一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法及控制装置与流程

本发明涉及一种电子控制装置及方法，尤其涉及一种无刷直流电机抗饱和的自适应相位补偿方法及控制装置。

背景技术：

目前，无刷直流电机控制中，在负载发生变化时，电机转速会随着负载变化而被动调节。反电动势会随电机速度升高而增加，从而导致电流换相滞后，输出转矩严重下降且转矩脉动变大，使得电机速度波动变大。

现有的相位补偿控制方法，一般采用普通比例积分调节器来控制相位补偿角度，当积分环节达到饱和时，补偿相位角已达到最大值，失去调节能力，使相位角补偿控制环节失效，导致输出不可控，且积分环节易引起转矩和速度的波动。

技术实现要素：

本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法及控制装置，能够自适应调整补偿相位角以避免补偿相位角饱和，从而改善电机的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿控制装置，与一无刷直流电机连接，所述控制装置包括驱动电路和电源电路，还包括：接口电路，与一用于设置所述无刷直流电机的工作状态的速度控制电路连接；控制电路，连接在所述接口电路与所述驱动电路之间，用于：在进行相位角补偿时，根据所述速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)，并在所述第一补偿相位角θc1(k)大于一预先设置的最大补偿相位角θcmax时，利用第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数；当所述第二补偿相位角θc2(k)不大于所述最大补偿相位角θcmax时，根据所述第二补偿相位角θc2(k)调整所述驱动电路以驱动所述无刷直流电机工作。

其中，所述控制电路包括：比例计算单元，用于在进行相位角补偿时利用第二公式计算所述第一补偿相位角θc1(k)：第二公式：θc1(k)＝kp·(vout(k)—vref)；其中，kp为比例系数，p为自然数；vout(k)为所述速度控制电路的输出电压，vref为所述参考电压；积分计算单元，用于在所述第一补偿相位角θc1(k)大于所述最大补偿相位角θcmax时，利用所述第一公式计算所述第二补偿相位角θc2(k)。

其中，所述控制电路还包括：状态分析单元，用于通过所述接口电路获取速度控制电路的输出电压vout(k)，以及通过所述驱动单元获取所述无刷直流电机的工作状态参数；还用于分析所述工作状态参数以确定所述最大补偿相位角θcmax和所述参考电压vref；判断单元，用于判断所述第一补偿相位角θc1(k)是否大于所述最大补偿相位角θcmax；还用于在确定所述第一补偿相位角θc1(k)大于所述最大补偿相位角θcmax时，向所述积分计算单元发送第一触发信号以使所述积分计算单元利用所述第一公式计算所述第二补偿相位角θc2(k)；以及在确定所述第一补偿相位角θc1(k)不大于所述最大补偿相位角θcmax时，向所述驱动电路输出调整指令以使驱动电路按照所述第一补偿相位角θc1(k)驱动所述无刷直流电机工作。

其中，所述判断单元还用于：判断所述输出电压vout(k)是否大于所述参考电压vref；在确定所述输出电压vout(k)大于所述参考电压vref时，向所述比例计算单元发送第二触发信号以使所述比例计算单元利用所述第二公式计算所述第一补偿相位角θc1(k)，进行相位角补偿；以及在确定所述输出电压vout(k)不大于所述参考电压vref时，不进行相位角补偿。

其中，所述驱动电路包括采样电路，用于实时采集所述驱动电路的工作参数，以及实时采集所述无刷直流电机的工作状态参数；所述控制电路还用于根据所述采样电路采集到的所述参数，实时调整所述驱动电路以控制所述无刷直流电机实现多模式运行。

其中，所述驱动电路包括：pwm驱动电路和逆变电路；所述控制电路确定所述无刷直流电机的工作参数而产生相应的pwm信号，所述pwm驱动电路根据所述pwm信号驱动所述逆变电路，以驱动所述无刷直流电机按照所述工作参数进行工作。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种无刷直流电机抗饱和的自适应相位补偿方法，所述方法包括：在进行相位角补偿时，根据一速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)；判断所述第一补偿相位角θc1(k)是否大于一预先设置的最大补偿相位角θcmax；当所述第一补偿相位角θc1(k)大于所述最大补偿相位角θcmax时，利用第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数；判断所述第二补偿相位角θc2(k)是否大于所述最大补偿相位角θcmax；以及当所述第二补偿相位角θc2(k)不大于所述最大补偿相位角θcmax时，将所述第二补偿相位角θc2(k)作为当前补偿相位角，并根据当前补偿相位角驱动无刷直流电机工作。

其中，在进行相位角补偿时，根据一速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)，具体为：在进行相位角补偿时，根据一速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压，并利用第二公式计算第一补偿相位角θc1(k)：第二公式：θc1(k)＝kp·(vout(k)—vref)；其中，kp为比例系数，p为自然数；vout(k)为所述速度控制电路的输出电压，vref为所述预先设置的参考电压。

