CN111697879A - 电机启动的控制***及电机控制方法 - Google Patents

电机启动的控制***及电机控制方法 Download PDF

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CN111697879A CN202010613007.6A CN202010613007A CN111697879A CN 111697879 A CN111697879 A CN 111697879A CN 202010613007 A CN202010613007 A CN 202010613007A CN 111697879 A CN111697879 A CN 111697879A
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Abstract

本发明实施例涉及电机技术领域，公开了一种电机启动的控制***及电机控制方法，该***包括：电流采集电路，用于采集电机的相电流；电流放大电路，与电流采集电路的输出端连接，用于对所述相电流放大，输出放大电流；处理器，与电流放大电路的输出端连接，用于在接收到电机启动指令的情况下，获取所述放大电流；若所述放大电流小于或等于预设电流值，则根据所述电机启动指令控制所述电机启动；若所述电流大于所述预设电流值，则通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，并根据所述转速和方向控制所述电机。通过上述方式，本发明实施例实现了电机的启动控制。

Description

电机启动的控制***及电机控制方法
技术领域
本发明实施例涉及电机技术领域，具体涉及一种电机启动的控制***及电机控制方法。
背景技术
电机在启动时，电机所在的电器设备可能处于静止、正转和反转三种状态。例如，在大风等外界环境影响下，风扇以一定的转速朝着电机正常运行时的方向或者正常运行时的相反方向。当电机在高速反转情况下启动时容易引起过流损坏处理器，导致电机退磁。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种电机启动的控制***及电机控制方法，用于解决现有技术中存在的电机在高速反转情况下启动引起过流损坏处理器，导致电机退磁的问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电机启动的控制***，所述***包括：
电流采集电路，用于采集电机的相电流；
电流放大电路，与所述电流采集电路的输出端连接，用于对所述相电流放大，输出放大电流；
处理器，与所述电流放大电路的输出端连接，用于在接收到电机启动指令的情况下，获取所述放大电流；若所述放大电流小于或等于预设电流值，则根据所述电机启动指令控制所述电机启动；若所述电流大于所述预设电流值，则通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，并根据所述转速和方向控制所述电机。
在一种可选的方式中，所述电机的供电电路包括三相逆变器，所述三相逆变器包括三个相同类型的电力电子器件组成的三个下桥臂；
所述电流采集电路的输入端与所述三相逆变器的目标下桥臂的输出端连接，所述电流采集电路的输出端与所述电流放大电路连接，所述目标下桥臂为所述三个下桥臂中的任意一个下桥臂。
在一种可选的方式中，所述电流放大电路包括：运算放大器、反相输入电阻、反馈电阻、反馈电容、同相输入电阻、第一分压电阻和第二分压电阻；
所述运算放大器的反相输入端通过所述反相输入电阻与所述电流采样电路的输出端连接；
所述运算放大器的同相输入端通过所述同相输入电阻与所述电流采样电路的输入端连接；
所述反馈电阻和所述反馈电容并联连接于所述运算放大器的输出端和所述运算放大器的反相输入端之间；
所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联连接于供电电源和地之间，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端与所述运算放大器的同相输入端连接。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电机控制方法，该方法应用于上述电机启动的控制***；该方法包括：
在接收到电机启动指令的情况下，获取所述放大电流；
若所述放大电流小于或等于预设电流值，则根据所述电机启动指令控制所述电机启动；
若所述放大电流大于所述预设电流值，则通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，并根据所述转速和方向控制所述电机。
