一种无刷直流电机的控制装置、系统和方法与流程
本申请涉及电机控制领域，特别涉及一种无刷直流电机的控制装置、系统和方法。
背景技术：
无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。
无刷电机的绕组呈电感特性，因此电机相电流滞后于所施加的电压。为达成效率优化、高速运转等控制目标，通常需要在驱动电压上施加一定的相位超前角。在一些应用中，经常采用近似估算的方法来计算相位超前角。
传统的是通过测量变量，如平均电流、电流峰值、速度，或控制变量来估算所需的超前角，并在目标工作点上通过增益或偏置等做优化配置。这类算法存在明显的局限性：由于只是在特定工作点达成控制目标(如效率优化)，一旦电机偏离目标工作点较多，电机运转状态就会偏离目标较多(如效率降低)，甚至发生飞车等危险情况；优化配置的具体参数与电机本体参数和负载特性等都直接相关，会造成控制方案无法在多种电机和负载上通用。这些对电机系统的可靠性、一致性和批量生产及物料管理等造成不利。
技术实现要素：
本申请提供了一种无刷直流电机的控制装置、系统和方法。该装置首先选定参考时刻，在参考时刻计算电机的直轴电流，根据直轴电流与预期目标电流值的关系，自动调整电机线圈驱动电压的相位，以实现无刷直流电机在不同负载特性下的自适应控制，进而提高无刷直流电机系统的性能、可靠性及一致性，以及降低物料管理难度。
第一方面，提供了一种无刷直流电机的控制装置。该装置包括：位置检测单元、参考产生单元、电流测量单元、计算单元、相位调整单元和驱动单元。其中，位置检测单元用于检测电机转子的位置，获取电机转子的位置信号。参考产生单元用于根据电机转子的位置信号，选取参考时刻。电流测量单元，用于测量电机的相电流，并根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流。计算单元用于根据参考时刻的相电流，计算电机的直轴电流。相位调整单元用于根据电机的直轴电流与预期目标电流值的差值，调整电机线圈驱动电压的相位。驱动单元用于根据电机转子的位置信号和电机线圈驱动电压的相位，输出电机线圈的驱动信号，以推动电机转子转动。
在一种可选的实现中，位置检测单元包括一个或多个霍尔元件，每个霍尔元件间相隔一定电角。霍尔元件用于根据电机转子的磁场来检测电机转子的位置，获取电机转子的位置信号。
在一种可选的实现中，参考产生单元具体用于根据电机转子的位置信号，在一个电周期中选取一个或多个参考时刻。
在一种可选的实现中，电流测量单元具体用于根据电机的相电流，测量参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流。
在一种可选的实现中，电流测量单元，具体用于根据电机的相电流在一个电周期的测量值，估计参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流。
在一种可选的实现中，直轴电流id表示为：id＝AMP[iUcos(θ)+iVcos(θ-2/3π)+iWcos(θ+2/3π)]，其中，id为与电机转子同步的旋转坐标系中直轴的电流，iU、iV和iW为三相相电流形成的静止坐标系中U轴、V轴和W轴的相电流，AMP为三相相电流形成的静止坐标系向与电机转子同步的旋转坐标系转换的归一化系数，2/3π为U轴、V轴和W轴相电流两两之间的夹角，θ为在参考时刻的所述U轴与直轴的夹角。
在一种可选的实现中，当电机为多相电机时，相位调整单元根据各相线圈的直轴电流与相应预期电流目标电流值的差值，统一调整各相线圈的相位，或者分别调整各相线圈的相位。
在一种可选的实现中，驱动单元输出的电机线圈的驱动信号是脉冲宽度调制信号。
第二方面，提供了一种无刷直流电机的控制系统。该系统包括：电机控制装置包括第一方面中描述的无刷直流电机控制装置，输出电机线圈的控制信号。功率开关电路，包括功率器件，根据无刷直流电机控制装置输出的驱动信号控制功率器件的导通或关闭，进而向电机线圈输出驱动电压。无刷直流电机，包括电机转子，在驱动电压的作用下，推动电机转子转动。
第三方面，提供了一种无刷直流电机的控制方法。该方法包括：检测电机转子的位置获取电机转子的位置信号；根据电机转子的位置信号选取参考时刻。测量电机的相电流并根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流；根据参考时刻的相电流，计算所述电机的直轴电流；根据电机的直轴电流与预期目标电流值的差值，调整电机线圈驱动电压的相位；根据电机转子的位置信号和电机线圈驱动电压的相位，输出电机线圈的驱动信号，以推动电机转子转动。
在一种可选的实现中，根据所述电机转子的位置信号，选取参考时刻，具体包括：根据电机转子的位置信号，在一个电周期中选取一个或多个参考时刻。
在一种可选的实现中，根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流，具体用于：根据电机的相电流，测量参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流。
