CN111022364B - 一种烟机恒风量控制方法及装置 - Google Patents

一种烟机恒风量控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烟机恒风量控制方法及装置，其特征在于：建立烟机出风量与功率的对应关系曲线，将需要输出的风量转换成功率，利用功率PI环进行功率调节和电流PI环进行电流调节，实现恒风量的控制，将采样的反电动势电流，进行坐标变换，变换后的输出信号分为三路，输出信号之一作为角度估算单元的输入信号，进行角度的估算，输出信号之二作为功率计算单元的输入信号，输出信号之三作为电流PI环的反馈输入信号；功率PI环的输出作为电流PI环的电流参考输入，与PARK变换后的信号进行PI调节，使得两者的误差接近0；通过线性模块SVM将电压转换成烟机电机的PWM占空比信号以驱动烟机电机运转，形成闭环式恒定风量控制回路。具有成本低、可靠性高等特点。

Description

一种烟机恒风量控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种烟机恒风量控制方法及装置，属于家电设备技术领域。
背景技术
随着城镇化进程的加快，抽油烟机成了每个城市居民厨房必备的电器，它主要作用是将烹饪过程中产生的对人体有害的气体迅速吸走，排出室外，达到净化厨房空气，保障厨房安全。
抽油烟机在使用过程中，风道的风阻不是恒定不变的，如果不采用适当的控制方法，风阻的变化会改变风量的数值，影响抽风效果。
现在很多抽油烟机都采用了恒风量控制方案，随着抽油烟机的出风口和进风口风压的变化或是风道风阻的变化，抽油烟机的电机会根据风压传感器检测到变化自动调整电流或是转速来调整风量。
目前，市面使用的抽油烟机恒风量控制方法有直接测量方法和间接测量方法二种。直接测量方法是指在进出风口用压力传感器检测风压的变化，根据风压的变化来调整电机的转速或是电流；该直接量试方法要增加传感器，存在成本高、可靠性低等问题。间接测量方法是指通过检测电机运行电流的变化识别风量的变化，从而调整电机的运行电流或是转速来达到恒风量；该方法需要通过检测电机运行电流，需要设置采样电流电路，存在电路板布线复杂、制造成本高及可靠性低等问题。
发明内容
本发明的目的之一，是为了解决现有抽油烟机恒风量控制方法存在成本高、可靠性低或者电路板布线复杂、制造成本高及可靠性低的问题，提供一种烟机恒风量控制方法。具有成本低、可靠性高等突出的实质性特点和显著进步。
本发明的目的之二，是为了提供一种烟机恒风量控制装置。
本发明的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：
一种烟机恒风量控制方法，其特征在于：建立烟机出风量与功率的对应关系曲线，将需要输出的风量转换成功率，利用功率PI环进行功率调节和电流PI环进行电流调节，实现恒风量的控制，具体如下：
1)烟机启动时，根据给定风量确定参考功率P，该参考功率P经功率PI环调节输出参考电流Iq_ref，再经电流PI环调节输出参考电压Vq_ref，该参考电压Vq_ref经坐标反变换后输出驱动烟机电机所需的电压，使烟机电机开环运转起来，当烟机电机的转速达到MCU的AD模块能够采样反电动势的电流时，进行反电动势电流采样；所述的功率PI 环具有功率PI调节结构，所述的电流PI环具有电流PI调节结构；坐标变换包括CLARK 变换和PARK变换，所述的坐标反变换包括CLARK反变换和PARK反变换；
2)将采样的反电动势电流，进行坐标变换，变换后的输出信号分为三路，输出信号之一作为角度估算单元的输入信号，进行角度的估算，角度估算单元输出转子位置信号θ的角度值，该角度值作为坐标反变换和坐标变换的各一路输入信号；输出信号之二作为功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出信号作为功率PI环的反馈输入信号 P_fb；输出信号之三作为电流PI环的反馈输入信号Iq_fb；
3)给定风量确定参考功率P_ref作为功率PI环的参考功率P功率参考输入，与功率计算单元计算后的P_fb进行PI调节，输出Iq_ref作为电流PI环的电流参考输入；