其中，所述方法还包括：判断速度控制电路的输出电压vout(k)是否大于参考电压vref；当所述速度控制电路的输出电压vout(k)大于所述参考电压vref时，执行所述“在进行相位角补偿时，根据一速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)”的步骤。

其中，所述方法还包括：当所述第一补偿相位角θc1(k)不大于所述最大补偿相位角θcmax时，将所述第一补偿相位角θc1(k)作为当前补偿相位角，并根据所述当前补偿相位角驱动无刷直流电机工作。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式中的无刷直流电机抗饱和的自适应相位补偿方法和控制装置，根据速度控制电路输出电压与设定的参考电压差值确定无刷直流电机载荷情况，以此确定是否进行相角补偿控制，根据控制输出电压和检测的电机状态参数自适应调整补偿相角；在无刷直流电机重载荷时，当补偿相位角达到饱和，根据设定最大补偿相角与当前补偿角的差值，自适应调整相角补偿控制，避免相角补偿控制输出饱和，从而优化电机的性能。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿控制装置的结构示意图；

图2是本发明第二实施方式中一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿控制装置的结构示意图；

图3是本发明第一实施方式中一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法的流程示意图；

图4是本本发明第二实施方式中的无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，是本发明实施方式中一种无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿控制装置的结构示意图。该控制装置10用于驱动无刷直流电机10a工作，该控制装置10包括电源电路11、驱动电路12、控制电路13以及接口电路14。其中，该电源电路11用于为该控制装置10的各个功能电路供电。

在本实施方式中，该无刷直流电机10a为单相无刷直流电机。

该接口电路14连接在一速度控制指令10b和控制电路13之间，用于接收速度控制电路10b对无刷直流电机10a的工作状态控制而产生的速度控制指令。

该控制电路13连接在接口电路14和驱动电路12之间，用于从接口电路14接收速度控制电路10b的速度指令，以及从驱动电路12获取该无刷直流电机10a当前的工作状态参数，并相应地调整工作状态参数，以调整驱动电路12驱动无刷直流电机10a按照该工作参数进行工作。

具体地，该控制电路13用于：

在进行相位角补偿时，根据速度控制电路10b的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)，并在第一补偿相位角θc1(k)大于一预先设置的最大补偿相位角θcmax时，利用如下第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：

第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数；

当第二补偿相位角θc2(k)不大于最大补偿相位角θcmax时，根据第二补偿相位角θc2(k)调整驱动电路12以驱动无刷直流电机10a工作。

进一步地，请同时参阅图2，该控制电路23包括状态分析单元230、判断单元231、比例计算单元232以及积分计算单元233。该驱动电路22包括pwm驱动电路221、采样电路222以及单相逆变电路223。

该采样电路222用于在无刷直流电机20a工作时实时采集驱动电路22的工作参数，以及实时采集无刷直流电机20a的工作状态参数。具体地，该采样电路222用于实时采集pwm驱动电路221的工作参数，以及实时采集无刷直流电机20a的工作状态参数。

状态分析单元230用于获取采样电路222采集到的驱动电路22的工作参数、无刷直流电机20a的工作状态参数，通过接口电路24获取该速度控制电路20b的输出电压vout。还用于分析采集到参数、电压，以确定该无刷直流电机20a的最大补偿相位角θcmax和参考电压vref。

具体地，该状态分析单元230根据该无刷直流电机20a的输入电压范围设定该速度控制电路20b的输出电压相角补偿参考点vref，根据无刷直流电机20a的工作状态参数设定该最大补偿相角θcmax。

判断单元231用于判断输出电压vout(k)是否大于参考电压vref，即，δv(k)>0，δv(k)＝vout(k)—vref；还用于在确定输出电压vout(k)大于所述参考电压vref时，即，δv(k)>0，向比例计算单元232发送第二触发信号；在确定输出电压vout(k)不大于参考电压vref时，即，δv(k)≦0，不进行相位角补偿，此时对驱动电路22不做调整，使该无刷直流电机20a按照当前的工作状态参数进行工作。

当δv(k)>0时，则确定需要进行相位角补偿，此时：

该比例计算单元232响应该第二触发信号利用第二公式计算第一补偿相位角θc1(k)，以进行相位角补偿：

第二公式：θc1(k)＝kp·(vout(k)—vref)；其中，kp为比例系数，p、k均为自然数。

进一步地，该判断单元231还用于判断第一补偿相位角θc1(k)是否大于预先设置的最大补偿相位角θcmax，即δθ(k)>0，其中δθ(k)＝θcmax—θc1(k)；在确定第一补偿相位角θc1(k)大于最大补偿相位角θcmax时，即δθ(k)≦0，向积分计算单元233发送第一触发信号；在确定第一补偿相位角θc1(k)不大于最大补偿相位角θcmax时，即δθ(k)>0，向驱动电路22输出调整指令以使驱动电路22按照第一补偿相位角θc1(k)驱动无刷直流电机20a工作。

