CN1767355A - 无电刷直流电动机的转速控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无电刷直流电动机的转速控制装置及其控制方法，包括：坐标变换装置、位置转速推算装置、转速控制装置和处理装置；坐标变换装置将电动机的固定坐标系相电流分别转换成旋转坐标系的磁场电流和转矩电流；位置转速推算装置推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机的转速推算值和转子的位置角；转速控制装置产生旋转坐标系的电流指令值；处理装置根据转速推算值，命令转速控制装置对电动机进行额定转矩控制或弱磁控制。优点是：可以根据与负载相关的转速变化来处理转速指令值和转速推算值，对电动机进行弱磁控制从而可以降低耗电量，同时降低噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动机，特别是涉及一种无电刷直流电动机的转速控制装置及其控制方法。
背景技术
一般来说，感应电动机旋转时其转子中会产生一个感应电动势，该感应电动势的大小与转子的转速成正比，因此有时该反电动势甚至会大于电动机的电源电压。为了防止这种情况的发生，可采用一种所谓弱磁控制方法，对穿过转子的磁通进行控制，使穿过转子的磁通与转子的转速成反比，就是说，随着电动机转子转速的增加，使穿过转子的磁通减小，使转子受到的转矩减小，从而防止出现转子中的感应电动势大于电源电压的现象。
但是，使穿过转子的磁通与转子的转速成反比地减小，会带来如下问题：电动机的转子转速越高，其受到的驱动转矩就越小。因此，必须对适用弱磁控制的转速范围加以控制，以便使转子在高速旋转时不受弱磁控制的影响，而能够最大限度地获得驱动转矩。
图1为已有的无电刷直流电动机的转速控制装置的结构框图。
如图1所示，已有的无电刷直流电动机的转速控制装置10包括：电动机11、电流检测装置12～13、坐标变换装置14、位置及转速推算装置15、转速控制装置16、弱磁场控制部17、电流控制装置18、电压控制装置19和变极器20；所述的电动机11包括：定子(图中未示出)和转子(图中未示出)，所述的其转子在变极器20提供的相电压的作用下旋转；所述的电流检测装置12、13分别用来检测电动机11的定子线圈的固定坐标系的A相、C相电流ias、ics；所述的坐标变换装置14接收来自位置及转速推算装置15的转子位置角θ的信号，并根据转子位置角θ信号，将检测出的固定坐标系的A相、C相电流ias、ics转换成旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs；与磁场电流ids相比，所述的转矩电流iqs的相位滞后90°；所述的位置及转速推算装置15接收到旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的转速推算值ωe和转子的位置角θ；所述的转速控制装置16根据通过输入端子(图中未示出)接收到的转速指令值ω*和转速推算值ωe，产生旋转坐标系的转矩电流指令值iqs *；所述的弱磁场控制部17接收到转速推算值ωe之后，根据预先储存的电流指令特征试验曲线，产生旋转坐标系磁场电流指令值ids *；所述的电流控制装置18接收到来自转速控制装置16的旋转坐标系转矩电流指令值iqs *、来自弱磁控制装置17的旋转坐标系磁束电流指令值ids *、旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs之后，将其分别转换成转矩电压指令值Vqs *和磁场电压指令值Vds *；所述的电压控制装置19接收到转矩电压指令值Vqs *、磁场电压指令值Vds *和转子位置角θ之后，将其分别转换成3相电压指令值Vas、Vbs、Vcs；所述的变极器20用来根据3相电压指令值Vas、Vbs、Vcs，分别转换PWM(PULSE WIDTH MODULATION)时间，向电动机11的定子线圈提供直流电流。
详细地说，当电动机高速旋转导致电动机的电源电压不足时，所述的弱磁控制装置17为了在适当的转速范围内弱磁控制，以预先储存的电流指令特征试验曲线为基准，将与转速推算值ωe成比例关系的D轴电流—磁场电流指令值ids *转换成负值，输出给电流控制装置18。
图2为图1所示的无电刷直流电动机的弱磁控制装置利用的电流指令特征试验曲线。如图2所示，在预先储存的电流指令特征试验曲线中，当转速推算值ωe大于速度ωp时，所述的磁场电流指令值ids与转速推算值ωe成反比。
包含速度ωp的电流指令特征试验曲线是以电动机参数为基准的电流指令特征试验曲线，不考虑温度等条件的影响所带来的参数变化因素，不管当前负载状态如何，只与一定负载(比如，满负载)相适应。因此当负载状态发生变化时(例如，无负载或部分负载)，已有的转速控制装置不能给电动机提供最适当的电源电压，有可能导致电动机定子线圈中的电流过大，不但浪费电能，而且在高速旋转时还会产生较大电动机的电磁噪声。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述已有的无电刷直流电动机的转速控制装置的缺点，提供一种无电刷直流电动机的转速控制装置以及其方法，从而可以在不使用固定形式的电流指令特征试验曲线的条件下，根据与负载相关的转速变化来处理转速指令值和转速推算值，对电动机进行弱磁控制。
