直流电机输出能力控制方法及系统与流程

本发明涉及直流电机技术领域，特别是涉及一种直流电机输出能力控制方法及系统。

背景技术：

从广义上讲，永磁同步电机属于直流电机的范畴，其具有高功率密度、高效率、低损耗、体积小以及结构简单等特点，在空调、洗衣机等能效等级标准较为苛刻的场合得到了广泛的应用。

一般的，为保证永磁同步电机的带载能力，电机能够匹配不同的负载类型，满足不同功率段范围的使用要求，这样可能使电机出现“大马拉小车”的情况，即电机的输出能力可能远远大于实际所需，造成电机的功率消耗过大；或在某些特定应用场合需要限定电机输出能力，这时需对电机的输出能力加以限制。

技术实现要素：

鉴于上述电机的输出能力不可控的问题，本发明的目的在于提供一种直流电机输出能力控制方法及系统，能够限制直流电机的输出能力，避免电机的功率消耗过大。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流电机输出能力控制方法，用于风机类负载的直流电机输出能力的控制，包括如下步骤：

获取所述直流电机的实际转速、直流母线电流以及运算系数；

根据所述直流电机的实际转速、直流母线电流以及所述运算系数计算获得所述直流电机的实际输出功率；

当所述直流电机的实际输出功率大于预设的输出功率限制值时，则减小所述直流母线电流，并根据所述直流母线电流减小所述实际转速，直至所述直流电机的实际输出功率等于所述输出功率限制值；

其中，所述直流电机的实际输出功率与所述实际转速的三次方呈线性关系，所述直流电机的直流母线电流与所述实际转速的平方呈线性关系。

在其中一个实施例中，还包括如下步骤：

检测所述直流电机的定子的第一相电流、第二相电流以及转子位置角；

根据所述第一相电流、所述第二相电流和所述转子位置角，获取所述直流电机的实际直轴电流和实际交轴电流；

通过PI调节将所述实际直轴电流调整为预设的直轴电流参考值，其中，所述直轴电流参考值为0；

根据所述实际直轴电流和所述实际交轴电流计算所述直流母线电流。

在其中一个实施例中，还包括如下步骤：

根据所述直流电机的实际转速和预设的转速参考值，通过PI运算获得交轴电流参考值；

根据所述交轴电流参考值和所述实际交轴电流，通过PI运算获得所述直流电机的交轴电压；

根据所述实际直轴电流和直轴电流参考值，通过PI运算获得所述直流电机的直轴电压；

根据所述直轴电压和所述交轴电压获得控制信号，并根据所述控制信号控制所述直流电机的转速。

在其中一个实施例中，还包括如下步骤：

当所述直流电机的输出功率小于预设的输出功率限制值时，则增大所述直流母线电流，并根据所述直流母线电流增大所述直流电机的实际转速，直至所述直流电机的输出功率等于所述输出功率限制值。

在其中一个实施例中，还包括如下步骤：

在线获取预设的所述输出功率限制值，并将所述直流电机的实际输出功率与所述输出功率限制值进行比较。

此外，本发明还提供了一种直流电机输出能力控制系统，用于风机类负载的直流电机输出能力的控制，包括：

获取模块，用于获取所述直流电机的实际转速、直流母线电流以及运算系数；

运算模块，用于根据所述直流电机的实际转速、直流母线电流以及所述运算系数计算获得所述直流电机的实际输出功率；以及

调节模块，用于当所述直流电机的实际输出功率大于预设的输出功率限制值时，则减小所述直流母线电流，并根据所述直流母线电流减小所述实际转速，直至所述直流电机的实际输出功率等于所述输出功率限制值；