在一种可选的方式中，所述通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，包括：
获取电机的额定电流和额定电压；
根据隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，得到所述电机的马达数据模型；
根据所述马达数据模型和锁相环PLL，得到候选信号，所述候选信号用于表示所述电机的候选转速和候选方向；
将所述候选信号经过二阶低通滤波器滤波后，得到目标信号，基于所述目标信号确定所述电机的目标转速和目标方向。
在一种可选的方式中，所述根据隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，得到所述电机的马达数据模型，包括：
根据所述隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，计算得到所述电机的电机数据模型；
根据所述电机数据模型，计算得到所述电机的状态方程；
根据所述状态方程，计算得到所述电机的所述马达数据模型。
在一种可选的方式中，所述根据所述状态方程，计算得到所述电机的所述马达数据模型，包括：
根据所述状态方程，计算得到所述电机的状态误差方程；
对所述状态误差方程离散并去耦，得到候选马达数据模型；
将所述候选马达数据模型代入反馈矩阵，得到所述电机的所述马达数据模型，所述反馈矩阵为用于所述隆伯格观测器的状态反馈的矩阵。
在一种可选的方式中，所述根据所述马达数据模型和锁相环PLL，得到所述电机的候选转速和候选方向，包括：
根据所述马达数据模型和所述锁相环PLL的参数，调控所述电机的转子速度和位置；
根据所述电机的转子速度和位置，确定所述电机的所述候选转速和所述候选方向。
在一种可选的方式中，所述根据所述转速和方向控制所述电机，包括：
若根据所述目标方向确定所述电机处于正转状态，且所述目标转速小于第一阈值且大于第二阈值，控制所述电机切入双闭环控制；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述正转状态，且所述目标转速不小于所述第一阈值，继续确定电机的目标转速和目标方向；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述正转状态，且所述目标转速不大于所述第二阈值，在启动电流控制之后，切入双闭环控制。
在一种可选的方式中，所述根据所述转速和方向控制所述电机，包括：
若根据所述目标方向确定所述电机处于反转状态，且所述目标转速小于第三阈值且大于第四阈值，在制动停机并启动电流控制之后，切入双闭环控制；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述反转状态，且所述目标转速不小于所述第三阈值，继续确定电机的目标转速和目标方向；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述反转状态，且所述目标转速不大于所述第四阈值，在启动电流控制之后，切入双闭环控制。
本发明实施例对电流采集电路采集的电机的相电流进行放大处理，当电机的相电流很微弱时，放大后的电流信号可以与噪音信号区分，可以更加准确地识别接收到的放大电流，从而进行更精准地控制。在对电机进行启动控制时，首先根据接收到的放大电流与预设电流的比较结果确定是否直接启动电机，当接收到的放大电流小于或等于预设电流值时，说明电机处于静止或转速较低的状态，这种情况下启动电机不会对电机造成损害，减少了通过软件估测的方式确定电机的转速和方向的步骤，节省了电机的启动时间，提高了用户体验。当接收到的放大电流大于预设电流值时，电机有可能处于高速反转状态，此时处理器通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，并根据转速和方向控制电机，避免电机在高速反转状态下启动。
上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
附图仅用于示出实施方式，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的一种电机启动控制***的机构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种电机启动控制***的原理图；
图3示出了本发明实施例提供的一种电机控制方法的流程图；
图4示出了本发明实施例提供的一种电机控制方法中电机转速和方向的确定流程图；