在一种可选的实现中，根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流，具体用于：根据电机的相电流在一个电周期的测量值，估计参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流。
在一种可选的实现中，直轴电流id表示为：id＝AMP[iUcos(θ)+iVcos(θ-2/3π)+iWcos(θ+2/3π)]，其中，id为与电机转子同步的旋转坐标系中直轴的电流，iU、iV和iW为三相相电流形成的静止坐标系中U轴、V轴和W轴的相电流，AMP为三相相电流形成的静止坐标系向与电机转子同步的旋转坐标系转换的归一化系数，2/3π为U轴、V轴和W轴相电流两两之间的夹角，θ为在参考时刻的所述U轴与直轴的夹角。
在一种可选的实现中，当电机为多相电机时，该方法还包括：根据各相线圈的直轴电流与相应预期电流目标电流值的差值，统一调整各相线圈的相位，或者分别调整各相线圈的相位。
在一种可选的实现中，电机线圈的驱动信号是脉冲宽度调制信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种无刷直流电机的控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种三相无刷直流电机的位置信号、相电流、调制信号及参考时刻的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种三相无刷直流电机旋转坐标系的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种无刷直流电机控制系统；
图5为与图1对应的一种无刷直流电机控制集成电路的结构示意图；
图6为三角载波对调制信号的调制过程的示意图；
图7为与图1对应的一种无刷直流电机控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
无刷直流电机通常使用一个或多个位置传感器来检测电机转子位置，并根据转子位置信号及调制算法输出各相驱动信号，进而形成旋转磁场并推动转子旋转起来。无刷电机的绕组呈电感特性，因此电机相电流滞后于所施加的驱动电压。为达成效率优化、高速运转等控制目标，通常需要在驱动电压上施加一定的相位超前角。
本申请首先选定参考时刻，通过在参考时刻计算电机的直轴电流，根据直轴电流与预期目标电流值的关系，自动调整电机线圈驱动电压的相位，以实现无刷直流电机在不同负载特性下的自适应控制，进而提高无刷直流电机系统的性能、可靠性及一致性，以及降低物料管理难度。
其中，直轴电流为在与电机转子同步、以磁场方向为直轴、以垂直于磁场方向为交轴的旋转坐标系中，电机各相相电流在直轴上的电流分量之和。
下面以三相无刷直流电机为例，对本实施例所提供的电机控制装置做进一步的阐述。
图1为本发明实施例提供的一种无刷直流电机的控制装置的结构示意图。如图1所示，该无刷直流电机的控制装置可以包括：位置检测单元110、参考产生单元120、电流测量单元130、计算单元140、相位调整单元150和驱动单元160。
位置检测单元110检测电机转子的位置，并根据电机转子的位置，获取相应位置信号。
以三相无刷直流电机为例，位置检测单元110可以包括三个霍尔元件，并相隔一定电角(如120度)排列。霍尔元件根据电机转子的磁场来检测转子位置，获取相应转子的位置信号，该位置信号为电压信号。
可以理解的是，在非三相无刷直流电机的情况下，位置检测单元110可以包括至少一个霍尔元件。
如图2所示，HU、HV和HW为三相位置信号，IU、IV和IW分别为U、V和W三相线圈的相电流，SU、SV和SW分别为U、V和W三相线圈的调制信号，也就是说，根据三相位置信号HU、HV和HW和依照一定算法产生的调制信号SU、SV和SW。
参考产生单元120，用于根据转子的位置信号，选取参考时刻。理论上，一个电周期中的任何时刻都可以选取为参考时刻，且可以选取一个或多个参考时刻。参考时刻的选取可从计算简便、控制精度等方面考虑。如图2所示，RU、RV和RW分别为与HU、HV和HW三相位置信号对应的参考时刻。
电流测量单元130测量电机的相电流，并根据电机的相电流，获取参考时刻相电流。
具体为，电流测量单元130对相电流的测量可能是实时的，也可能间断的。相应地，参考时刻相电流的大小，可以由所述电流测量单元130在参考时刻直接测量得到，也可以通过该相电流此前的测量值估计得到。例如，使用电流传感器时，相电流可以实时测量。或，当利用线圈上串联的电阻检测相电流时，相电流的检测需要时刻与对应功率管的导通或关闭关联，导致测量时刻可能不是参考时刻，此时需要通过估计得到参考时刻的相电流。
计算单元140，用于根据参考时刻及参考时刻的相电流，计算电机的直轴电流。
如图3所示，在与转子同步的旋转坐标系中，磁场方向为直轴(d轴)，垂直于磁场方向为交轴(q轴)。在参照的静止坐标系中，以三相相电流的方向为轴，记为U轴、V轴和W轴，且两两之间相隔120°电角。若在某一参考时刻，d轴处于图3所示位置，则直轴电流id为：
