大；因此本发明提供了带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，用于解决方波控制方法带来的缺点。

发明内容

为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，具体的控制方法包括：

步骤一：对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic；

步骤二：将Ia、Ib、Ic进行Clark变换，获得Iα和Iβ；将Iα、Iβ进行Park变换得到Iq和Id；

步骤三：获取控制器的q轴电流参考值Iq_ref和d轴电流参考值Id_ref，计算Iq、Id和Iq_ref、Id_ref之间的误差Wq和Wd；

步骤四：将Wq和Wd输入到PID控制器中，获得输出的控制电压Uq、Ud；将获得的Uq、Ud进行反ParK变换，获得Uα和Uβ；

步骤五：通过Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值；

步骤六：根据输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机。进一步地，进行Clark变换的公式为：

Iα＝Iu

Iu+Iv+Iw＝0。

进一步地，进行Park变换的公式为：

进一步地，Iα、Iβ是静止坐标系下的电流分量，Vα、Vβ是静止坐标系中电压分量，Id、Iq是旋转坐标系下的电流分量；Vd、Vq是旋转坐标系下的电压分量；Iu、Iv、Iw是三相120度坐标系下的电流值；φ是旋转角度。

进一步地，PID控制器的工作过程中PID的控制规律表示为：

其中，Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间。

进一步地，获取采样周期T及当前的第K个采样周期，第K次采样时，PID算法的离线形式表示为：

U(k)＝K_perr(k)+K_i∑err(k)+K_d(err(k)-err(k-1))。

进一步地，还包括步骤七：设置角度传感器模块，通过设置的角度传感器模块进行设备运转角度控制。

进一步地，角度传感器模块的工作方法包括：

获取设备种类、型号和当前设备的运行环境数据，根据获取的设备种类、型号和当前设备的运行环境数据匹配对应的当前设备的安全角度范围，获取当前的三个半桥的状态编码值，根据状态编码值获取当前设备运动后的角度设计值，通过滤波算法消除干扰，设置语音提示单元，语音提示单元用于进行语音信息播放，当角度设计值不在安全角度范围内时，停止电机转动，并通过语音提示单元进行语音信息播放，当角度设计值在安全角度范围内时，电机正常运行。

进一步地，匹配对应的当前设备的安全角度范围的方法包括：

根据设备种类和型号从互联网中获取对应设备具有的运行环境状态，设置运行环境状态分类，将对应的运行环境状态数据分布到对应的分类中，建立角度模型，通过评分模型对分类中的运行环境状态数据进行分析，获得各个运行环境状态数据对应的安全角度范围，将获得的安全角度范围标记在对应的运行环境状态数据上，并标记为匹配数据；建立匹配数据建立相似度角度表，获取当前设备的运行环境数据，标记为检测数据，基于余弦相似度函数求取检测数据与匹配数据之间的相似度值，根据相似度值从相似度角度表中匹配到对应的安全角度范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过使用FOC磁场定向控制方法，能够实现转矩和磁通的独立；能够在整个速度范围内提供平滑转矩；能够在零速提供额定的转矩；能够加快加速和减速的动态过程；因为控制输出的电流波形是正弦波，所以可以有效减小转矩波动带来的机械振动，从而减小噪声，提高效率，增加了舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明FOC控制方法的电流闭环流程图；

图3为本发明PID控制最内环的电流控制框图；

图4为本发明PID控制的位置-速度-电流三环控制框图；

图5为本发明空间矢量扇区示意图；

图6为本发明参考电压矢量合成示例图；

图7为本发明七段式SVPWM示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法；

本发明采用FOC方法，直译是磁场定向控制，旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应；

通过测量和控制电动机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制；FOC的实现步骤是通过坐标变换，将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系，从而使三相交流耦合的定子电流转换为相互正交，独立解耦的转矩与励磁分量，从而到达类似于他励直流电动机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的。

具体的控制方法包括：

步骤一：对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic；

步骤二：将Ia、Ib、Ic进行Clark变换，获得Iα和Iβ；将Iα、Iβ进行Park变换得到Iq和Id；

进行Clark变换的公式为：

Iα＝Iu

Iu+Iv+Iw＝0

进行Park变换的公式为：

其中：u、v、w坐标系(三相定子绕组，相差120度)，α、β坐标系(直角坐标系：α轴与u轴重合，β轴超前α轴90度)，d-q坐标系(d轴是转子磁极的轴线、q轴超前d轴90度)；Iα、Iβ是静止坐标系下的电流分量，Vα、Vβ是静止坐标系中电压分量，Id、Iq是旋转坐标系下的电流分量；Vd、Vq是旋转坐标系下的电压分量；Iu、Iv、Iw是三相120度坐标系下的电流值；φ是旋转角度。