图4a示出了一种电机物理模型示意图；
图4b示出了一种渐进状态观测器的结构示意图；
图4c示出了一种锁相环PLL位置检测原理示意图；
图4d示出了机启动时检测电机转速和方向的方法流程；
图5示出了本发明实施例提供的一种电机控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
本实施例的电机启动控制方法适用于在任何情况下启动的电机，例如，在高速运转时掉电并立刻重新上电启动的电机、在驱动大惯量负载时停止运转后立刻重新上电启动的电机、或者正常启动的电机。图1示出了本发明实施例的一种电机启动的控制***的结构示意图。如图1所示，该***包括：电流采集电路10、电流放大电路20和处理器30。电流采集电路10用于采集电机的相电流。本发明实施例中电流采集电路10采集的相电流为任意一相的相电流。电流放大电路20与电流采集电路10的输出端连接，用于对电流采集电路10采集的相电流放大，输出放大电流。处理器30与电流放大电路20的输出端连接，用于在接收到电机启动指令的情况下，获取电流放大电路20输出的放大电流，将放大电流与预设电流值进行计较，如果放大电流小于或等于预设电流值，则根据电机启动指令控制电机启动。如果放大电流大于预设电流值，处理器300通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，并根据确定的电机的转速和方向控制电机。
在一些实施例中，请参阅图2，电机的供电电路包括三相逆变器，三相逆变器包括三个相同类型的电力电子器件组成的三个下桥臂。在本发明实施例中，三相逆变器可以是任意一种三个下桥臂可以由任意一种类型的电力电子器件构成。例如，图2示出的三相逆变器中三个上桥臂和三个下桥臂均由N沟道MOS管构成。电流采集电路10的输入端与三相逆变器的目标下桥臂连接，目标下桥臂是三个下桥臂中的任意一个下桥臂。电流采样电路10的输出端与电流放大电路20连接。电流采集电路10对目标下桥臂所在的一相的相电流进行采样，并将采样结果输入电流放大电路20进行放大。
在一些实施例中，请继续参阅图2，在图2中，电流采集电路10用于对W相的相电流采样。在图2中，电流采集电路10包括采样电阻Rw，采样电阻Rw的一端与W相的下桥臂连接，采样电阻Rw的另一端与电流放大电路20的输入端连接，采样电阻Rw对W相的相电流进行采样。
应理解，在一些实施例中，电流采样电路10也可以用于对U相或V相的相电流采样。即，图2中可以通过采样电阻Ru或Rv对U相或V相的相电流采样。
在一些实施例中，请继续参阅图2，电流放大电路20包括：运算放大器U1、反相输入电阻R2、反馈电阻R1、反馈电容C1、同相输入电阻R3、第一分压电阻R4和第二分压电阻R5。运算放大器U1的反相输入单通过反相输入电阻与目标采样电路的输出端连接，运算放大器U1的同相输入端通过同相输入电阻R3与电流采样电路10的输入端连接。反馈电阻R1和反馈电容C1并联连接于运算放大器U1的输出端和运算放大器U1的反相输入端之间。第一分压电阻R4和第二分压电阻R5串联连接于供电电源和地之间，第一分压电阻R4和第二分压电阻R5的公共端与运算放大器U1的同相输入端连接。电流放大电路20对电流采样电路10采集的相电流进行放大，并将放大后的电流输入处理器300。
处理器300在接收到电机启动指令的情况下，获取放大电流后，将放大电流与处理器300中预先存储的预设电流值进行比较，如果放大电流小于预设电流值，说明电机处于静止状态或者转速很小的状态，在这种情况下直接启动电机对电机不会造成损害。处理器300根据电机启动指令控制电机启动。其中，预设电流值可以根据实际需求设定，本发明实施例并不以此为限。
当放大电流大于预设电流值时，需要进一步判断电机转速和方向，并根据转速和方向进行相应的启动控制。具体的转速和方向的判定在下一个实施例中进行说明，请参阅下一个实施例的具体说明。
本发明实施例对电流采集电路采集的电机的相电流进行放大处理，当电机的相电流很微弱时，放大后的电流信号可以与噪音信号区分，处理器可以更加准确地识别接收到的放大电流，从而可以更准确地控制电机。处理器在对电机进行启动控制时，首先根据接收到的放大电流与预设电流的比较结果确定是否直接启动电机，当接收到的放大电流小于或等于预设电流值时，说明电机处于静止或转速较低的状态，这种情况下启动电机不会对电机造成损害，减少了通过软件估测的方式确定电机的转速和方向的步骤，节省了电机的启动时间，提高了用户体验。当接收到的放大电流大于预设电流值时，电机有可能处于高速反转状态，此时处理器通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，并根据转速和方向控制电机，避免电机在高速反转状态下启动。