另外，本发明另一个目的是，提供一种无电刷直流电动机的转速控制装置及其控制方法，使D轴的电流最佳化，从而降低电能消耗，达到节能降噪的目的。
为了解决所述的技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明无电刷直流电动机的转速控制装置包括：坐标变换装置、位置转速推算装置、转速控制装置和处理装置；所述的坐标变换装置根据转子的位置角，将电动机的固定坐标系相电流通过坐标转换，分别转换成旋转坐标系的磁场电流和转矩电流；所述的位置转速推算装置接收到上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机的转速推算值和转子的位置角；所述的转速控制装置通过处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值之后，产生旋转坐标系的电流指令值；所述的处理装置根据上述转速推算值，命令所述的转速控制装置对电动机进行额定转矩控制或弱磁控制。
如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，所述的处理装置便使所述的转速控制装置产生转矩电流指令值，并使磁场电流指令值保持“0”，使之对电动机进行额定转矩控制。
如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，所述的处理装置便使所述的转速控制装置产生磁场电流指令值，并使转矩电流指令值保持最大转矩电流指令值，使之对电动机进行弱磁控制。
所述的磁场电流指令值为负值。
本发明无电刷直流电动机的转速控制装置还可以是，包括：坐标变换装置、位置转速推算装置、第1转速控制装置、第2转速控制装置；所述的坐标变换装置根据转子的位置角，将电动机的固定坐标系相电流通过坐标转换，转换成旋转坐标系的磁场电流和转矩电流；所述的位置转速推算装置接收到旋转坐标系的磁场电流和转矩电流之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和上述转子的位置角；所述的第1转速控制装置根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系的转矩电流指令值；所述的第2转速控制装置根据上述转速推算值，处理上述转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系的磁场电流指令值。
如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则第2转速控制装置产生的磁场电流指令值为“0”。
如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则第1转速控制装置产生最大转矩电流指令值。
所述的磁场电流指令值为负值。
所述的第1转速控制装置和第2转速控制装置组成一个转速控制装置。
本发明无电刷直流电动机的转速控制方法包括以下阶段：
阶段1：对电动机的固定坐标系相电流进行检测；
阶段2：根据转子的位置角，将固定坐标系相电流的检测值，通过坐标转换，分别转换成旋转坐标系磁场电流和转矩电流；
阶段3：根据上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流，推算与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和转子的位置角；
阶段4：根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系转矩电流指令值和磁场电流指令值中的某一个；
阶段5：使其它电流指令值保持常值。
如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系转矩电流指令值；所述的阶段5中使磁场电流指令值保持为“0”。
如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系磁场电流指令值；所述的阶段5中使转矩电流指令值保持最大转矩电流指令值。
本发明无电刷直流电动机的转速控制方法还可以是，包括以下阶段：
阶段1：对电动机的固定坐标系相电流，进行检测；
阶段2：根据转子的位置角，将固定坐标系相电流的检测值，通过坐标转换，转换成旋转坐标系磁场电流和转矩电流；
阶段3：根据上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流，推算与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和转子的位置角；