当δθ(k)≦0时，则确定当前相位角补偿饱和，此时：

该积分计算单元233响应该第一触发信号利用第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：

第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数。

进一步地，该判断单元231还用于判断第二补偿相位角θc2(k)是否大于最大补偿相位角θcmax，若是，则继续驱动该积分计算单元233利用第一公式计算补偿相位角，直至该判断单元231确定该积分计算单元233计算得到的补偿相位角不大于最大补偿相位角θcmax，此时，向驱，动电路22输出调整指令以使驱动电路22按照当前计算得到的补偿相位角驱动无刷直流电机20a工作。

进一步地，该控制电路23通过如上所述相位角补偿计算后确定无刷直流电机20a的工作参数，并产生相应的pwm信号，该pwm驱动电路221根据该pwm信号驱动逆变电路223，以驱动无刷直流电机20a按照工作参数进行工作。

该采样电路222实时采集pwm驱动电路221的工作参数，以及实时采集无刷直流电机20a的工作状态参数。该控制电路23根据采样电路222采集到的工作参数，实时调整pwm驱动电路221以控制无刷直流电机20a的工作。

进一步地，该电源电路21包括滤波电路211、整流电路212和开关电源电路213。其中，该滤波电路211为抗电磁干扰(electromagneticinterference，emi)电路。

请参阅图3，为本发明第一实施方式中的无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法的流程示意图。该方法包括：

步骤s30，在进行相位角补偿时，根据速度控制电路的输出电压与一预先设置的参考电压计算第一补偿相位角θc1(k)。

具体地，利用如下第二公式计算第一补偿相位角θc1(k)：

第二公式：θc1(k)＝kp·(vout(k)—vref)；其中，kp为比例系数，p为自然数；vout(k)为速度控制电路的输出电压，vref为预先设置的参考电压。

步骤s31，判断第一补偿相位角θc1(k)是否大于一预先设置的最大补偿相位角θcmax；若是，则进入步骤s32；否则，将所述第一补偿相位角θc1(k)作为当前补偿相位角，然后进入步骤s34。

具体地，根据该无刷直流电机的输入电压范围设定该速度控制电路的输出电压相角补偿参考电压vref，根据无刷直流电机的工作状态参数设定该最大补偿相角θcmax。

步骤s32，利用如下第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：

第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数。

步骤s33，判断第二补偿相位角θc2(k)是否大于最大补偿相位角θcmax；若是，则返回步骤s32；否则，将所述第二补偿相位角θc2(k)作为当前补偿相位角，然后进入步骤s34。

步骤s34，根据当前补偿相位角调整驱动电路以驱动无刷直流电机工作。

请参阅图4，为本发明第二实施方式中的无刷直流电机抗饱和自适应相位补偿方法的流程示意图。该方法包括：

步骤s40，判断速度控制电路的输出电压vout(k)是否大于参考电压vref；若是进入步骤s41；否则，流程结束。

具体地，根据该无刷直流电机的输入电压范围设定该速度控制电路的输出电压相角补偿参考电压vref，根据无刷直流电机的工作状态参数设定最大补偿相角θcmax。

步骤s41，根据速度控制电路的输出电压vout(k)与参考电压vref计算第一补偿相位角θc1(k)。

具体地，利用如下第二公式计算第一补偿相位角θc1(k)：

第二公式：θc1(k)＝kp·(vout(k)—vref)；其中，kp为比例系数，p为自然数。

步骤s42，判断第一补偿相位角θc1(k)是否大于最大补偿相位角θcmax；若是，则进入步骤s43；否则，将第一补偿相位角θc1(k)作为当前补偿相位角，然后进入步骤s45。

步骤s43，利用如下第一公式计算第二补偿相位角θc2(k)：

第一公式：θc2(k)＝θc1(k)+ki·(θcmax—θc1(k))；其中，ki为积分系数，i、k均为自然数。

步骤s44，判断第二补偿相位角θc2(k)是否大于最大补偿相位角θcmax；若是，则返回步骤s43；否则，将第二补偿相位角θc2(k)作为当前补偿相位角，然后进入步骤s45。

步骤s45，根据当前补偿相位角调整驱动电路以驱动无刷直流电机工作。

本发明的无刷直流电机抗饱和的自适应相位补偿方法和控制装置，根据速度控制电路输出电压与设定的参考电压差值确定无刷直流电机载荷情况，以此确定是否进行相角补偿控制，根据控制输出电压和检测的电机状态参数自适应调整补偿相角；在无刷直流电机重载荷时，当补偿相位角达到饱和，根据设定最大补偿相角与当前补偿角的差值，自适应调整相角补偿控制，避免相角补偿控制输出饱和，从而优化电机的性能。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施方式，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。