4)功率PI环的输出Iq_ref作为电流PI环的电流参考输入，与PARK变换后的Iq_fb进行PI调节，使得Iq_fb与Iq_ref的误差接近0；
5)电流PI环的输出Vq_ref进入反变换模块，转换成驱动电机所需的电压；
6)通过线性模块SVM将电压转换成烟机电机每一相的PWM占空比信号，来驱动烟机电机运转，形成闭环式恒定风量控制回路，以控制烟机风量恒定。
本发明的目的之一还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，第2)点变换后的输出量分为电动势电压Vd_fb,反电动势电压Vq_fb,反电动势电流Iq_fb,电动势电流Id_fb作为角度估算器的输入，进行角度的估算，角度估算的输出是估算出的转子位置信号θ，该转子位置信号θ的角度值作为坐标反变换和坐标变换的一路输入信号。
进一步地，第3)点功率PI环的参考功率P，根据风量与功率的对应关系单元LUT 从风量与功率的对应关系曲线查找得到，风量与功率的对应关系曲线预先测量出来并标量化，保存到MCU的FLASH中。
本发明的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
一种烟机恒风量控制装置，其结构特点在于：包括功率PI环、电流PI环、坐标变换单元、坐标反变换单元、角度估算单元、功率计算单元、线性模块SVM和电机检测单元，功率PI环具有参考功率输入端、以输入驱动烟机电机起动的参考功率，功率PI环的输出端连接电流PI环的参考信号输入端，电流PI环的输出端连接坐标反变换单元的参考信号输入端，坐标反变换单元的输出端通过线性模块SVM连接烟机电机的控制输入端，形成输入控制回路；电机检测单元的检测输入端电连接电机转轴、信号输出端连接坐标变换单元的信号输入端，坐标变换单元的输出端分为三路，输出端之一连接角度估算单元的输入端，角度估算单元输出端连接坐标反变换单元的反馈输入端和坐标变换的反馈输入端，输出之二连接功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出端连接功率 PI环的反馈输入信号输入端；输出端之三作连接电流PI环的反馈输入信号输入端；形成反馈控制回路。
本发明的目的之二还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，所述的功率PI环具有功率PI调节结构，由常规的所述的功率PI调节电路构成；电流PI环具有电流PI调节结构，由常规的电流PI调节电路构成；所述的坐标变换单元由常规的CLARK变换电路和常规的PARK变换电路串联构成，所述的坐标反变换由常规的CLARK反变换电路和常规的PARK反变换电路串联构成。
进一步地，所述的功率计算单元由常规的功率计算电路构成，所述角度估算单元由常规的角度计算器构成，所述线性模块SVM由具有常规的PWM占空比信号发生电路结构构成；电机检测单元由常规的电机反电动势电流信号检测电路构成，其包括单片机芯片 MCU及储存器FLASH、电流传感器。
本发明具有如下突出的实质性特点和显著技术进步：
1、本发明涉及的烟机恒风量控制方法，通过建立烟机出风量与功率的对应关系曲线，将需要输出的风量转换成功率，利用功率PI环进行功率调节和电流PI环进行电流调节，实现恒风量的控制，具体如下：烟机启动时，进行反电动势电流采样，将采样的反电动势电流，进行坐标变换；给定风量确定参考功率作为功率PI环的参考功率功率参考输入，与功率计算单元计算后的输出功率进行PI调节，输出作为电流PI环的电流参考输入；功率PI环的输出作为电流PI环的电流参考输入，与PARK变换后的输出电流进行PI调节，使得两者的误差接近0；电流PI环的输出电压进入反变换模块，转换成驱动电机所需的电压；通过线性模块SVM将电压转换成烟机电机每一相的PWM占空比信号，来驱动烟机电机运转，形成闭环式恒定风量控制回路，以控制烟机风量恒定；因此能够解决现有抽油烟机恒风量控制方法存在成本高、可靠性低或者电路板布线复杂、***可靠性低的问题，具有比直接测量法成本低、可靠性高和比间接测量法电路结构简单、制造成本低及可靠性高等突出的实质性特点和显著进步。