图3是本发明实施例提供的一种电机控制方法的流程图。该方法应用于上述实施例的电机启动的控制***。该方法包括图3所示的以下步骤：
步骤310：在接收到电机启动指令的情况下，获取放大电流。
在本步骤中，电机启动指令是用户人为发出的，处理器根据该电机启动指令启动电机。在接收到电机启动指令后，获取放大电流，以根据放大电流确定是否启动电机。
步骤320：判断放大电流是否小于或等于预设电流值，若放大电流小于或等于预设电流值，则执行步骤330，否则，执行步骤340。
步骤330：根据电机启动指令控制电机启动。
在本步骤中，如果放大电流小于或等于预设电流值，电机处于静止或转速较低的状态，这种情况下启动电机不会对电机造成损害。根据电机启动指令控制电机启动。
步骤340：通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，并根据转速和方向控制电机。
在本步骤中，如果放大电路大于预设电流值，电机可能处于高速反转状态。为了避免电机在高速反转状态下启动造成电机损坏，通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，根据确定的电机的转速和方向控制电机。具体的软件估测方式在下面的实施例中进行说明，请参阅下面实施例中的具体描述。
本发明实施例在对电机进行启动控制时，首先根据接收到的放大电流与预设电流的比较结果确定是否直接启动电机，当接收到的放大电流小于或等于预设电流值时，说明电机处于静止或转速较低的状态，这种情况下启动电机不会对电机造成损害，减少了通过软件估测的方式确定电机的转速和方向的步骤，节省了电机的启动时间，提高了用户体验。当接收到的放大电流大于预设电流值时，电机有可能处于高速反转状态，此时处理器通过软件估测的方式确定电机的转速和方向，并根据转速和方向控制电机，避免电机在高速反转状态下启动。
图4示出了本发明实施例的一种电机控制方法中电机的转速和方向的确定流程图。如图4所示，确定电机的转速和方向包括以下步骤：
步骤410：获取电机的额定电流和额定电压。
本步骤中的额定电流即定子电流i，同理，额定电压即定子电压U。上述定子电流i和定子电压U在不同坐标系下可得到不同种类的电流值和电压值，具体的电流值和电压值的种类，可参见图4a，图4a为本申请实施例提供的一种电机物理模型示意图。如图4a所示，由于A、B、C三相绕组相互耦合，而在A-B-C三相坐标系下无法进行方便有效的控制，所以为了实现解耦控制，需要进行一系列的坐标变换后得到所需的d轴和q轴电流。克拉克(clarke)变换的主要作用是将三相静止坐标系(A-B-C)的相电流变换为两相静止坐标系(Alfa-Beta)的Alfa轴电流和Beta轴电流，此时，***的功率没有发生变化。其中，定义Alfa轴为与三相坐标系中Alfa轴重合的轴，Beta轴超前Alfa轴90°。帕克(park)变换的主要作用是将两相静止坐标系(Alfa-Beta)的Alfa轴和Beta轴电流变换为两相旋转坐标系(d-q)的d轴电流和q轴电流。d轴与Alfa轴夹角为θ，即转子相对A相绕组转过的位置角，q轴超前d轴90°。基于上述三相静止坐标系(A-B-C)、两相静止坐标系(Alfa-Beta)以及两相旋转坐标系(d-q)，步骤410获取到的定子电流i和定子电压U可以转换得到不同种类的电流值(id，iq，idref，iqref，iα，iβ)和电压值(Ud，Uq，Uα，Uβ)，其中，id为定子电流i投影到d轴的分量，iq为定子电流i投影到q轴的分量，Ud为定子电压U投影到d轴的分量，Uq为定子电压U投影到q轴的分量，idref为d轴电流的参考值，iqref为q轴电流的参考值，Uα为定子电压U投影到Alfa轴的分量，Uβ为定子电压U投影到Beta轴的分量，iα为定子电流i在Alfa轴侧的定子侧电流，iβ为定子电流i在Beta轴侧的定子侧电流。
步骤420：根据隆伯格观测器和电机的电流、电压，得到电机的马达数据模型。
将步骤410得到的电机的额定电流和额定电压作为隆伯格观测器的输入量，再经过相应的隆伯格算法，计算得到电机的马达数据模型作为隆伯格观测器的输出量。
具体的，首先处理器根据隆伯格观测器和电机的额定电流(Alfa轴侧的定子侧电流iα、Beta轴侧的定子侧电流iβ)、电机的额定电压(Alfa轴的定子电压分量Uα、Beta轴的定子电压分量Uβ)，计算得到电机的电机数据模型，实现方法如下：
Figure BDA0002562798260000091
Lα＝L0+L1cos 2θe
Lβ＝L0-L1cos 2θe
Lαβ＝L1sin2θe (1)
