CN116582050A - 一种无感foc控制模式的启动方法、装置及电子设备 - Google Patents

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CN116582050A CN202310457523.8A CN202310457523A CN116582050A CN 116582050 A CN116582050 A CN 116582050A CN 202310457523 A CN202310457523 A CN 202310457523A CN 116582050 A CN116582050 A CN 116582050A
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Abstract

本申请属于无感FOC控制技术领域，尤其涉及一种无感FOC控制模式的启动方法、装置及电子设备。该方法应用于电子设备，电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在下桥臂MOS管和上桥臂MOS管之间的电机，电机的相电流流过相电流采样电阻；该方法包括：响应于启动指令，将下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制上桥臂MOS管截止；检测流过相电流采样电阻上的电流I，并将电流I确定为电机的相电流；根据相电流确定电机的转子的位置；根据转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。

Description

一种无感FOC控制模式的启动方法、装置及电子设备
技术领域
本申请属于无感FOC控制技术领域，尤其涉及一种无感FOC控制模式的启动方法、装置及电子设备。
背景技术
无传感器磁场定向控制(Filed Oriented Control，FOC)，简称无感FOC控制，具有运行稳定、转动脉动小、噪音小等特点，常用于电吹风、吸尘器等高速电机的控制中。
目前，无感FOC控制模式的启动方式为：主控制器根据电机相绕组中的相电流估算电机的反电动势，然后根据电机的反电动势计算出电机的转子位置，再根据电机的转子位置控制电机切入无感FOC控制模式。但是，由于电机在静止或者关机后处于滑行状态时，电机相绕组上没有电流或者电机相绕组上的电流很小，而电机的反电动势只有在转子具有一定的旋转转速时，才能建立起来。因此，电机在静止或者关机后处于滑行状态时，无法实现电机无感FOC控制模式的快速启动。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种无感FOC控制模式的启动方法、装置及电子设备，以解决现有技术中的电机在静止或者关机后处于滑行状态时，无法实现电机无感FOC控制模式的快速启动的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种无感FOC控制模式的启动方法，应用于电子设备，该电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在下桥臂MOS管和上桥臂MOS管之间的电机，电机的相电流流过相电流采样电阻；该方法包括：响应于启动指令，将下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制上桥臂MOS管截止；检测流过相电流采样电阻的电流I，并将电流I确定为电机的相电流；根据相电流确定电机的转子的位置；根据转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。
本申请实施例的第二方面提供了一种无感FOC控制模式的启动装置，该装置应用于电子设备，该电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在下桥臂MOS管和上桥臂MOS管之间的电机，电机的相电流流过相电流采样电阻；该装置包括：响应单元，用于响应于启动指令，将下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制上桥臂MOS管截止；检测单元，用于检测流过相电流采样电阻的电流I，并将电流I确定为电机的相电流；确定单元，用于根据相电流确定电机的转子的位置；控制单元，用于根据转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。
本申请实施例的第三方面提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本申请实施例提供了一种无感FOC控制模式的启动方法、装置及电子设备，电子设备在电机静止或者关机后处于滑行状态时，通过对驱动器的下桥臂MOS管占空比的调节，使得电机中产生相电流，然后根据该相电流确定电机中转子的位置，并根据该转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。通过该种方法，可以在电机静止或者关机后处于滑行状态时，无需增加额外的硬件电路的条件下，确定电机中的转子位置，进而基于该转子位置，使电机切入无感FOC控制模式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的适用于本申请实施例的控制系统的示意性架构图；
图2是本申请一实施例提供的控制系统的等效电路图；