2、本发明涉及的烟机恒风量控制装置，包括功率PI环、电流PI环、坐标变换单元、坐标反变换单元、角度估算单元、功率计算单元、线性模块SVM和电机检测单元，功率PI环具有参考功率输入端、以输入驱动烟机电机起动的参考功率，功率PI环的输出端连接电流PI环的参考信号输入端，电流PI环的输出端连接坐标反变换单元的参考信号输入端，坐标反变换单元的输出端通过线性模块SVM连接烟机电机的控制输入端，形成输入控制回路；电机检测单元的检测输入端电连接电机转轴、信号输出端连接坐标变换单元的信号输入端，坐标变换单元的输出端分为三路，输出端之一连接角度估算单元的输入端，角度估算单元输出端连接坐标反变换单元的反馈输入端和坐标变换的反馈输入端，输出之二连接功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出端连接功率PI环的反馈输入信号输入端；输出端之三作连接电流PI环的反馈输入信号输入端；形成反馈控制回路；因此能够解决现有抽油烟机恒风量控制方法存在成本高、可靠性低或者电路板布线复杂、***可靠性低的问题，具有成本低、可靠性高等突出的实质性特点和显著进步。
3、本发明在不增加额外器件的基础上，只是通过内部参数的计算来实现烟机恒功率的控制。减少了整体烟机***的成本，同时增加了***的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的实现方法流程图。
图2是本发明的一个具体实施例的风量与功率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
具体实施例1
参见图1至图2，本实施例涉及的一种烟机恒风量控制方法，其特征在于：建立烟机出风量与功率的对应关系曲线，将需要输出的风量转换成功率，利用功率PI环进行功率调节和电流PI环进行电流调节，实现恒风量的控制，具体如下：
1)烟机启动时，根据给定风量确定参考功率P，该参考功率P经功率PI环调节输出参考电流Iq_ref，再经电流PI环调节输出参考电压Vq_ref，该参考电压Vq_ref经坐标反变换后输出驱动烟机电机所需的电压，使烟机电机开环运转起来，当烟机电机的转速达到MCU的AD模块能够采样反电动势的电流时，进行反电动势电流采样；所述的功率PI 环具有功率PI调节结构，所述的电流PI环具有电流PI调节结构；所述的坐标变换包括 CLARK变换和PARK变换，所述的坐标反变换包括CLARK反变换和PARK反变换；
2)将采样的反电动势电流，进行坐标变换，变换后的输出信号分为三路，输出信号之一作为角度估算单元的输入信号，进行角度的估算，角度估算单元输出转子位置信号θ的角度值，该角度值作为坐标反变换和坐标变换的各一路输入信号；输出信号之二作为功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出信号作为功率PI环的反馈输入信号P_fb；输出信号之三作为电流PI环的反馈输入信号Iq_fb；
3)给定风量确定参考功率P作为功率PI环的参考功率P功率参考输入，与功率计算单元计算后的P_fb进行PI调节，输出Iq_ref作为电流PI环的电流参考输入；
4)功率PI环的输出Iq_ref作为电流PI环的电流参考输入，与PARK变换后的Iq_fb进行PI调节，使得Iq_fb与Iq_ref的误差接近0；
5)电流PI环的输出Vq_ref进入反变换模块，转换成驱动电机所需的电压；
6)通过线性模块SVM将电压转换成烟机电机每一相的PWM占空比信号，来驱动烟机电机运转，形成闭环式恒定风量控制回路，以控制烟机风量恒定。
本实施例中：
第2)点变换后的输出量分为电动势电压Vd_fb,反电动势电压Vq_fb,反电动势电流Iq_fb,电动势电流Id_fb作为角度估算器的输入，进行角度的估算，角度估算的输出是估算出的转子位置信号θ，该转子位置信号θ的角度值作为坐标反变换和坐标变换的一路输入信号。
第3)点功率PI环的参考功率P，根据风量与功率的对应关系单元LUT从风量与功率的对应关系曲线查找得到，风量与功率的对应关系曲线预先测量出来并标量化，保存到MCU的FLASH中。