Figure BDA0002562798260000092
Figure BDA0002562798260000093
上述计算过程统归为公式(1)，公式(1)为电机的电机数据模型，其中，Uα为定子电压投影到Alfa轴的分量，Uβ为定子电压投影到Beta轴的分量，RS为定子侧电阻(相电阻)，p为微分因子，Ld为d轴的电感，Lq为q轴的电感，Lα为Alfa轴的电感，Lβ为Beta轴的电感，iα为Alfa轴的定子侧电流，iβ为Beta轴的定子侧电流，θe为转子永磁体和A相绕组的电气夹角，ωe为转子磁链的电气角速度，
Figure BDA0002562798260000094
为转子永磁体产生的磁链。在上述公式(1)中，除了物理量iα、iβ、Uα、Uβ为未知量(该部分作为电机数据模型的输入量是待求数据，通过步骤410可求得)，其余的物理量均为电机数据模型中的已知量。
对于表贴式永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)，凸极比
Figure BDA0002562798260000095
当ρ＝1时，Ld＝Lq＝LS；此时：
Figure BDA0002562798260000101
上述计算过程归为公式(2)，公式(2)为电机的数据模型，其中，RS为定子侧电阻(相电阻)，LS为定子侧等效电感。
对于内嵌式PMSM，电机数据模型也可以近似为上述公式(2)，且
Figure BDA0002562798260000102
综上所述，公式(1)至(3)为通过隆伯格观测器得到的不同种类电机的电机数据模型。
本步骤要得到电机的马达数据模型，还需要利用电机的电机数据模型中的数据，计算得到电机***的状态方程，再根据电机***的状态方程计算得到电机的状态误差方程，然后将电机的状态误差方程离散并去耦，可推导候选马达模型，最后将候选马达模型带入反馈矩阵中，简化得到电机的马达数据模型。
下面将以公式(1)得到的电机数据模型为例，对利用电机数据模型中的数据，计算得到电机***的状态方程这一过程进行详细说明。
因为电机***的状态方程还需要电机的感应电动势作为输入量，故需要首先求出电机的感应电动势，在Alfa轴和Beta轴的坐标系下，感应电动势的计算过程如下：
Figure BDA0002562798260000103
Figure BDA0002562798260000104
上述计算过程归为公式(4)，其中，eα为感应电动势在Alfa轴的投影，eβ为感应电动势在Beta轴的投影，ωe为转子磁链的电气角速度，
Figure BDA0002562798260000105
为转子永磁体产生的磁链，θe为转子永磁体和A相绕组的电气夹角。
进一步地，上述公式(4)得到的感应电动势导数计算过程如下：
Figure BDA0002562798260000106
Figure BDA0002562798260000107
上述计算过程归为公式(5)，其中，eα为感应电动势在Alfa轴的投影，eβ为感应电动势在Beta轴的投影，ωe为转子磁链的电气角速度，
Figure BDA0002562798260000108
为转子永磁体产生的磁链，θe为转子永磁体和A相绕组的电气夹角。
然后，利用上述公式(4)和(5)得到的感应电动势和感应电动势的导数，以及上述公式(1)的电机数据模型中的数据，可计算得到电机***的状态方程。电机***的状态方程的实现方法如下：
Figure BDA0002562798260000111
上述计算过程归为公式(6)，公式(6)为电机***的状态方程。其中，
Figure BDA0002562798260000112
为可观***的状态变量，也是状态观测器的估测量，
Figure BDA0002562798260000113
为可观***的输出量，
Figure BDA0002562798260000114
为可观***的状态观测器的估测的微分，
Figure BDA0002562798260000115
为状态观测器的输入。
在状态方程公式(6)中，对状态观测器的估测的微分
Figure BDA0002562798260000116
的计算过程如下所示：
Figure BDA0002562798260000117
上述计算过程归为公式(7)，其中，iα为Alfa轴的定子侧电流，iβ为Beta轴的定子侧电流，RS为定子侧电阻(相电阻)，LS为定子侧等效电感，eα为感应电动势在Alfa轴的投影，eβ为感应电动势在Beta轴的投影，ωe为转子磁链的电气角速度；公式(7)计算过程中的数据来自于上述公式(4)和(5)得到的感应电动势和感应电动势的导数，以及上述公式(1)的电机数据模型。