图3是本申请一实施例提供的无感FOC控制模式的启动方法流程图；
图4是本申请一实施例提供的静止启动程序的启动方法示意性流程图；
图5是本申请一实施例提供的滑行启动程序的启动方法示意性流程图；
图6是本申请实施例提供的电机在3521erpm转速下的切换过程相电流波形示意图；
图7是本申请实施例提供的电机在转速为9434erpm切换时的相电流波形示意图；
图8是本申请实施例提供的电机在12887erpm切换时的相电流波形示意图；
图9是本申请实施例提供的电机超过40000erpm转速下切换至无感FOC正常运行时的相电流波形示意图；
图10是本申请实施例提供的一种无感FOC控制模式的启动装置的示意图；
图11是本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
以下结合具体的实施例对本申请提供的技术方案进行详细的解释说明。
随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对家用电器的使用体验感要求也越来越高，如对电吹风、吸尘器等家用电器的静音性和平顺性等各个方面的要求。无感FOC控制具有运行稳定、转动脉动小、噪音小等特点，为满足市场的需求，电吹风、吸尘器等高速电机逐渐采用无感FOC控制方式替代原来的无感方波控制方式。但基于无感FOC控制的控制原理，其控制的过程中由于没有位置传感器，无法在电机静止或者关机后电机还处于滑行状态时准确获取电机的转子位置，实现电机无感FOC控制的快速启动，对于用户而言具有较为不好的使用体验。
无传感器FOC控制的基本原理是：通过检测到的电机相绕组上的相电流估算出电机的反电动势，然后根据电机的反电动势计算出电机中转子位置，再根据电机中转子位置控制电机切入无感FOC控制模式。但是，由于电机在静止或者关机后处于滑行状态时，电机相绕组上没有电流或者电机相绕组上的电流很小，而电机的反电动势只有在转子具有一定的旋转转速时，才能建立起来，因此，电机在静止或者关机后处于滑行状态时，无法基于电流观测器估算出电机的反电动势，进而也无法实现电机无感FOC控制的快速启动。
在一些实施方式中，电机处于静止状态时，主控制器可以通过拖动加速程序将电机的转子加速到一定的转速，从而使得在拖动加速的过程中电机相绕组存在电流，并且在加速过程中实时检测电机相电流，然后基于电流观测器根据电机相电流估算电机的反电动势，从而估算出电机的转子位置。随着主控制器控制施加在电机上的电压合成矢量和电压合成矢量角的增加，使得电机从静止开始加速，在加速过程中使得电机相绕组中产生电流，通过相电流采样电阻，检测出相电流，然后将检测到的相电流输入至电流观测器中估算出电机转子位置。为了使得电机从静止进行稳定的加速，需将施加在电机上的电压合成矢量与电压合成矢量角的增量进行反复的调试，使拖动加速过程中施加在电压合成矢量以及电压合成矢量角进行匹配。而针对不同的负载或不同的电机需重新进行的调试，不仅增加工作量还增加了调试难度。
在另一些实施方式中，电机在关机后处于滑行状态时，电机具有一定的滑行速度，若此时主控制器需要拖动加速程序启动电机，由于此时电机具有一定的滑行速度，主控制器不能够准确判断电机转子位置，因此很难将控制施加至电机上的电压合成矢量角度与转子的实际角度实现同步。若直接施加固定的电压合成矢量可能导致启动电流过大、电机进入发电状态等问题，最终导致电机启动失败，甚至出现损坏控制器的情况发生。
基于此，本申请实施例提供一种无感FOC控制模式的启动方法，电机在静止或者关机后处于滑行状态时，通过对驱动器的下桥臂MOS管占空比的调节，使得电机中产生相电流，然后根据该相电流确定电机中转子的位置，并根据该转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。
本实施例中提供的方法应用于电子设备，该电子设备可以是家用高速电机设备，如电吹风、吸尘器、水泵等家用电器。其中，高速电机是指电机中转子的转速超过10000r/min的电机。
图1为适用于本申请实施例的控制系统的示意性架构图。如图1所示，该控制系统包括电源模块以及电子设备。该电子设备包括主控制器、电机、驱动器和相电流采样电阻，其中，驱动器包括下桥臂(metal oxide semiconductor，MOS)管和上桥臂MOS管，相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管依次连接，电机连接在下桥臂MOS管和上桥臂MOS管之间。
具体的，电源模块，包括供电电源或者蓄电池等，用于向电子设备供电。
主控制器，用于接收启动指令，该启动指令用于指示启动电机的无感FOC控制模式，以及根据该启动指令控制驱动器中上桥臂MOS管以及下桥臂MOS管。
电机，包括定子和转子。其中，定子固定安装在电机机壳上，且定子上设置有绕组线圈，用于产生电压合成矢量；转子通过轴承或者轴套安装固定在电机机座上，通常情况下，转子上设置有硅钢片和线圈。当电流流过线圈时会在定子、转子的硅钢片上产生磁场，磁场从而驱动转子转动。
驱动器，包括上桥臂MOS管以及下桥臂MOS管，该下桥臂MOS管连接相电流采样电阻。参见图2所示，为本申请一实施例提供的控制系统的等效电路图，如图2所示，该驱动器包括上桥臂MOS管Q1、Q3和Q5，以及下桥臂MOS管Q2、Q4和Q6，每个下桥臂MOS管Q2、Q4和Q6均串联有对应于电机各相的相电流采样电阻。