其中，所述直流电机的实际输出功率与所述实际转速的三次方呈线性关系，所述直流电机的直流母线电流与所述实际转速的平方呈线性关系。

在其中一个实施例中，还包括矢量控制模块，所述矢量控制模块包括：

检测单元，用于检测所述直流电机的定子的第一相电流、第二相电流以及转子位置角；

第一转换单元，用于根据所述第一相电流、所述第二相电流和所述转子位置角，获取所述直流电机的实际直轴电流和实际交轴电流；

第一PI控制单元，用于通过PI调节将所述实际直轴电流调整为预设的直轴电流参考值，其中，所述直轴电流参考值为0；

第一运算单元，用于根据所述实际直轴电流和所述实际交轴电流计算所述直流母线电流。

在其中一个实施例中，所述第一PI控制单元还用于根据所述实际直轴电流和直轴电流参考值，通过PI运算获得所述直流电机的直轴电压；所述矢量控制模块还包括：

第二PI控制单元，用于根据所述直流电机的实际转速和预设的转速参考值，通过PI运算获得交轴电流参考值；

第三PI控制单元，用于根据所述交轴电流参考值和所述实际交轴电流，通过PI运算获得所述直流电机的交轴电压；以及

脉宽调制单元，用于根据所述直轴电压和所述交轴电压获得控制信号，并根据所述控制信号控制所述直流电机的转速。

在其中一个实施例中，所述调整模块还用于当所述直流电机的输出功率小于预设的输出功率限制值时，则增大所述直流母线电流，并根据所述直流母线电流增大所述直流电机的实际转速，直至所述直流电机的输出功率等于所述输出功率限制值。

在其中一个实施例中，还包括在线设置模块，用于在线获取预设的所述输出功率限制值，并将所述直流电机的实际输出功率与所述输出功率限制值进行比较。

本发明的有益效果是：

本发明的直流电机输出能力控制方法及系统，通过将直流电机的实际输出功率与预设的输出功率限制值进行比较，并当直流电机的实际输出功率大于输出功率限制值时，通过减小直流母线电流减小该直流电机的实际转速，使得该直流电机的实际输出功率降低，逐渐将直流电机的实际输出功率调整为输出功率限制值，从而实现对该直流电机的输出能力的限制，可以避免电机出现“大马拉小车”的情况，避免电机的功率消耗过大，从而提升电机的性能。并且，该直流电机输出能力控制系统无需搭建额外的硬件电路，结构简单且成本低。

附图说明

图1为本发明的直流电机输出能力控制方法一实施例的流程图；

图2为本发明的直流电机输出能力控制方法另一实施例的流程图；

图3为本发明的直流电机输出能力控制系统一实施例的结构框图；

图4为本发明的直流电机输出能力控制系统一实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本发明的直流电机输出能力控制方法及系统作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1和图4所示，本发明一实施例的直流电机输出能力控制方法，用于风机类负载的直流电机输出能力的控制，由于直流电机应用于风机类负载时，直流电机的输出功率与其转速的三次方呈线性关系，并且直流电机的直流母线电流可以与其实际转矩呈线性比例关系，直流电机的转矩与其实际转速的平方呈线性关系，因此，可以通过调节直流母线电流实现对直流电机的转速的调节，进而实现对直流电机输出功率的调节。

具体地，该控制方法包括如下步骤：

S100、获取直流电机的实际转速、直流母线电流以及运算系数；其中，针对选定的直流电机而言，其运算系数为一定值，具体根据该直流电机的极对数以及磁链数等进行确定，具体可参见下文中的描述。

进一步地，如图2所示，还包括如下步骤：

S110、检测所述直流电机的定子的第一相电流i_a、第二相电流i_b以及转子位置角θ；其中，直流电机的定子的第一相电流i_a和第二相电流i_b可以通过电流传感器或电流互感器等检测装置获得，转子位置角θ可以通过角速度传感器等进行检测。当然，也可以根据转子位置角θ获得该直流电机的实际转速ω。

S120、根据所述第一相电流i_a、所述第二相电流i_b和转子位置角θ，获取直流电机的实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q；本实施例中，根据第一相电流i_a、第二相电流i_b和转子位置角θ，通过一次坐标转换(可以为Park变换)，获得该直流电机的实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q。

S130、通过PI调节将实际直轴电流i_d调整为预设的直轴电流参考值，其中，所述直轴电流参考值为0；本实施例中，可以通过PI控制器将实际直轴电流调整为直轴电流参考值，即通过PI调节将实际直轴电流调整为接近0。