在状态方程公式(6)中，对状态观测器的输入
Figure BDA0002562798260000118
状态观测器的估测量
Figure BDA0002562798260000119
状态观测器的估测的微分
Figure BDA00025627982600001110
状态观测器的输出量
Figure BDA00025627982600001111
的计算过程如下所示：
Figure BDA00025627982600001112
Figure BDA00025627982600001113
Figure BDA00025627982600001114
Figure BDA00025627982600001115
上述计算过程归为公式(8)，其中，
Figure BDA00025627982600001116
为状态观测器的输入，
Figure BDA00025627982600001117
为可观***的状态变量，也是状态观测器的估测量，
Figure BDA00025627982600001118
为可观***的状态观测器的估测的微分，
Figure BDA00025627982600001119
为可观***的输出量；公式(8)计算过程中的数据来自于上述公式(4)和(5)得到的感应电动势和感应电动势的导数，以及上述公式(1)的电机数据模型。
在状态方程公式(6)中，A、B、C矩阵见下：
Figure BDA0002562798260000121
Figure BDA0002562798260000122
Figure BDA0002562798260000123
上述计算过程归为公式(9)，其中，RS为定子侧电阻(相电阻)，LS为定子侧等效电感。
具体的，上述公式(6)至(7)中的部分数据需要由状态观测器得到，可参阅图4b，图4b为渐进状态观测器的结构示意图，如图4b所示，该渐进状态观测器的计算可见下：
Figure BDA0002562798260000124
上述计算过程归为公式(10)，其中，
Figure BDA0002562798260000125
为可观***的状态观测器的估测的微分，
Figure BDA0002562798260000126
为可观***的状态变量，
Figure BDA0002562798260000127
为可观***的输出量，
Figure BDA0002562798260000128
为状态观测器的输入量，G为状态观测器的反馈矩阵；
Figure BDA0002562798260000129
Figure BDA00025627982600001210
Figure BDA00025627982600001211
上述计算过程归为公式(11)，其中，
Figure BDA00025627982600001212
为状态估测器的估测量。
接着，根据上述公式(6)至(9)得到的状态方程，计算可得到电机的状态误差方程，实现方法如下：
Figure BDA00025627982600001213
Figure BDA00025627982600001214
上述计算过程归为公式(12)，公式(12)为电机的状态误差方程。其中，
Figure BDA00025627982600001215
为状态估测器的估测量，
Figure BDA00025627982600001216
为可观***的状态观测器的估测的微分，
Figure BDA00025627982600001217
为可观***的状态变量，也是状态观测器的估测量。
然后对上述公式(12)得到的状态误差方程离散并去耦，可推导得到候选马达数据模型，实现方法如下：
Figure BDA0002562798260000131
上述计算过程归为公式(13)，公式(13)为状态方程离散化过程的推导；
Figure BDA0002562798260000132
上述计算过程归为公式(14)，公式(14)为离散化方程，运用在上述公式(13)中的离散化推导过程中；
Figure BDA0002562798260000133
上述计算过程归为公式(15)，公式(15)为将上述公式(13)离散得到的结果去耦，简化得到候选马达数据模型。
其中，候选马达数据模型的特征方程如下所示：
Figure BDA0002562798260000134
上述计算过程归为公式(16)，公式(16)为候选马达数据模型的特征方程；
Figure BDA0002562798260000135
上述计算过程归为公式(17)，公式(17)为特征方程的特征值，由公式(16)到公式(17)的过程为求解特征值|γI-A|＝0的求解过程。
此时，可得状态观测器的方程如下：