具体的，在驱动器中，驱动器的上桥臂MOS管和下桥臂MOS管，用于在电机进入无感FOC控制时，通过控制上下桥臂MOS管的占空比来控制流向电机中的电流。驱动器的下桥臂MOS管，还用于在电机处于静止或者关机后的滑行状态下，通过控制下桥臂MOS管的占空比控制电机中的相电流。其中，MOS管的占空比是指MOS管导通时间与整个周期的比值。参见图2中所示，当下桥臂MOS管的占空比开通一定数值时，电机中的电流在流向下桥臂MOS管后，则必然流向与该下桥臂MOS管串联的相电流采样电阻，因此，可以通过检测相电流采样电阻上的相电流，确定电机相绕组中的电流值。应理解，驱动器的下桥臂MOS管的占空比开通一定数值后，所检测到的相电流采样电阻上相电流越大，表示电机中转子的转速越快。
相电流采样电阻，与驱动器的下桥臂MOS管串联，驱动器的上桥臂MOS管截止，下桥臂MOS管导通时，电机相绕组中产生的相电流会经过相电流采样电阻，也就是说，相电流采样电阻中的电流与电机中的相电流相同，因此，可以通过检测相电流采样电阻上的电流估算电机转子位置。
图3为本申请一实施例提供的无感FOC控制模式的启动方法流程图，参见图3所示，该方法包括以下步骤S301-S306。
S301、主控制器接收启动指令。
本实施例中，启动指令用于指示启动电机进入无感FOC控制。
在一些实施例中，该启动指令可以是主控制器根据用户对电子设备的启动操作生成的，比如，用户按下电子设备上的开关按钮，主控制器响应于该启动操作生成启动指令。
S302、主控制器响应于启动指令，将下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制上桥臂MOS管截止。
当下桥臂MOS管的占空比越大时，流经该下桥臂MOS管的电流越大，相电流采样电阻中流经的电流也越大。需要说明的是，当下桥臂MOS管的占空比越大，如100％时，相电流采样电阻中会产生很大的相电流，同时驱动器的母线电压也会升高，从而对驱动器和电源造成损害，因此，电子设备在控制开通下桥臂MOS管占空比时，首先将驱动器中下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，该第一占空比可以是10％或者是20％，具体可以根据电机的配置进行设置。
由于在电机处于关机后的滑行状态时，电机相绕组会产生反电动势。因此，主控制器控制上桥臂MOS管截止、下桥臂MOS管开通，电源模块将不对电机供电，电机相绕组的外部激励消失，而当电机在滑行时，由于电机高速旋转，电机相线中会产生反电动势，将驱动器的下桥臂MOS管开通会使电机三相绕组产生回路，此时，只有电机相绕组所产生的反电动势激励。电机相绕组在反电动势激励下将会产生相电流，主控制器可以根据该相电流估算电机的反电动势。
S303、主控制器检测流过相电流采样电阻上的电流I，并将电流I确定为电机的相电流。
驱动器的下桥臂MOS管所连接的相电流采样电阻中流经的电流I与电机中的各相电流对应，因此，可以通过检测相电流采样电阻中的电流I来检测电机中的相电流，并将电流I确定为电机的相电流。
S304、主控制器根据相电流确定电机的运行状态。
主控制器在检测到相电流后，首先根据相电流值确定电机的运行状态，然后根据确定后的电机的运行状态，确定在对应运行状态下的电机的转子位置，并根据母线电压确定施加至电机中的电压合成矢量。
主控制器在相电流小于或者等于第一电流阈值时，确定电机为静止状态，或者，在相电流大于第一电流阈值，且电机的转子的旋转方向与预设方向不一致时，控制电机减速停机后，确定电机为静止状态。
需要说明的是，本申请实施例中所涉及到的电机处于静止状态，是指电机中相绕组的电流不满足预设要求时电机的状态，而不是单单指电机处于完全静止的状态。
主控制器在相电流大于第一电流阈值，且电机的转子的旋转方向与预设方向一致时，确定电机为滑行状态。
其中，第一电流阈值可以根据电机的具体型号类型进行配置，本实施例中不做具体限制。
在一些实施例中，主控制器在确定电机中转子的旋转方向是否与预设方向一致时，可以通过以下方式确定。首先，主控制器根据预设时间内，电机中转子的旋转角度的增减确定电机中转子的旋转方向。示例性的，主控制器将预设的角度递增设置为电机顺时针方向旋转，角度递减设置为电机逆时针方向旋转，在预设时间内，当转子的旋转角度递增时，则判断为转子沿顺时针方向旋转，当转子的旋转角度递减时，则判断为转子沿逆时针方向旋转。然后，当电机中转子的旋转方向与预设的转向不一致时，主控制器则通过调节驱动器的下桥臂MOS的占空比，使电机快速停止。若需要电机以最快的速度停止，可以将驱动器的下桥臂MOS管占空比设置为100％，但此时电机如果转速很高时，电机相绕组上会产生很大的相电流，同时驱动器的母线电压会升高，从而对驱动器和电源造成损害，对此可根据所检测到的电机相电流和驱动器的母线电压调节驱动器的下桥臂MOS管的占空比，在保证安全的前提下使电机快速减速停机。待电机停止或低于预设转速时，确定电机为静止状态，后续通过执行静止启动程序使电机切入无感FOC控制模式。如果在相电流大于第一电流阈值，且电机的转子的旋转方向与预设方向一致时，则确定为电机处于滑行状态，后续通过执行滑行启动程序使电机切入无感FOC控制模式。
S305、主控制器根据相电流确定电机的转子的位置。
本实施例中，主控制器在确定电机为静止状态时，根据静止启动程序确定电机中的转子位置，在确定电机为滑行状态时，则根据滑行启动程序确定电机中的转子位置。
S306、主控制器根据转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。
主控制器在确定出转子的位置后，根据转子的位置，在电机相电流值满足要求时，给电机施加预设的电压合成矢量，使得电机能够平稳的切入无感FOC控制模式。