本实施例涉及的一种烟机恒风量控制装置，包括功率PI环、电流PI环、坐标变换单元、坐标反变换单元、角度估算单元、功率计算单元、线性模块SVM和电机检测单元，功率PI环具有参考功率输入端、以输入驱动烟机电机起动的参考功率，功率PI环的输出端连接电流PI环的参考信号输入端，电流PI环的输出端连接坐标反变换单元的参考信号输入端，坐标反变换单元的输出端通过线性模块SVM连接烟机电机的控制输入端，形成输入控制回路；电机检测单元的检测输入端电连接电机转轴、信号输出端连接坐标变换单元的信号输入端，坐标变换单元的输出端分为三路，输出端之一连接角度估算单元的输入端，角度估算单元输出端连接坐标反变换单元的反馈输入端和坐标变换的反馈输入端，输出之二连接功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出端连接功率PI环的反馈输入信号输入端；输出端之三作连接电流PI环的反馈输入信号输入端；形成反馈控制回路。
本实施例中：
所述的功率PI环具有功率PI调节结构，由常规的所述的功率PI调节电路构成；电流PI环具有电流PI调节结构，由常规的电流PI调节电路构成；所述的坐标变换单元由常规的CLARK变换电路和常规的PARK变换电路串联构成，所述的坐标反变换由常规的 CLARK反变换电路和常规的PARK反变换电路串联构成。
所述的功率计算单元由常规的功率计算电路构成，所述角度估算单元由常规的角度计算器构成，所述线性模块SVM由具有常规的PWM占空比信号发生电路结构构成；电机检测单元由常规的电机反电动势电流信号检测电路构成，其包括单片机芯片MCU及储存器FLASH、电流传感器。
本实施例的控制原理如下：
假如，需要电机给出的风量是8m3/h，根据风量与功率的对应关系(图2所示),计算出对应的功率值，为功率PI环的参考输入功率P，将此功率值与电机运转时计算出的反馈功率值P_fb进行PI调整，使得两者的数值相等。如果计算出的反馈功率P_fb大于P，则功率PI环的输出电流Iq_ref变小，经过电流PI环的输出也变小，使得驱动电机的驱动信号也变小，电机转速降低，反电势的电流也变少，经过变换后计算出的反馈功率P_fb也变小，经过多次的调整后，使得P_fb与P相等。
本实施例实现的关键是预先确定LUT框图中涉及的风量与功率的关系(图2所示)，通过预先测试出烟机在不同风阻的情况下风量与功率的关系(图2所示)。将此对应关系用多项式拟合成一个曲线(图2所示)。在图2所示的风量与功率曲线图中，横坐标代表功率(单位：瓦)，纵坐标代表风量(单位：立方/小时)。在实际应用中，根据需要的风量，通过预先拟合的曲线计算出所需的功率，通过图1中所示的电机相电流反馈信号计算出电机实际运行的功率，与拟合计算出的功率进行PID调整，使得两者的功率相等，从而实现恒风量控制。图2为风量与功率的关系曲线，曲线上的数据是通过单位量化后的数据。
功率的计算，是通过FOC算法中的坐标变换后，根据DQ轴电压和电流计算出电机运行的功率Pow＝Id*Ud+Iq*Uq得到，在计算过程中，所有的变量都进行了标量化的处理，式中：Pow为烟机电机运行功率，Id为烟机电机电动势电流，Ud为烟机电机电动势电压， Iq为烟机电机电动势电流，Uq为烟机电机电动势电压。
在坐标变换(包括：CLARK变换和PARK变换)后的输出量电动势电压Vd_fb,反电动势电压Vq_fb,反电动势电流Iq_fb,电动势电流Id_fb输入到功率计算模块进行功率的计算，计算表达式P＝Id_fb*Vd_fb+Iq_fb*Vq_fb，功率模块的输出作为功率外环的输入。
本实施例在不增加成本和***复杂性的情况下，通过简单的，易操作的方法实现烟机的恒风量控制。功率PI环的参考功率根据风量与功率的对应关系计算得到，风量与功率的对应关系曲线需要预先测量出来并标量化，保存到MCU的FLASH中。
电流PI环的输出电压Vq_ref进入坐标反变换单元，转换成驱动电机所需的电压；线性模块SVM将所述电压转换成电机每一相的PWM占空比信号，来驱动电机运转。
通过以上的步骤，电机就可以按照给定的风量进行运转，达到恒风量的目的。

Claims (4)