Figure BDA0002562798260000136
Figure BDA0002562798260000137
上述的计算过程归为公式(18)，隆伯格观测器的反馈矩阵可由公式(18)得到。
最后，将上述公式(15)得到的候选马达数据模型代入反馈矩阵，得到电机的马达数据模型，该反馈矩阵为用于隆伯格观测器的状态反馈的矩阵，实现方法如下：
Figure BDA0002562798260000141
上述计算过程归为公式(19)，为候选马达数据模型代入反馈矩阵的计算过程；
再将公式(19)去耦简化可得到电机的马达数据模型，实现过程如下：
Figure BDA0002562798260000142
上述计算过程归为公式(20)，公式(20)为去耦(认为ωe＝0)后简化为马达数据模型的计算过程。
综上所述，公式(1)至(20)可得到电机的马达数据模型，具体过程如下：
首先，由公式(1)至(3)可通过隆伯格观测器得到不同种类电机的电机数据模型；然后，以公式(1)得到的电机数据模型为例，还需要利用电机的电机数据模型中的数据，计算得到电机***的状态方程，由公式(6)至(9)可得到电机的状态方程，其中，公式(6)至(9)的计算过程需要公式(1)电机数据模型中的数据、公式(4)至(5)感应电动势及其导数的数据、以及公式(10)至(11)渐进状态观测器中的数据；接着，根据状态方程公式(6)可得到电机的状态误差方程，该过程由公式(12)实现；其次，对公式(12)得到的状态误差方程离散并去耦简化，可推导得到公式(15)中的候选马达数据模型，其中，公式(13)为离散化过程的实现方式，公式(14)为离散化方程，应用于公式(13)中，公式(15)为去耦后得到的候选马达数据模型，公式(16)为候选马达数据模型的特征方程，公式(17)为候选马达数据模型的特征方程的特征值；最后，将公式(15)得到的候选马达数据模型代入反馈矩阵、去耦简化可得到电机的马达数据模型，公式(20)为电机的马达数据模型，其中，将公式(15)的候选马达数据模型代入反馈矩阵可由公式(19)实现，反馈矩阵可由公式(18)中的状态观测器得到，公式(20)为将公式(19)去耦简化后得到的马达数据模型。
步骤430：根据马达数据模型和锁相环PLL，得到候选信号。
利用上述步骤420得到的马达数据模型中的数据
Figure BDA0002562798260000151
和
Figure BDA0002562798260000152
可得到转子的位置角度和转子速度，其中，需要用到锁相环PLL，锁相环PLL的作用是根据
Figure BDA0002562798260000153
和
Figure BDA0002562798260000154
估测出电机的转子速度和转子的位置角度(电角度)，从而基于电机的转子速度和电角度确定电机的候选转速和候选方向。具体的，锁相环PLL的工作原理可如图4c所示，图4c为锁相环PLL位置检测原理示意图。锁相环的输入为e(α)和e(β)，分别为马达数据模型中的数据
Figure BDA0002562798260000155
和
Figure BDA0002562798260000156
锁相环的输出为ω(e)和θ(e)，分别为电机的转子速度ωe和电角度
Figure BDA0002562798260000157
其中，Kp和Ki是PI调节器的比例系数和微分系数，因为传统的隆伯格观测器PLL锁相环使用的是单一的PI调节器参数，使得它对电机***的动态响应略差，常常会在不同转速、不同加速度、复杂工况下由于无法正确及时的调节出当前转子速度和位置而引起电机***的超调或失调。故还需求取θe的余弦和正弦函数，分别与Alfa轴和Beta轴的感应电动势相乘，做差后得到误差△e，误差方程如下：
Figure BDA0002562798260000158
上述计算过程归为公式(21)，公式(21)表示步骤430得到的候选信号(转子速度ωe和电角度
Figure BDA0002562798260000159
)与真实可用的信号之间的误差大小。
具体的，上述PI调节器是一个线性函数，它是根据给定和反馈的差值，通过比例积分对被控制量的有效控制，PI控制器的控制核心在于比例部分和积分部分，即P和I的参数选择，***给定和反馈一旦出现偏差，比例部分P便会立即对其产生调节作用以减小偏差的大小。P参数越大，调节的就越快，但是过大的参数会导致很大的超调，使得***控制产生震荡，稳定性降低，P参数小的话，则会导致调节速度很慢，无法即时的对***偏差进行调试。所以选择合适的比例P参数对***稳定性有很大的关系。积分作用I主要用于消除***稳态误差，只要有***稳态误差，积分调节就会产生作用，直至调节到无差，积分作用调节会停止，积分调节会输出一个稳定值。积分调节的强弱在于参数I的选择，参数I越大，积分作用就越小，参数I越小，积分作用就越大。总的来说，在整个控制***中，PI控制器的主要作用是来提高控制***的稳定性以便更加精确的控制。