需要说明的是，本实施例中，主控制器在根据转子的位置控制电机切入无感FOC控制时，在电机处于静止状态或者电机处于滑行状态时，确定电机中转子的位置以及后续根据该转子的位置控制电机切入无感FOC控制模式，所执行的是不同的启动程序，以下则分别对于不同状态下，主控制器控制电机切入的过程进行详细的解释说明。
主控制器将检测到的相电流与第一电流阈值进行对比，若电机的相电流小于或者等于第一电流阈值，则判定为电机处于静止状态，主控制器控制执行静止状态下电机的转子位置以及施加至电机中的电压合成矢量的确定过程，并根据确定后的电机转子位置以及电压合成矢量，切入电机的无感FOC控制模式，简称为静止启动程序。主控制器所检测到的电机的相电流小于第一电流阈值时，由于电机的反电动势只有在转子具有一定的旋转转速，才能建立起来，因此，针对电机的相电流小于第一电流阈值的状态，主控制器执行对应的静止启动程序。
图4为本申请一实施例提供的静止启动程序的启动方法示意性流程图，参见图4所示，该方法包括以下步骤S401-S405。
S401、主控制器在电机为静止状态时，确定电机中电压合成矢量角的初始值。
电机的相电流小于第一电流阈值时，判定电机处于静止状态，因此，电机启动时需要对电机的转子进行锁定，从而确定电机中转子的初始位置。
在一些实施例中，主控制器可以根据电机中转子的期望运行方向确定电机中转子的初始位置。
示例性的，若电机中转子的期望转向为顺时针方向，则将FOC控制算法中的电压合成矢量角设为90°位置，且将电压合成矢量的初始值设为第一阈值。持续50ms后，将电机转子锁定在180°位置。再将电压合成矢量角设为180°，持续50ms后电机转子将锁定在270°位置。
若电机中转子的期望转向为逆时针方向，则将FOC控制算法中的电压合成矢量角设为270°，同样将锁定电机转子的电压合成矢量的初始值设定为第一阈值。持续50ms后，将电机转子锁定在0°位置。再将电压合成矢量角设为0°，持续50ms后电机转子将锁定在90°位置。从而完成电机转子的锁定并确定电机的电压合成矢量角的初始值。应理解，电压合成矢量角超前电机转子位置90°。
需要说明的是，本实施例中所提及的电压合成矢量角的位置是指电机转子的电角度。本实施例中所涉及的所有数值均为示例性数值，具有实现时可以根据不同电机进行设置，如上述实施例中所提到的电压合成矢量角、持续时间等，本实施例中不做具体限制。
S402、主控制器按照预设的电压合成矢量角增量，以及预设的启动电压合成矢量施加模式，拖动电机旋转。
电机转子锁定完成后，在电压合成矢量角在初始值的基础上按预设的电压合成矢量角增量进行增加以及以预设的电压合成矢量施加模式向电机施加一定的电压合成矢量，即可拖动电机旋转。
若电机中转子的期望转向为顺时针方向，则在电压合成矢量角的初始值的基础上，按预设的电压合成矢量角增量进行递增；若电机中转子的期望转向为为逆时针方向，则在电压合成矢量角的初始值的基础上，按预设的电压合成矢量角增量进行递减。
本实施例中，在设置施加至电机的启动电压合成矢量时，为了更好的将电机启动电压合成矢量与电压合成矢量角进行匹配，从而快速的拖动电机旋转估算出电机的转子位置，快速切入无感FOC控制模式。拖动电机旋转时，施加的最大启动电压合成矢量包括电机最大电压合成矢量的第一百分比M，M∈[18％,25％]，优选的，M为20％，施加的最小启动电压合成矢量包括电机最大电压合成矢量的第二百分比N，N∈[2％,4％]，优选的，N为3％。主控制器以最小启动电压合成矢量为初始值，按照每个预设时间周期电机最大启动电压合成矢量的第三百分比Q，其中，Q∈[0.1％,0.3％]，对最小启动电压合成矢量的初始值进行增加，直至施加至最大启动电压合成矢量为止，其中，Q∈[0.1％,0.3％]。示例性的，主控制器以启动电压合成矢量每500us按电机最大电压合成矢量的0.2％增加。启动电压合成矢量的相关数值可以根据实际情况进行更改设置，本实施例中不做限制。
本实施例中，电压合成矢量角度增量则按下述公式进行计算。
△θcurrent＝△θstart+△θend/(1+Flex*(i-num)/num)
其中，Δθcurrent为当前电压合成矢量角度增量，Δθstart为电压合成矢量角度增量的初始增量，Δθend为电压合成矢量角度增量的最大值，i为电压合成矢量角度增量的索引值，即每个预设时间i将增加1，在每个PWM周期，i都将执行加1操作。电压合成矢量角为初始电压合成矢量角在每个脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)周期内按电压合成矢量角增量进行增加或递减。电压合成矢量角度增量越大，即电压合成矢量角变化的越快，当电压合成矢量满足要求时，电机转速也就越快。Flex为加速度调节系数，Flex越大加速度越大，num的值为启动算法的启动时间所对应PWM周期数，T＝num*TPWM。采用该算法使得电压合成矢量角在前半段时刻缓慢增加，中间时刻快速增加，后半段时刻又缓慢增加；前半段时刻的加速度大于后半段，中间时刻的加速度大于前半段的加速度，从而使电压合成矢量与电压合成矢量角快速匹配，从而快速的拖动电机旋转，估算出电机的转子位置，使电机进入无感FOC正常运行模式。
S403、主控制器在拖动电机旋转的过程中，实时检测相电流采样电阻中的相电流。
S404、主控制器根据相电流估算电机的转子位置。
S405、主控制器在估算出的电机的转子位置与施加的电压合成矢量角的差值在预设范围内时，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC正常运行模式。