步骤三：获取控制器的q轴电流参考值Iq_ref和d轴电流参考值Id_ref，计算Iq、Id和Iq_ref、Id_ref之间的误差Wq和Wd；

步骤四：将Wq和Wd输入到PID控制器中，获得输出的控制电压Uq、Ud；将获得的Uq、Ud进行反ParK变换，获得Uα和Uβ；

步骤五：通过Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值；

步骤六：根据输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机；

步骤七：设置角度传感器模块，通过设置的角度传感器模块进行设备运转角度控制。

如图3所示，在FOC控制中主要用到三个PID环，从内环到外环依次是：电流环、速度环、位置环；即为通过电流反馈来控制电机电流(扭矩)，然后通过控制扭矩来控制电机的转速，再通过控制电机的转速控制电机位置。

获得控制电压Uq、Ud的方法包括：

获取当前时刻t，此时输入量为rin(t)，输出量为rout(t)，于是偏差就可计算为err(t)＝rin(t)-rout(t)；则PID的基本控制规律表示为：

其中，Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间；

获取系统采样周期T及当前的第K个采样周期，即系统进行第K次采样；此时的偏差表示为err(K)＝rin(K)-rout(K)，则积分表示为：err(K)+err(K+1)+……，而微分表示为(err(K)-err(K-1))/T；

因此第K次采样时，PID算法的离线形式表示为：

U(k)＝K_perr(k)+K_i∑err(k)+K_d(err(k)-err(k-1))

PID对应到电机控制系统：输入就是Iq_ref和Id_ref，输入误差Wq和Wd后再分别进行比例、积分、微分系数，最后输出Uq和Ud。

空间矢量合成输出三个半桥编码值的方法包括：

获取功率管的开关状态，包括0和1，其中上管导通是1，关闭是0；根据功率管的开关状态定义8个空间矢量，包括000、100、110、010、011、001、101、111，其中000和111是零矢量，如下表所示：

State	U<sub>hs</sub>	U<sub>ls</sub>	V<sub>hs</sub>	V<sub>ls</sub>	W<sub>hs</sub>
						000	OFF	ON	OFF	ON	OFF
100	ON	OFF	OFF	ON	OFF
						110	ON	OFF	ON	OFF	OFF
010	OFF	ON	ON	OFF	OFF
						011	OFF	ON	ON	OFF	ON
001	OFF	ON	OFF	ON	ON
						101	ON	OFF	OFF	ON	ON
111	ON	OFF	ON	OFF	ON

如图5所示，8个空间矢量构成6个扇区；

利用基本电压空间矢量的线性时间组合得到定子参考电压Vref；

示例性的，如图6所示，假定定子参考电压Vref位于A区，计算定子参考电压Vref的公式为：

Ts＝T1+T2+T0

T0＝Ts-T1-T2

如图7七段式SVPWM所示，由3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成，3段零矢量分别位于PWM的开始、中间和结尾；非零电压空间矢量能使电机磁通空间矢量产生运动，而零电压空间矢量使磁通空间矢量静止。

角度传感器模块的工作方法包括：

获取设备种类、型号和当前设备的运行环境数据，根据获取的设备种类、型号和当前设备的运行环境数据匹配对应的当前设备的安全角度范围，获取当前的三个半桥的状态编码值，根据状态编码值获取当前设备运动后的角度设计值，通过滤波算法消除干扰，如滤波算法公式y(n)＝y(n-1)+K(x(n)-y(n-1)，还可以使用其他现有的滤波算法；设置语音提示单元，语音提示单元用于进行语音信息播放，当角度设计值不在安全角度范围内时，停止电机转动，并通过语音提示单元进行语音信息播放，语音信息可以根据需要由用户自行设置，用于提示用户当前设备的运行状态；当角度设计值在安全角度范围内时，电机正常运行。

根据获取的设备种类、型号和当前设备的运行环境数据匹配对应的当前设备的安全角度范围的方法包括：

根据设备种类和型号从互联网中获取对应设备具有的运行环境状态，如爬楼机对应的楼梯尺寸环境，设置运行环境状态分类，如根据楼梯种类进行分类，螺旋楼梯、直跑楼梯等分类，将对应的运行环境状态数据分布到对应的分类中，建立角度模型，通过评分模型对分类中的运行环境状态数据进行分析，获得各个运行环境状态数据对应的安全角度范围，将获得的安全角度范围标记在对应的运行环境状态数据上，并标记为匹配数据；建立匹配数据建立相似度角度表，获取当前设备的运行环境数据，标记为检测数据，基于余弦相似度函数求取检测数据与匹配数据之间的相似度值，根据相似度值从相似度角度表中匹配到对应的安全角度范围。因为在特定的情况下，安全角度范围是可以无限大的，相当于将角度进行屏蔽操作。

评分模型是基于CNN网络或DNN网络进行建立的，通过设置训练集进行训练，训练集包括运行环境状态数据和对应设置的评分，具体的建立过程为本领域技术常识，因此不进行详细叙述。