阶段4：根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，分别产生旋转坐标系转矩电流指令值和磁场电流指令值。
如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系转矩电流指令值，以及其值为“0”的旋转坐标系磁场电流指令值。
如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系最大转矩电流指令值，以及旋转坐标系磁场电流指令值。
本发明有益效果是：可以在不使用固定形式的电流指令特征试验曲线的条件下，根据与负载相关的转速变化来处理转速指令值和转速推算值，对电动机进行弱磁控制。
另外，可以在D轴上产生最适当的电流，从而可以降低耗电量，同时降低噪声。
附图说明
图1为已有的无电刷直流电动机的转速控制装置的结构框图；
图2为图1所示的无电刷直流电动机的弱磁控制装置利用的电流指令特征试验曲线；
图3为本发明无电刷直流电动机的转速控制装置实施例1的结构框图；
图4a和图4b为图3所示的转速控制装置的运行例；
图5a和图5b为本发明无电刷直流电动机的转速控制装置实施例2的部分结构框图和运行例；
图6a和图6b分别为已有的无电刷直流电动机的转速控制装置的相电流波形和本发明无电刷直流电动机的转速控制装置的相电流波形；
图7为已有的无电刷直流电动机和本发明无电刷直流电动机产生的噪声曲线图。
图中：
30：转速控制装置 31：电动机
32、33：电流检出装置 34：坐标变换装置
35：位置及转速推算装置 36：转速控制装置
37：处理装置 38：电流控制装置
39：电压控制装置 40：变极器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
但是，本发明保护范围不局限于说明书的实施例和附图中记载的内容，而是以权利要求书记载的内容为准。
实施例1
图3为本发明无电刷直流电动机的转速控制装置实施例1的结构框图。
如图3所示，本发明无电刷直流电动机的转速控制装置30包括：电动机31、电流检测元件32、33、坐标变换装置34、位置及转速推算装置35、转速控制装置36、处理装置37、电流控制装置38、电压控制装置39和变极器40；所述的电动机31包括定子(图中未示出)和转子(图中未示出)，在变极器40提供的各相电压、电流的作用下，所述的转子进行旋转；所述的电流检测元件32、33分别对电动机31定子线圈中的固定坐标系A相、C相电流ias、ics进行检测；所述的坐标变换装置34接收到来自位置及转速推算装置35的转子位置角θ信息后，根据转子位置角θ信息将A相、C相电流ias、ics分别转换成旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs，与磁场电流ids相比，所述的转矩电流iqs的相位滞后90°角；所述的位置及转速推算装置35接收到旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机的转速推算值ωe和转子的位置角θ；所述的转速控制装置36根据通过输入端子(图中未示出)接收到的转速指令值ωe *和转速推算值ωe，产生旋转坐标系的转矩电流指令值iqs *和/或旋转坐标系的磁场电流指令值ids *；所述的处理装置37根据转速推算值ωe，使转速控制装置36进行额定转矩控制或弱磁控制；所述的电流控制装置38根据来自转速控制装置36和/或处理装置37的旋转坐标系转矩电流指令值iqs *和磁束电流指令值ids *和旋转坐标系的磁场电流ids和转矩电流iqs，并将其分别转换成转矩电压指令值Vqs *和磁场电压指令值Vds *；所述的电压控制装置39接收到转矩电压指令值Vqs *、磁场电压指令值Vds *和转子位置角θ之后，将其转换成3相电压指令值Vas、Vbs、Vcs；为了向电动机31的定子线圈提供3相电源，所述的变极器40根据3相电压指令值Vas、Vbs、Vcs，转换PWM(PULSE WIDTHMODULATION)时间；实际上，上述组成部件中，除变极器40之外，其他部件均可以是由微处理器(图中未示出)执行的软件。
更详细地说，所述的坐标变换装置34、位置及转速推算装置35、电流控制装置38、电压控制装置39和变极器40，执行与图1所示的转速控制装置10中的相应部件相同的功能。下面参照图4a和4b，仅对与已有的转速控制装置不同的转速控制装置36和处理装置37进行详细说明：
图4a和图4b为图3所示的转速控制装置的运行例。
如图4a所示，当来自位置及转速推算装置35的转速推算值We小于弱磁控制速度ωw时，所述的处理装置37命令转速控制装置36处理转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系转矩电流指令值iqs *，并将其输出到电流控制装置38，从而对电动机进行额定转矩控制；当处理装置37进行额定转矩控制时，使旋转坐标系磁场电流指令值ids *持续为“0”。