示例性的，主控制器在电机旋转的过程中实时通过相电流采样电阻检测电机相电流，然后根据相电流基于电流观测器算法估算出电机的转子位置。当所估算出的电机转子位置与施加的电压合成矢量角的差值在预设范围内时，根据电机转子位置和电机转速，给电机施加预设的电压合成矢量，将电机切入无感FOC正常运行模式。
以上则为主控制器在相电流小于或者等于第一电流阈值时，通过执行静止启动程序使得电机切入FOC控制的过程。
主控制器将检测到的相电流与第一电流阈值进行对比，若电机的相电流大于或者等于第一电流阈值，且电机的转子的旋转方向与预设方向一致时，则判定电机处于关闭后的滑行状态，主控制器控制执行滑行状态下的滑行启动程序。
图5为本申请一实施例提供的滑行启动程序的启动方法示意性流程图，参见图5所示，该方法包括以下步骤S501-S505。以下则对主控制器执行滑动启动程序的过程进行解释说明。
S501、主控制器在电机为滑行状态时，实时检测相电流采样电阻上的相电流以及驱动器的母线电压。
电机在关机后处于滑行状态时，电机的高速旋转会使得电机产生反电动势，当电机反电动势大于驱动器的母线电压时，电机则会对母线进行反充电，因此，为了避免电机对母线进行反充电，需要根据驱动器的母线电压确定施加至电机的电压合成矢量，从而确保施加在电机上的电压合成矢量小于驱动器的母线电压。
应理解，电机反电动势的大小与电机转速成正比，电机转速越高，电机的反电动势越大。对于高速电机，相绕组的电阻值和电感值较小，对电流的抑制能力较小，当电机转速较高时，如果下桥臂MOS管的占空比为100％，电机相绕组中将会产生很大的电流，同时导致母线电压升高，大电流及母线电流高过大会造成驱动器与电机的损坏，甚至会导致电源的损坏。因此在电机滑行可通过调节驱动器的下桥臂MOS管的占空比，达到对电机相绕组中的相电流和驱动器的母线电压的控制使电流和电压控制在预设范围内，这样即可估算出电机转子位置，又能保证器件的安全。
主控制器在下桥臂MOS管开通的过程中实时检测电机的相电流以及驱动器的母线电压。
具体的，主控制器在母线电压大于第一电压阈值时或相电流大于第三电流阈值，减小驱动器的下桥臂MOS管的占空比，即将下桥臂MOS管的占空比调整为第二占空比，此时，该第二占空比小于第一占空比，直至所检测到的相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值，母线电压小于第一电压阈值，大于或者等于第二电压阈值；当驱动器的母线电压小于第二电压阈值时或相电流小于第二电流阈值时，增大驱动器的下桥臂MOS管的占空比，即将下桥臂MOS管的占空比调整为第二占空比，此时，该第二占空比大于第一占空比，直至所检测到的相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值，母线电压小于第一电压阈值，大于或者等于第二电压阈值；其中，母线电压的第一电压阈值大于第二电压阈值，相电流的第一电流阈值小于第二电流阈值，相电流的第二电流阈值小于第三电流阈值。
S502、主控制器根据相电流估算电机的转子位置以及电机的转动速度，并根据母线电压和电机的转动速度确定施加至电机的电压合成矢量。
主控制器在相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值，母线电压小于第一电压阈值，大于或者等于第二电压阈值时，根据相电流估算电机的转子位置和电机的转动速度。
在一些实施例中，当电机处于滑行状态检测到的电机相电流较小时，如检测到的相电基本等于第二电流阈值时，主控制器基于电流观测器算法估算得到的反电动势幅值较小，如果反电势幅值太小会影响转子位置角的估算精度。因此，在实际控制中将在滑行过程中检测到相电流放大2倍后在结合电流观测器算法实现稳定且快速的估算出电机转子位置。
应理解，反电动势与电机的转速成正比，因此，可以根据电机的反电动势估算电机的转速。示例性的，通过反电势的波形过零点可以计算电机转子的位置和通过某一点的周期，即可计算出电机的转动速度；或者，通过单位时间内电机转子角度的变化量来计算电机的转速。
需要说明的是，主控制器在接收到电机的启动指令时，只要电机具有一定的滑行速度就可以直接按照当前估算得到的转子位置启动电机。为确保滑行过程中主控制器在基于电流观测器算法所得到的估算结果具有稳定的输出值，设定滑行检测时间需满足预设时间要求。电机在滑行检测过程中，电压合成矢量值为0，切换到无感FOC正常运行模式时，如果给电机施加个固定的电压合成矢量，此时电机相电流可能出现较大的变化，电机转速也会出现巨大波动，如果电流达到一定时，有损坏驱动器的风险。当给电机施加的电压与反电动势大小接近时，根据电机数学模型可知电机上产生的电流较小，其中，R表示电机的相绕组的电阻，is表示电机相电流，L表示电机相绕组的电感，dis/dt表示单位时间内电机相绕组上电流的变化量，es表示电机相绕组上的反电动势。由于电机的反电动势与电机的转速成正比，对此可根据母线电压及电机转速计算电压合成矢量。
S503、主控制器根据估算出的电机的转子位置将电压合成矢量施加至电机，控制电机切入无感FOC控制模式。
本实施例中，主控制器根据驱动器的母线电压和相电流的大小调节下桥臂MOS管的占空比，即可使电机相电流维持在预设范围内，再基于电流观测器算法快速的估算出电机转子位置，又能使驱动器的母线电压维持在预设范围内，从而在保证驱动器和电源安全的前提下快速估算出电机转子位置，实现电机滑行运行时的快速启动，最终切入无感FOC正常运行程序。