建立匹配数据建立相似度角度表的方法为：

设置满足检测数据与匹配数据之间相似度要求的相似度区间，即为只有检测数据与匹配数据之间相似度在相似度区间内，对应的匹配数据才能作为目标数据，进而推算对应的安全角度范围，为相似度区间设置对应匹配的安全角度范围，均由专家组进行讨论设置，或通过建立神经网络模型进行设置；根据上述数据建立相似度角度表。

根据状态编码值获取当前设备运动后的角度设计值为本领域常识因此不进行详细叙述。

基于余弦相似度函数求取检测数据与匹配数据之间的相似度值的方法为本领域技术常识，因此不进行详细的叙述。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic；将Ia、Ib、Ic进行Clark变换，获得Iα和Iβ；将Iα、Iβ进行Park变换得到Iq和Id；获取控制器的q轴电流参考值Iq_ref和d轴电流参考值Id_ref，计算Iq、Id和Iq_ref、Id_ref之间的误差Wq和Wd；将Wq和Wd输入到PID控制器中，获得输出的控制电压Uq、Ud；将获得的Uq、Ud进行反ParK变换，获得Uα和Uβ；通过Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值；根据输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机；设置角度传感器模块，通过设置的角度传感器模块进行设备运转角度控制；获取设备种类、型号和当前设备的运行环境数据，根据获取的设备种类、型号和当前设备的运行环境数据匹配对应的当前设备的安全角度范围，获取当前的三个半桥的状态编码值，根据状态编码值获取当前设备运动后的角度设计值，通过滤波算法消除干扰，设置语音提示单元，语音提示单元用于进行语音信息播放，当角度设计值不在安全角度范围内时，停止电机转动，并通过语音提示单元进行语音信息播放，当角度设计值在安全角度范围内时，电机正常运行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (9)

1.带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，具体的控制方法包括：

步骤一：对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic；

步骤二：将Ia、Ib、Ic进行Clark变换，获得Iα和Iβ；将Iα、Iβ进行Park变换得到Iq和Id；

步骤三：获取控制器的q轴电流参考值Iq_ref和d轴电流参考值Id_ref，计算Iq、Id和Iq_ref、Id_ref之间的误差Wq和Wd；

步骤四：将Wq和Wd输入到PID控制器中，获得输出的控制电压Uq、Ud；将获得的Uq、Ud进行反ParK变换，获得Uα和Uβ；

步骤五：通过Uα、Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值；

步骤六：根据输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机。

2.根据权利要求1所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，进行Clark变换的公式为：

Iα＝Iu

Iu+Iv+Iw＝0。

3.根据权利要求1所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，进行Park变换的公式为：

4.根据权利要求2或3所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，Iα、Iβ是静止坐标系下的电流分量，Vα、Vβ是静止坐标系中电压分量，Id、Iq是旋转坐标系下的电流分量；Vd、Vq是旋转坐标系下的电压分量；Iu、Iv、Iw是三相120度坐标系下的电流值；φ是旋转角度。

5.根据权利要求1所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，PID控制器的工作过程中PID的控制规律表示为：

其中，Kp为比例系数，TI为积分时间，TD为微分时间。

6.根据权利要求5所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，获取采样周期T及当前的第K个采样周期，第K次采样时，PID算法的离线形式表示为：

U(k)＝K_perr(k)+K_i∑err(k)+K_d(err(k)-err(k-1))。

7.根据权利要求1所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，还包括步骤七：设置角度传感器模块，通过设置的角度传感器模块进行设备运转角度控制。

8.根据权利要求7所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，角度传感器模块的工作方法包括：

获取设备种类、型号和当前设备的运行环境数据，根据获取的设备种类、型号和当前设备的运行环境数据匹配对应的当前设备的安全角度范围，获取当前的三个半桥的状态编码值，根据状态编码值获取当前设备运动后的角度设计值，通过滤波算法消除干扰，设置语音提示单元，语音提示单元用于进行语音信息播放，当角度设计值不在安全角度范围内时，停止电机转动，并通过语音提示单元进行语音信息播放，当角度设计值在安全角度范围内时，电机正常运行。

9.根据权利要求8所述的带角度识别的直流无刷电机无感FOC控制器控制方法，其特征在于，匹配对应的当前设备的安全角度范围的方法包括：

根据设备种类和型号从互联网中获取对应设备具有的运行环境状态，设置运行环境状态分类，将对应的运行环境状态数据分布到对应的分类中，建立角度模型，通过评分模型对分类中的运行环境状态数据进行分析，获得各个运行环境状态数据对应的安全角度范围，将获得的安全角度范围标记在对应的运行环境状态数据上，并标记为匹配数据；建立匹配数据建立相似度角度表，获取当前设备的运行环境数据，标记为检测数据，基于余弦相似度函数求取检测数据与匹配数据之间的相似度值，根据相似度值从相似度角度表中匹配到对应的安全角度范围。

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