id＝AMP[iUcos(θ)+iVcos(θ-2/3π)+iWcos(θ+2/3π)]
其中，iU、iV和iW为三相相电流形成的静止坐标系中U轴、V轴和W轴的相电流，AMP为三相相电流形成的静止坐标系向与电机转子同步的旋转坐标系转换的归一化系数，2/3π为U轴、V轴和W轴相电流两两之间的夹角，θ为U轴与直轴的夹角。
角度θ为在某一参考时刻旋转坐标系中d轴与静止坐标系中U轴的夹角，即角度θ为在某一参考时刻旋转坐标系与静止坐标系的关联量。
由于参考产生单元120产生参考时刻，且在每个参考时刻，旋转坐标系与静止坐标系都存在一个夹角θ，即参考时刻与夹角θ是一一对应的。
在一个电周期内，由于参考产生单元120可以产生一个或多个参考时刻，也就是说，在一个电周期内存在一个或多个角度θ。
可以理解的是，由于三相相电流之和为零，即iU+iV+iW＝0，因此当θ＝2nπ时，id＝2/3AMPiU；当θ＝(2n+1)π时，id＝-2/3AMPiU。其中，n为整数。也就是说，通过对参考时刻的选择，直轴电流可以只由某一相相电流计算得到。这可以简化直轴电流的计算，并有利于实现更及时的控制。
相应地，当通过其他特殊方式选择参考时刻时，直轴电流id还可以仅用iV或iW计算得到，如θ＝2nπ+2/3π。
相位调整单元150，用于根据直轴电流与预期电流目标电流值的差值，调整电机线圈驱动电压的相位。
进一步地，电机各相线圈驱动电压的相位可以统一调整，也可以分别调整。调整方式取决于诸多因素，如控制策略、传感器安装偏差、充磁均匀性、参考时刻的选择等等。
在一个例子中，如在图2中，只计算参考时刻RU时的直轴电流，根据RU时刻的直轴电流，统一调整U、V和W三相线圈的调制信号SU、SV和SW的相位；也可以计算参考时刻RU、RV和RW，得到相应的直轴电流，根据相应的直轴电流，分别调整U、V和W三相线圈调的制信号SU、SV和SW的相位。
驱动单元160，用于根据电机转子位置信号和电机线圈驱动电压的相位，输出各相线圈的驱动信号。其中，驱动单元160输出的驱动信号是脉冲宽度调制信号，其由调制信号与载波调制后得到。
驱动单元160输出脉冲宽度调制信号，并通过功率器件(如金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT))向电机各相线圈施加驱动电压。三相线圈的相电流IU、IV和IW形成旋转磁场，进而推动电机转子转动。
图4为本发明实施例提供的一种无刷直流电机控制系统。如图4所示，无刷直流电机控制系统可以包括无刷直流电机控制装置410、功率开关电路420和无刷直流电机430。
无刷直流电机控制装置410，用于执行上述实施例中各功能单元的工作过程，输出驱动信号。
功率开关电路420，用于接收无刷直流电机控制装置410输出的驱动信号，输出驱动电压。功率开关电路420根据驱动信号进行控制系统的导通或电路关闭。该功率开关电路420可以包括功率器件，如金属氧化物半导体或绝缘栅双极型晶体管。
无刷直流电机430，包括电机转子，通过向电机线圈施加驱动电压，可以使线圈中所产生的电流产生旋转磁场，进而推动转子转动。
图5为与图1对应的一种无刷直流电机控制集成电路的结构示意图。如图5所示，无刷直流电机控制集成电路可以包括位置检测电路510、参考产生电路520电流测量电路530、计算电路540、相位调整电路550和驱动电路560
位置检测电路510，根据外部霍尔元件产生的霍尔信号，检测电机转子位置，获取转子的位置信号。
位置检测电路510可以包括霍尔驱动电路511和周期测量电路512。
当外部霍尔元件所产生的是模拟信号时，霍尔驱动电路511将其转换为数字信号；当所采用的霍尔元件上集成了驱动电路，霍尔驱动电路511不是必须的。
周期测量电路512用于根据电机转子的位置，获取相应位置信号(电压信号)。如周期测量电路512可以是计数器，以用于对霍尔驱动电路511产生的数字信号的周期进行计数。
参考产生电路520用于根据位置检测电路510获取的转子的位置信号，选取参考时刻。如参考产生电路520可以是计数器，以用于根据位置信号，通过计数来选取参考时刻。
电流测量电路530可以包括信号放大电路531(如运算放大器)和模数转换器532。
可选地，电流测量电路530先通过电阻来检测并获取无刷直流电机的相电流。
信号放大电路531用于对相电流进行放大。模数转换器532用于对放大后的相电流进行模数转换。
需要注意的是，相电流的检测并非实时的，需与对应功率管的导通或关闭关联，会导致测量时刻可能不是参考时刻，此时可能需要通过估计得到参考时刻的相电流。对于直轴电流的计算过程在图1中以说明，在此不再赘述。
计算电路540用于根据参考时刻的相电流，计算电机的直轴电流，运算器(如乘法器等)。
相位调整电路550用于根据直轴电流与预期目标电流值的差值，调整电机线圈驱动电压的相位。这种调整可以采用比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制来实现。