主控制器在估算出电机转子位置后，可以采用启动切换程序，将电压合成矢量施加至电机，使电机切入无感FOC正常运行程序。
在一些实施例中，当滑行启动发生在电机较低转速时，电压、电流和电机转子位置角的变化相对较小，对切换几乎没有影响，从滑行到启动可以非常平稳的过渡。参见图6所示，为电机在3521erpm(erpm表示电气转速，下同)转速下的切换过程相电流波形示意图。从图6中可以看出，在该转速下，电机从滑行到启动的过程可以平稳的过渡。
另外，需要说明的是，随着电机转速的增大，电机转子位置角的变化不断变大。由于电机转子位置和电机转速是通过电流观测器迭代计算得出，迭代计算的过程也需要一定的时间，尽管该时间很短，但是当电机转速很高时，在迭代期间电机的位置已经发生了变化，而此时，通过电流观测器估算得出的电机转子位置已经不是切换时电机转子的实际位置，而施加给电机的电压合成矢量是根据电机观测器估算得到的电机转子位置给定。因此，电机从滑行状态切入无感FOC正常运行时电机相电流存在明显的电流尖峰，参见图7和图8中所示，其中，图7为电机在转速为9434erpm切换时的相电流波形示意图，图8为电机在12887erpm切换时的相电流波形示意图。从图7和图8中可以看出，图7中的相电流尖峰小于图8中相电流的尖峰。
S504、主控制器控制电机切入无感FOC控制模式时，实时检测相电流采样电阻上的电流以及母线电压。
随着切换速度的进一步升高，电机转子位置角的变化会变得很大，即转速越高，电机转子位置变化越快，切换时的电流变化很大。在高转速切换过程中电机转子位置已经有很大变化，使得在切换电流变化很大，电流过大最终可能触发过流保护而使切换过程终止。
基于此，本实施例中在主控制器控制电机切入无感FOC控制模式时，在切换过程中实时检测电机相绕组中的相电流。
S505、主控制器在相电流处于非预设范围时，控制上桥臂MOS管截止，并根据相电流调节下桥臂MOS管，直至相电流处于预设范围。
S506、主控制器根据在预设范围内的相电流重新估算电机的转子位置和转动速度。
S507、主控制器根据重新估算后的电机的转动速度和母线电压确定施加至电机的电压合成矢量。
S508、主控制器根据重新估算的电机的转子位置将电压合成矢量施加至电机，控制电机切入无感FOC控制模式。
示例性的，当检测到的相电流处于非预设范围时，如相电流大于或者等于第四电流阈值，主控制器将关闭驱动器的上桥臂MOS管，使电机继续执行滑行操作，然后根据检测的相电流调节下桥臂MOS管的占空比，直至相电流满足预设要求，如相电流大于或等于第二电流阈值，小于第三电流阈值。再根据相电流重新估算电机的转子位置和转动速度，实现对转子位置的重新估算。在本实施例中，第四电流阈值可以是大于第三电流阈值的值，也可以是根据电机的配置设定的预设值，具体可以根据实际需求进行设置。
当主控制器基于电流观测器算法迭代预设时间后继续判定所检测到的相电流与第四电流阈值之间的关系，并在相电流大于或者等于第四电流阈值时，继续进入滑行状态并继续执行滑行检测过程，如此反复重启，最终在相电流处于某一预设范围时，比如小于第四电流阈值，或者，相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值时，根据相电流重新估算电机的转子位置和转动速度，并根据重新估算后的电机的转动速度和母线电压确定施加至电机的电压合成矢量，最后根据重新估算的电机的转子位置将电压合成矢量施加至电机，控制电机切入无感FOC正常运行模式。
参见图9所示，为电机超过40000erpm转速下由于切换过程中相电流大于或者等于第四电流阈值，然后电机重新执行电机继续进入滑行状态以及估算电机转子的位置的过程，多次重启后，在相电流小于第四电流阈值时切换至无感FOC正常运行时的相电流波形示意图，图9中3通道脉冲数代表重启次数。
在另一些实施例中，当驱动器的下桥臂MOS管占空比达到100％且电机转速低于阈值时，电机依然未切入无感FOC正常运行模式，将执行静止启动程序。驱动器的下桥臂MOS管占空比为100％占空比时，相当于电机三相相线形成回路，由于电机旋转会产生反电动势，相线上会产生很大的电流。变化的电流会产生磁场，从而可以阻碍电机转子旋转，使电机快速停止。当电机快速停止后可以快速执行静止启动程序。否则，电机需要滑行一段时间后才能停止。
本实施例中，主控制器在滑行启动过程中基于电流观测器算法迭代计算得出电机转子位置和电机转子，主控制器根据电机转速和驱动器的母线电压计算电压合成矢量。根据估算的电机转子位置对电机施加电压合成矢量，使其切入无感FOC正常运行程序。由于电机转子位置和电机转速是通过电流观测器迭代计算得出，迭代计算需一定的时间，尽管该时间很短，当电机转速很高时，在迭代期间电机的位置已经发生了变化，使得通过电流观测器估算得出的电机转子位置已经不是切换时电机转子的实际位置，而施加给电机的电压合成矢量是根据电机观测器估算得到的电机转子位置给定，使得电机从滑行状态切入无感FOC正常运行时电机相电流存在明显的电流尖峰。电机转速越高，电机转子位置变化越快，电机切入无感FOC正常运行时，尖峰电流越大。为减小大电流冲击，在切换过程中实时检测电机相电流，当电机相电流大于阈值时，截断驱动器的上桥臂MOS管使电机继续执行滑行操作并通过电流观测器估算电机转子位置，电流观测器继续迭代一定的时间，并重新计算电压合成矢量，然后重新将电机切入无感FOC正常运行模式。如果切换过程中检测的相电流依然过大，则反复执行上述过程，直至成功切入无感FOC正常运行模式。如果电机转速低于阈值时，电机还未切入无感FOC正常运行程序，则执行静止启动程序。