S140、根据实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q计算直流母线电流i_s，其中，直流母线电流由于实际直轴电流为i_d＝0，因此，直流母线电流i_s等于实际交轴电流i_q，即i_s＝i_q。

S200、根据直流电机的实际转速ω、直流母线电流i_s以及运算系数计算获得直流电机的实际输出功率；其中，直流电机的实际输出功率P_out＝K₁i_sω，其中，ω为该直流电机的转速，K₁为运算系数，i_s为直流电机的直流母线电流。在本实施例中，可以通过乘法器实现直流电机的实际输出功率P_out的运算过程。

以下简要说明本实施例中直流电机的输出功率的推导过程：

永磁同步电机转矩的计算公式为：

其中，L_d为直流电机的直轴电感，L_q为直流电机的交轴电感，n_p为直流电机的极对数，Ψ_f为直流电机的永磁体磁链数，其为一常量，i_d为直流电机的直轴电流，i_q为直流电机的交轴电流。

在本实施例中，风机类负载可以采用表贴式负载，因此L_d＝L_q，且该直流电机的直轴电流i_d＝0，因此，直流电机的转矩的计算公式如下：

T_e＝1.5n_pψ_fi_q＝1.5n_pψ_fi_s (1)

并且，根据电机学的知识可知：

P_out＝T_eω＝1.5n_pψ_fi_sω＝K₁i_sω (2)

其中，ω为该直流电机的转速，K₁为运算系数，即K₁＝1.5n_pψ_f。

此外，根据风机类负载的直流电机的输出功率与电机转速的关系可以得知，

P_out＝k₁ω³ (3)

其中，k₁为系数，其与直流电机的型号有关，ω为该直流电机的转速。由此可知，直流电机的实际输出功率P_out与其实际转速ω的三次方呈线性比例关系，即直流电机的实际转速ω越小，其实际输出功率P_out越小；直流电机的实际转速ω越大，其实际输出功率P_out越大，因此，可以通过调节直流电机的实际转速ω的调节，实现对直流电机的实际输出功率P_out的调节，以实现对直流电机的输出能力的限制，从而丰富电机的应用功能。

同时，通过上述公式(2)和公式(3)可以推知，

T_e＝k₁ω² (4)

因此，根据上述公式(1)和公式(4)可以推知，i_s＝Kω²，其中，K为转换因子，K＝k₁/1.5n_pψ_f。由此可知，直流电机的直流母线电流与实际转速的平方呈线性关系，实际转速随直流母线电流的减小而减小，同理，实际转速随直流母线电流的增大而增大。因而，可以根据直流电机的直流母线电流调节其实际转速，进而实现对直流电机的输出功率的控制。

S300、当直流电机的实际输出功率P_out大于预设的输出功率限制值P_limit时，即需要减小直流电机的实际输出功率P_out，以降低电机的功率损耗，此时则减小直流母线电流i_s。具体地，将直流电机的实际输出功率P_out与预设的输出功率限制值P_limit进行比较后生成电流调节信号，并将该电流调节信号反馈至直流母线电流处，从而实现对直流母线电流i_s的调节。由于直流母线电流i_s与直流电机的实际转速ω的平方之间存在上述线性比例关系，因此可以根据直流母线电流i_s减小实际转速，直至直流电机的实际输出功率P_out等于输出功率限制值P_limit。

本实施例中，直流电机的实际输出功率P_out的调节采用逐渐校正的调整方式，经过一次或多次的微调节，将直流电机的实际输出功率P_out调整到输出功率限制值P_limit附近，以实现对直流电机的输出能力的限制。即通过循环执行步骤S300，直至直流电机的实际输出功率约等于输出功率限制值为止。其中，对直流电机的实际输出功率P_out的调节还可以采用PI调节的方式。