1.一种烟机恒风量控制方法，其特征在于：建立烟机出风量与功率的对应关系曲线，将需要输出的风量转换成功率，利用功率PI环进行功率调节和电流PI环进行电流调节，实现恒风量的控制，具体如下：
1)烟机启动时，根据给定风量确定参考功率，该参考功率经功率PI环调节输出参考电流，再经电流PI环调节输出参考电压，该参考电压经坐标反变换后输出驱动烟机电机所需的电压，使烟机电机开环运转起来，当烟机电机的转速达到MCU的AD模块能够采样反电动势的电流时，进行反电动势电流采样；所述的功率PI环具有功率PI调节结构，所述的电流PI环具有电流PI调节结构；坐标变换包括CLARK变换和PARK变换，所述的坐标反变换包括CLARK反变换和PARK反变换；
2)将采样的反电动势电流，进行坐标变换，变换后的输出信号分为三路，输出信号之一作为角度估算单元的输入信号，进行角度的估算，角度估算单元输出转子位置信号θ的角度值，该角度值作为坐标反变换和坐标变换的各一路输入信号；输出信号之二作为功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出信号作为功率PI环的反馈输入信号；输出信号之三作为电流PI环的反馈输入信号；变换后的输出量分为电动势电压Vd_fb,反电动势电压Vq_fb,反电动势电流Iq_fb,电动势电流Id_fb作为角度估算器的输入，进行角度的估算，角度估算的输出是估算出的转子位置信号θ，该转子位置信号θ的角度值作为坐标反变换和坐标变换的一路输入信号；
3)通过给定风量确定参考功率，该参考功率作为功率PI环的参考功率端输入，与功率计算单元计算后输出的功率进行PI调节，输出电流信号作为电流PI环的电流参考输入；功率PI环的参考功率P，根据风量与功率的对应关系单元LUT从风量与功率的对应关系曲线查找得到，风量与功率的对应关系曲线预先测量出来并标量化，保存到MCU的FLASH中；
4)功率PI环的输出电流信号作为电流PI环的电流参考输入，与PARK变换后的电流信号进行PI调节，使得两者的误差接近0；
5)电流PI环的输出电压信号进入坐标反变换，转换成驱动电机所需的电压；
6)通过线性模块SVM将电压转换成烟机电机每一相的PWM占空比信号，来驱动烟机电机运转，形成闭环式恒定风量控制回路，以控制烟机风量恒定。
2.如权利要求1所述一种烟机恒风量控制方法的控制装置，其特征在于：包括功率PI环、电流PI环、坐标变换单元、坐标反变换单元、角度估算单元、功率计算单元、线性模块SVM和电机检测单元，功率PI环具有参考功率输入端、以输入驱动烟机电机起动的参考功率，功率PI环的输出端连接电流PI环的参考信号输入端，电流PI环的输出端连接坐标反变换单元的参考信号输入端，坐标反变换单元的输出端通过线性模块SVM连接烟机电机的控制输入端，形成输入控制回路；电机检测单元的检测输入端电连接电机转轴、信号输出端连接坐标变换单元的信号输入端，坐标变换单元的输出端分为三路，输出端之一连接角度估算单元的输入端，角度估算单元输出端连接坐标反变换单元的反馈输入端和坐标变换的反馈输入端，输出之二连接功率计算单元的输入信号，功率计算单元的输出端连接功率PI环的反馈输入信号输入端；输出端之三作连接电流PI环的反馈输入信号输入端；形成反馈控制回路。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于：所述的功率PI环具有功率PI调节结构，由常规的功率PI调节电路构成；电流PI环具有电流PI调节结构，由常规的电流PI调节电路构成；所述的坐标变换单元由常规的CLARK变换电路和常规的PARK变换电路串联构成，所述的坐标反变换由常规的CLARK反变换电路和常规的PARK反变换电路串联构成。
4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于：所述的功率计算单元由常规的功率计算电路构成，所述角度估算单元由常规的角度计算器构成，所述线性模块SVM由具有常规的PWM占空比信号发生电路结构构成；电机检测单元由常规的电机反电动势电流信号检测电路构成，其包括单片机芯片MCU及储存器FLASH、电流传感器。
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