综上，本实施例中，主控制器基于电机在滑行时，电机相绕组会产生反电动势，而反电动势会产生电流的原理，在电机滑行时，通过调节下桥臂MOS管占空比实现对流经下桥臂MOS管以及相电流采样电阻中的相电流的检测以及驱动器的母线电压的控制，根据相电流以及驱动器的母线电压，确定电机中转子的位置以及施加至转子的电压合成矢量值，根据电机中转子的位置以及施加至转子的电压合成矢量值，使电机切入无感FOC控制模式。电子设备通过该种方式，无需增加额外的硬件电路，如反电动势检测电路，就能够直接检测相电流估算电机转子位置，不仅可以降低算法的复杂度，且当电机处于特殊角度位置时，如三相互补PWM占空比较接近时，采用相电流采样电阻可以稳定可靠的检测出电机相绕组的相电流，并将该相电流输入电流观测器，从而更加可靠的估算电机转子位置，进而使得电机平稳的切入无感FOC控制模式。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
图10为本申请实施例提供的一种无感FOC控制模式的启动装置的示意图，该装置应用于电子设备，该电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在下桥臂MOS管和上桥臂MOS管之间的电机，电机的相电流流过相电流采样电阻；如图10所示，该装置包括：
响应单元，用于响应于启动指令，将下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比。
检测单元，用于检测流过相电流采样电阻的电流I，并将电流I确定为电机的相电流。
确定单元，用于根据相电流确定电机的转子的位置。
控制单元，用于根据转子的位置，给电机施加预设的电压合成矢量，控制电机切入无感FOC控制模式。
图11是本申请一实施例提供的电子设备的示意图。如图11所示，该实施例的电子设备11包括：处理器110、存储器111以及存储在所述存储器111中并可在所述处理器110上运行的计算机程序112，例如无感FOC控制模式的启动程序。所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述各个无感FOC控制模式的启动方法实施例中的步骤。或者，所述处理器110执行所述计算机程序112时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，所述计算机程序112可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器111中，并由所述处理器110执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序112在所述电子设备11中的执行过程。
所述电子设备可包括，但不仅限于，处理器110、存储器111。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是电子设备11的示例，并不构成对电子设备11的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器110可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器111可以是所述电子设备11的内部存储单元，例如电子设备11的硬盘或内存。所述存储器111也可以是所述电子设备11的外部存储设备，例如所述电子设备11上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器111还可以既包括所述电子设备11的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器111用于存储所述计算机程序以及所述电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器111还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无感FOC控制模式的启动方法，其特征在于，应用于电子设备，所述电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在所述下桥臂MOS管和所述上桥臂MOS管之间的电机，所述电机的相电流流过所述相电流采样电阻；所述方法包括：
响应于启动指令，将所述下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制所述上桥臂MOS管截止；
检测流过所述相电流采样电阻上的电流I，并将所述电流I确定为所述电机的相电流；
根据所述相电流确定所述电机的转子的位置；
根据所述转子的位置，给所述电机施加预设的电压合成矢量，控制所述电机切入无感FOC控制模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述相电流确定所述电机的转子的位置，包括：
根据所述相电流确定所述电机的运行状态，所述运行状态包括静止状态和滑行状态；
根据所述运行状态，确定所述电机的转子的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相电流确定所述电机的运行状态，包括：
在所述相电流小于或者等于第一电流阈值时，确定所述电机为静止状态，或者，
在所述相电流大于第一电流阈值，且所述电机的转子的旋转方向与预设方向不一致时，控制所述电机减速停机后，确定所述电机为静止状态；