驱动电路560用于根据电机转子位置信号和经相位调整电路调整后的电压相位，输出驱动信号。
驱动电路560可以包括占空比控制电路561、调制信号产生电路562、三角载波产生电路563、PWM产生电路564和电平转换电路565。
占空比控制电路561用于产生脉冲宽度调制信号占空比的控制信号。
调制信号产生电路562用于通过调制算法及占空比的控制信号产生调制信号。
三角载波产生电路563用于产生固定频率的三角载波。
PWM产生电路564用于利用三角载波调制被调制信号，产生脉冲宽度调制信号。
电平转换电路565用于将脉冲宽度调制信号的电平转换为适合于控制功率器件的导通和关闭的驱动信号。
可选地，占空比控制电路561通过控制调制信号的幅度来决定脉冲宽度调制信号的占空比。
可选地，PWM产生电路564还用于对三角载波和调制信号进行采样与比较，从而获取对应的脉冲宽度调制信号。
需要注意的是，电平转换电路565可以不包括在驱动电路560之内。此时，驱动电路560输出的脉冲宽度调制信号可能无法直接控制功率器件的导通和关闭，而需通过外部的电平转换电路对功率器件实施控制。
其中，PWM产生电路564中利用三角载波对调制信号(或称调制波)的调制过程可参见图6。如图6所示，采用规则采样法则，对三角载波和调制函数进行采样与比较，进而获取对应的PWM信号。所述调制信号的形状是算法设定的，而其幅度则由占空比控制电路561决定。占空比控制电路561通过控制调制信号的幅度来决定PWM信号的占空比。可以理解的是，图4所示的一种无刷直流电机控制系统可以集成在芯片中，以使该芯片具有无刷直流电机控制系统所具有的功能。
图7为与图1对应的一种无刷直流电机控制方法的流程示意图。如图6所示，该方法可以包括：
步骤710、检测电机转子的位置获取电机转子的位置信号。
步骤720、根据电机转子的位置信号选取参考时刻。
步骤730、测量电机的相电流并根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流。
步骤740、根据参考时刻的相电流，计算所述电机的直轴电流。
步骤750、根据电机的直轴电流与预期目标电流值的差值，调整电机线圈驱动电压的相位。
步骤760、根据电机转子的位置信号和电机线圈驱动电压的相位，输出电机线圈的驱动信号，以推动电机转子转动。
可选地，根据所述电机转子的位置信号，选取参考时刻，具体包括：根据电机转子的位置信号，在一个电周期中选取一个或多个参考时刻。
可选地，根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流，具体用于：根据电机的相电流，测量参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流。
可选地，根据电机的相电流，获取参考时刻的相电流，具体用于：根据电机的相电流在一个电周期的测量值，估计参考时刻的相电流，从而获取参考时刻的相电流
可选地，直轴电流id表示为：id＝AMP[iUcos(θ)+iVcos(θ-2/3π)+iWcos(θ+2/3π)]，其中，id为与电机转子同步的旋转坐标系中直轴的电流，iU、iV和iW为三相相电流形成的静止坐标系中U轴、V轴和W轴的相电流，AMP为三相相电流形成的静止坐标系向与电机转子同步的旋转坐标系转换的归一化系数，2/3π为U轴、V轴和W轴相电流两两之间的夹角，θ为在参考时刻的所述U轴与直轴的夹角。
可选地，当电机为多相电机时，该方法还包括：根据各相线圈的直轴电流与相应预期电流目标电流值的差值，统一调整各相线圈的相位，或者分别调整各相线圈的相位。
可选地，电机线圈的驱动信号是脉冲宽度调制信号。
可选地，重复上述步骤710至760，将使得参考时刻的直轴电流趋向于预期目标电流值，进而完成相应的控制目标。
需要说明的是，上述相位调整过程是自动完成的，并不依赖于电机及其负载的特性，因此具有更广泛的适应性。
上述实施例的各步骤可以通过图1中各个各功能单元来实现，因此，本发明实施例提供的各步骤的具体实施过程，在此不复赘述。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器、闪存、只读存储器、可擦除可编程只读寄存器(erasable programmable read-only memory，EPROM)存储器、电可擦可编程只读存储器存储器(electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM)、硬盘、光盘或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户设备中。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件、固件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。
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