在一个实施例中，本实施例的方法还包括如下步骤：

根据直流电机的实际转速ω和预设的转速参考值ω_ref，通过PI运算获得交轴电流参考值；本实施例中，可以通过PI控制器进行PI运算以获得交轴电流参考值。

根据交轴电流参考值和实际交轴电流i_q，通过PI运算获得直流电机的交轴电压V_q；本实施例中，可以通过PI控制器进行PI运算以获得直流电机的交轴电压。

根据实际直轴电流i_d和直轴电流参考值，通过PI运算获得所述直流电机的直轴电压V_d；本实施例中，直轴电流参考值取值为0，可以通过PI控制器进行PI运算以获得直流电机的直轴电压。

根据直轴电压和交轴电压获得逆变器的控制信号，并根据控制信号控制直流电机的转速。本实施例中，首先通过坐标转换(可以为Park变换)对直流电机的交轴电压和直轴电压进行坐标变换，之后通过脉宽调制器生成逆变器的PWM控制信号，并根据上述控制信号控制直流电机的转动，从而实现对直流电机的实际转速调整。

更进一步地，上述方法还包括如下步骤：

S500、当直流电机的输出功率P_out小于预设的输出功率限制值P_limit时，则增大直流母线电流i_s，并根据直流母线电流i_s增大直流电机的实际转速ω，直至直流电机的实际输出功率P_out等于输出功率限制值P_limit。本实施例中，直流电机的实际输出功率P_out的调节采用逐渐校正的调整方式，经过一次或多次的微调节，将直流电机的实际输出功率调整到输出功率限制值P_limit附近，以实现对直流电机的输出能力的限制。即通过循环执行上述步骤，直至直流电机的实际输出功率约等于输出功率限制值为止。这样，可以避免“小马拉大车”的情况，避免直流电机过载导致电机损坏的情况。

作为进一步地改进，上述方法还包括如下步骤：

S400、在线获取预设的输出功率限制值P_limit，并将直流电机的实际输出功率P_out与输出功率限制值P_limit进行比较。这样可以实现该直流电机的输出功率的在线调整，通过不断的在线调整可以达到限制电机的输出能力的目的，操作简单，方便使用。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

此外，如图3和图4所示，本发明一实施例还提供了一种直流电机输出能力控制系统，用于风机类负载的直流电机输出能力的控制，包括获取模块100、运算模块200、调节模块300以及矢量控制模块400。

具体地，获取模块100用于获取所述直流电机的实际转速ω、直流母线电流i_s以及运算系数；本实施例中，获取模块100可以通过矢量控制模块获得直流电机的实际转速ω以及直流母线电流，运算系数可以通过直接输入的方式获取。

运算模块200用于根据直流电机的实际转速、直流母线电流以及运算系数计算获得直流电机的实际输出功率，其中，直流电机的实际输出功率P_out＝K₁i_sω，其中，ω为该直流电机的转速，K₁为运算系数，i_s为直流电机的直流母线电流，直流电机的输出功率的推导过程可参见上文中的描述。在本实施例中，运算模块200可以为乘法器，以实现直流电机的实际输出功率P_out的运算过程。

调节模块300用于当直流电机的实际输出功率P_out大于预设的输出功率限制值P_limit时，则减小直流母线电流i_s，并根据直流母线电流i_s减小直流电机的实际转速ω，直至直流电机的实际输出功率P_out等于所述输出功率限制值P_limit。这样可以避免电机出现“大马拉小车”的情况，避免电机消耗过大的功率，节约能量。本实施例中，由于该直流电机的负载为风机类负载，因而可以控制直流电机的直流母线电流i_s与实际转速ω的平方呈线性关系，直流电机的实际转速ω随直流母线电流i_s的减小而减小；同理，直流电机的实际转速ω随直流母线电流i_s的增大而增大。因而，可以通过对直流母线电流i_s的调节实现对电机的实际转速ω的调节，进而实现对电机的输出功率的调节。

进一步地，调整模块300还用于当所述直流电机的输出功率P_out小于预设的输出功率限制值P_limit时，则增大所述直流母线电流i_s，并根据所述直流母线电流i_s增大所述直流电机的实际转速ω，直至所述直流电机的输出功率P_out等于所述输出功率限制值P_limit。这样可以避免电机出现“小马拉大车”的过载情况，避免电机的过热而损坏，保证电机工作的可靠性和安全性。