如图4b所示，当来自位置及转速推算装置35的转速推算值We大于弱磁控制速度ωw时，处理装置37命令转速控制装置36处理转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系磁场电流指令值ids *，并将其输出到电流控制装置38，从而对电动机进行弱磁控制；这时，所述的处理装置37使转矩电流指令值iqs *保持最大转矩电流指令值iqmax，并把转矩电流指令值iqs *输出到电流控制装置38；这里，所述的最大转矩电流指令值iqmax是Q轴上的最大电流指令值，采用预先储存的值。
以普通的家用滚筒洗衣机为例，所述的弱磁控制速度ωw一般是600rpm左右。
实施例2
图5a和图5b为本发明无电刷直流电动机的转速控制装置实施例2的部分结构框图和运行例。
值得指出的是，图5a中未示出的部件可参见图3，其中电流控制装置38与实施例中的相同；不同之处仅在于，本实施例中用第1转速控制装置36a和第2转速控制装置36b替代了实施例1中的转速控制装置36和处理装置37；所述的第1转速控制装置36a用来根据转速推算值We，处理从外部输入的转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系的转矩电流指令值iqs *；所述的第2转速控制装置36b用来根据转速推算值We，处理转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系的磁场电流指令值ids *。
更详细地说，当来自位置及转速推算装置35的转速推算值We小于弱磁控制速度ωw时，所述的第1转速控制装置36a处理转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系的转矩电流指令值iqs *，并将其输送给电流控制装置38；而所述的第2转速控制装置36b则产生大小为0的旋转坐标系磁场电流指令值ids *，对电动机进行额定转矩控制。
另外，当来自位置及转速推算装置35的转速推算值We大于小于弱磁控制速度ωw时，所述的第1转速控制装置36a处理转速指令值We *和转速推算值We，产生具有最大电流指令值iqmax的旋转坐标系的转矩电流指令值iqs *,而所述的第2转速控制装置36b则处理转速指令值We *和转速推算值We，产生旋转坐标系磁场电流指令值ids *，传向电流控制装置38，对电动机进行弱磁控制。
如图5b所示，所述的第1和第2转速控制装置36a、36b组成一个转速控制装置36c，根据转速推算值We，处理转速指令值We *和转速推算值We，分别对电动机进行额定转矩控制或弱磁控制。
图6a和图6b分别为已有的无电刷直流电动机的转速控制装置的相电流波形和本发明无电刷直流电动机的转速控制装置的相电流波形。这些波形是在无负载的状态下的转速推算We为1600rpm时测出的波形。
如图6a和图6b所示，采用本发明转速控制装置时的相电流的大小比已有的转速控制装置的相电流略低20％，表明在同样的转速状态下，电动机耗电量显著下降；特别是已有的转速控制装置采用的是针对最大负载状态的控制方法，因此在无负载状态下，电动机会出现过大的耗电量；相反，本发明转速控制装置通过上述控制方法，是根据转速推算值进行控制，可最大限度地降低耗电量。
图7为已有的无电刷直流电动机和本发明无电刷直流电动机产生的噪声曲线图。如图7所示，当电动机在1400rpm以上的转速高速运行时，由于如图6b所示相电流的减少，本发明无电刷直流电动机产生的噪声可比已有的无电刷直流电动机产生的噪声降低2dB左右。
Claims (15)
1.一种无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：包括：坐标变换装置(34)、位置转速推算装置(35)、转速控制装置(36)和处理装置(37)；所述的坐标变换装置(34)根据转子的位置角，将电动机的固定坐标系相电流通过坐标转换，分别转换成旋转坐标系的磁场电流和转矩电流；所述的位置转速推算装置(35)接收到上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机的转速推算值和转子的位置角；所述的转速控制装置(36)通过处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值之后，产生旋转坐标系的电流指令值；所述的处理装置(37)根据上述转速推算值，命令所述的转速控制装置(36)对电动机进行额定转矩控制或弱磁控制。
2.根据权利要求1所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，所述的处理装置(37)便使所述的转速控制装置(36)产生转矩电流指令值，并使磁场电流指令值保持“0”，使之对电动机进行额定转矩控制。