在所述相电流大于第一电流阈值，且所述电机的转子的旋转方向与预设方向一致时，确定所述电机为滑行状态。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述根据所述运行状态，确定所述电机的转子的位置，包括：
在所述电机为静止状态时，确定所述电机中电压合成矢量角的初始值；
按照预设的电压合成矢量角增量，以及预设的启动电压合成矢量施加模式，拖动所述电机旋转；
在拖动所述电机旋转的过程中，实时检测所述相电流采样电阻中的相电流；
根据所述相电流估算所述电机的转子位置；
在估算出的所述电机的转子位置与施加的电压合成矢量角的差值在预设范围内时，给所述电机施加所述预设的电压合成矢量，控制所述电机切入无感FOC控制模式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，拖动所述电机旋转时，施加的最大启动电压合成矢量包括电机最大电压合成矢量的第一百分比M，施加的最小启动电压合成矢量包括电机最大电压合成矢量的第二百分比N，其中，M∈[18％,25％]，N∈[2％,4％]，所述预设的启动电压合成矢量施加模式，包括：
以所述最小启动电压合成矢量为初始值，按照每个预设时间周期电机最大启动电压合成矢量的第三百分比Q，对所述最小启动电压合成矢量的初始值进行增加，直至施加至所述最大启动电压合成矢量为止，其中，Q∈[0.1％,0.3％]。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压合成矢量角增量通过如下述公式计算：
△θcurrent＝△θstart+△θend/(1+Flex*(i-num)/num)
其中，Δθcurrent为当前电压合成矢量角度增量，Δθstart为电压合成矢量角度增量的初始增量，Δθend为电压合成矢量角度增量的最大值，Flex为加速度调节系数，num为启动算法的启动时间所对应PWM周期数，i为电压合成矢量角度增量的索引值。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述根据所述运行状态，确定所述电机的转子的位置，包括：
在所述电机为滑行状态时，实时检测所述相电流采样电阻上的相电流以及驱动器的母线电压；
根据所述相电流估算所述电机的转子位置以及所述电机的转动速度，并根据母线电压和所述电机的转动速度确定施加至所述电机的电压合成矢量；
根据估算出的所述电机的转子位置将所述电压合成矢量施加至所述电机，控制所述电机切入无感FOC控制模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述相电流估算电机的转子位置以及所述电机的转动速度，包括：
在所述相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值，所述母线电压小于第一电压阈值，大于或者等于第二电压阈值时，根据所述相电流估算所述电机的转子位置和所述电机的转动速度；
其中，所述第一电流阈值小于所述第二电流阈值，所述第二电流阈值小于所述第三电流阈值；所述第一电压阈值大于所述第二电压阈值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述母线电压大于所述第一电压阈值时或所述相电流大于第三电流阈值时，或者，所述母线电压小于第二电压阈值时或相电流小于第二电流阈值时，调节所述下桥臂MOS管的占空比为第二占空比，以使所述相电流大于或者等于第二电流阈值，小于第三电流阈值，所述母线电压小于第一电压阈值，大于或者等于第二电压阈值。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据估算出的所述电机的转子位置将所述电压合成矢量施加至所述电机，控制所述电机切入无感FOC控制模式后，所述方法还包括：
控制所述电机切入无感FOC控制模式时，实时检测所述相电流采样电阻上的相电流以及所述母线电压；
在所述相电流处于非预设范围时，控制所述上桥臂MOS管截止，并根据所述相电流调节所述下桥臂MOS管，直至所述相电流处于预设范围；
根据在所述预设范围内的所述相电流重新估算所述电机的转子位置和转动速度；
根据重新估算后的所述电机的转动速度和所述母线电压确定施加至所述电机的电压合成矢量；
根据重新估算的所述电机的转子位置将所述电压合成矢量施加至所述电机，控制所述电机切入无感FOC控制模式。
11.一种无感FOC控制模式的启动装置，其特征在于，应用于电子设备，所述电子设备包括依次连接的相电流采样电阻、驱动器的下桥臂MOS管和驱动器的上桥臂MOS管，以及连接在所述下桥臂MOS管和所述上桥臂MOS管之间的电机，所述电机的相电流流过所述相电流采样电阻；所述装置包括：
响应单元，用于响应于启动指令，将所述下桥臂MOS管的占空比调整为第一占空比，控制所述上桥臂MOS管截止；
检测单元，用于检测流过所述相电流采样电阻上的电流I，并将所述电流I确定为所述电机的相电流；
确定单元，用于根据所述相电流确定所述电机的转子的位置；
控制单元，用于根据所述转子的位置，给所述电机施加预设的电压合成矢量，控制所述电机切入无感FOC控制模式。
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器被配置为执行权利要求1-10任一项所述的方法。
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