其中，调节模块300可以包括第一调节单元和第二调节单元，第一调节单元用于将直流电机的实际输出功率与输出功率限制值进行比较，并调节直流电机的实际输出功率。同时，第一调节单元还用于根据直流电机的实际输出功率与输出功率限制值得比较结果生成电流调节信号，并将该电流调节信号反馈至第二调节单元，第二调节单元用于直流电机的直流母线电流的调节。

在一个实施例中，矢量控制模块400包括检测单元、第一转换单元、第一PI控制单元、第一运算单元、第二PI控制单元、第三PI控制单元、第二转换单元以及脉宽调制单元。

其中，检测单元用于检测直流电机的定子的第一相电流i_a、第二相电流i_b以及转子位置角θ；本实施例中，检测单元可以包括第一电流检测单元、第二电流检测单元以及角速度检测单元，其中，第一电流检测单元用于检测定子的第一相电流i_a，第二电流检测单元用于检测定子的第二相电流i_b，角速度检测单元用于检测转子位置角θ，从而可以根据转子位置角获得该直流电机的实际转速ω。第一电流检测单元和第二电流检测单元可以为电流传感器或电流互感器等，角速度检测单元可以为角速度传感器等。

第一转换单元用于根据第一相电流i_a、第二相电流i_b和所述转子位置角θ，获取直流电机的实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q；其中，第一转换单元可以为Park变换单元，即第一转换单元用于将第一相电流i_a和第二相电流i_b从abc轴变换至dq轴，通过坐标转换的方式获得该直流电机的实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q。第一PI控制单元用于通过PI调节将实际直轴电流i_d调整为预设的直轴电流参考值，其中，直轴电流参考值为0，即i_d＝0。第一运算单元用于根据实际直轴电流和实际交轴电流计算直流母线电流。其中，直流母线电流由于实际直轴电流为i_d＝0，因此，直流母线电流等于实际交轴电流，即i_s＝i_q。

进一步地，第一PI控制单元还用于根据实际直轴电流i_d和直轴电流参考值，通过PI运算获得所述直流电机的直轴电压V_d。第二PI控制单元用于根据直流电机的实际转速ω和预设的转速参考值ω_ref，通过PI运算获得交轴电流参考值；第三PI控制单元用于根据交轴电流参考值和实际交轴电流i_q，通过PI运算获得直流电机的交轴电压V_q。其中，第一PI控制单元、第二PI控制单元和第三PI控制单元可以采用PI控制实现。

第二转换单元用于对直流电机的实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q进行坐标变换，第二转换单元可以为Park变换单元。第二转换单元用于将实际直轴电流i_d和实际交轴电流i_q从dq轴变换至abc轴，即第二转换单元与第一转换单元的作用相反，通过第二转换单元进行坐标转换，以便与脉宽调制单元的输入相匹配。脉宽调制单元用于根据直轴电压和交轴电压获得逆变器的PWM控制信号，并根PWM据控制信号控制直流电机的转速。本实施例中，脉宽调制单元可以采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的方式。

作为进一步地改进，上述控制系统还包括在线设置模块，用于在线获取预设的输出功率限制值P_limit，并将直流电机的实际输出功率P_out与输出功率限制值P_limit进行比较。该在线设置模块可以为与在线网络连接的电脑终端、手机终端或pad终端等。这样使得该控制系统具有在线调整功能，从而可以通过不断地在线调整实现对电机的输出能力的限制，操作简单，使用方便。

本发明的直流电机输出能力控制方法及系统，通过将直流电机的实际输出功率与预设的输出功率限制值进行比较，并当直流电机的实际输出功率大于输出功率限制值时，通过减小直流母线电流减小该直流电机的实际转速，使得该直流电机的实际输出功率降低，逐渐将直流电机的实际输出功率调整为输出功率限制值，从而实现对该直流电机的输出能力的限制，可以避免电机出现“大马拉小车”的情况，避免电机的功率消耗过大，从而提升电机的性能。并且，该直流电机输出能力控制系统无需搭建额外的硬件电路，结构简单且成本低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。