3.根据权利要求1所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，所述的处理装置(37)便使所述的转速控制装置(36)产生磁场电流指令值，并使转矩电流指令值保持最大转矩电流指令值，使之对电动机进行弱磁控制。
4.根据权利要求3所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：所述的磁场电流指令值为负值。
5.一种无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：包括：坐标变换装置(34)、位置转速推算装置(35)、第1转速控制装置(36a)、第2转速控制装置(36b)；所述的坐标变换装置(34)根据转子的位置角，将电动机的固定坐标系相电流通过坐标转换，转换成旋转坐标系的磁场电流和转矩电流；所述的位置转速推算装置(35)接收到旋转坐标系的磁场电流和转矩电流之后，推算出与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和上述转子的位置角；所述的第1转速控制装置(36a)根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系的转矩电流指令值；所述的第2转速控制装置(36b)根据上述转速推算值，处理上述转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系的磁场电流指令值。
6.根据权利要求5所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则第2转速控制装置(36b)产生的磁场电流指令值为“0”。
7.根据权利要求5所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则第1转速控制装置(36a)产生最大转矩电流指令值。
8.根据权利要求7所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：所述的磁场电流指令值为负值。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的无电刷直流电动机的转速控制装置，其特征在于：所述的第1转速控制装置(36a)和第2转速控制装置(36b)组成一个转速控制装置(36)。
10.一种无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：包括以下阶段：
阶段1：对电动机的固定坐标系相电流进行检测；
阶段2：根据转子的位置角，将固定坐标系相电流的检测值，通过坐标转换，分别转换成旋转坐标系磁场电流和转矩电流；
阶段3：根据上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流，推算与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和转子的位置角；
阶段4：根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，产生旋转坐标系转矩电流指令值和磁场电流指令值中的某一个；
阶段5：使其它电流指令值保持常值。
11.根据权利要求10所述的无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系转矩电流指令值；所述的阶段5中使磁场电流指令值保持为“0”。
12.根据权利要求10所述的无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系磁场电流指令值；所述的阶段5中使转矩电流指令值保持最大转矩电流指令值。
13.一种无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：包括以下阶段：
阶段1：对电动机的固定坐标系相电流，进行检测；
阶段2：根据转子的位置角，将固定坐标系相电流的检测值，通过坐标转换，转换成旋转坐标系磁场电流和转矩电流；
阶段3：根据上述旋转坐标系的磁场电流和转矩电流，推算与旋转坐标系感应系数有关的电动机转速推算值和转子的位置角；
阶段4：根据上述转速推算值，处理从外部输入的转速指令值和上述转速推算值，分别产生旋转坐标系转矩电流指令值和磁场电流指令值。
14.根据权利要求13所述的无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：如果所述的转速推算值小于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系转矩电流指令值，以及其值为“0”的旋转坐标系磁场电流指令值。
15.根据权利要求13所述的无电刷直流电动机的转速控制方法，其特征在于：如果所述的转速推算值大于弱磁控制速度，则所述的阶段4产生的是旋转坐标系最大转矩电流指令值，以及旋转坐标系磁场电流指令值。
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