步骤440：将候选信号经过二阶低通滤波器滤波后，得到目标信号。
上述步骤410得到的候选信号包含了候选转速(转子速度ωe)和候选方向(电角度
Figure BDA0002562798260000161
)的信息，但由误差方程△e可知，此时的转速和方向信息准确性不高，还是不可用的，需要经过二阶低通滤波器滤波，得到一个特定频率的目标信号，或消除一个特定频率后的目标信号，基于该目标信号确定的目标转速(目标转子速度ωe)和目标方向(目标电角度
Figure BDA0002562798260000162
)才是可用的，该目标转速和目标方向即为电机启动前估测的转速和方向。一般的隆伯格观测器PLL锁相环使用的是单一的PI调节器参数，使得它对***的动态响应略差，常常会在不同转速、不同加速度、复杂工况下由于无法正确及时的解调出当前转子速度和位置而引起***的超调或失调，轻微时可使得***震荡，严重时可导致整个控制***失去控制。为了解决上述问题，可以利用动态的PLL参数调节代替原有的PI调节器，使其可以在***运行的过程中根据不同速度、不同负载情况，自动选择不同的PLL锁相环参数，实时的对转子速度和位置解调进行动态调控，从而可以使整个控制***更加稳定，对复杂工况的适应性更强。
基于上述步骤410至步骤440的阐述，可结合图4d得到电机启动时检测电机转速和方向的方法流程。如图4d所示，先获取到电机的电流和电压，然后利用隆伯格观测器得到电机的马达数据模型，再利用锁相环PLL得到用于表示电机的候选转速和候选方向的候选信号，最后将该候选信号经过二阶低通滤波器滤波后，得到目标信号，基于该目标信号确定的目标转速和目标方向即为可用的电机的转速和方向；通过上述方法，对隆伯格观测器做了特殊处理，即在隆伯格观测器的基础上结合了PLL动态参数锁相环，再利用上述改进后的隆伯格观测器法，可以精准估测电机启动前的转速和方向，并根据不同的转速和方向进行不同的控制，使得电机进入通常控制后，采用隆伯格观测时进行转子转速和角度估测，将电机模型进行坐标变换，转速闭环和电流闭环的控制策略，以达到控制转速和转矩的目的，从而在各种情况下都能稳定可靠的工作，提高了电机的启动成功率及效率，进而提高了电机的安全性及可靠性，且大大节约了硬件成本。
图5示出了本发明实施例的一种电机控制方法的流程图。如图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤510：确定电机的目标转速和目标方向。
根据上述实施例图4所提供的一种电机转速和方向的确定方法可确定电机的目标转速和目标方向，具体可参见上述步骤410至440，此处不再赘述。
步骤520：判断电机是否处于正转状态。
基于目标信号确定了电机的目标转速和目标方向之后，根据该目标转速和目标方向对该电机进行控制。首先，将根据目标方向判断电机当前是否处于正转状态，正转状态表示电机的当前转动方向与目标方向相同，若电机处于正转状态，则执行下述步骤530，若电机不处于正转状态，则执行下述步骤550。
步骤530：判断电机的目标转速是否小于第一阈值。
在电机处于正转状态的情况下，将确定好的电机目标转速和第一阈值比较，判断电机的目标转速是否小于第一阈值，该第一阈值为根据电机启动场景下进行的设定，不同应用场景下的第一阈值可以是不同的，比如可以为50r/s，若电机的目标转速小于第一阈值，则执行下述步骤540，若电机的目标转速不小于第一阈值，则执行上述步骤510，继续确定电机的目标转速和目标方向，直至电机的目标转速小于第一阈值为止。
步骤540：判断电机的目标转速是否大于第二阈值。
在电机处于正转状态且电机的目标转速小于第一阈值的情况下，继续判断电机的目标转速是否大于第二阈值，该第二阈值为根据电机启动场景下进行的设定，不同应用场景下的第二阈值可以是不同的，比如可以为5r/s，若电机的目标转速大于第二阈值，则执行下述步骤590，切入双闭环控制，即利用电流环和速度环双闭环反转启动电机，若电机的目标转速不大于第二阈值，则执行下述步骤580，需先利用电流环闭环进行电机启动控制，然后再开启速度环，执行步骤590，切入双闭环控制电机。
步骤550：判断电机的目标转速是否小于第三阈值。
在电机不处于正转状态的情况下，将确定好的电机的目标转速和第三阈值比较，判断电机的目标转速是否小于第三阈值，该第三阈值为根据电机启动场景下进行的设定，不同应用场景下的第三阈值可以是不同的，比如可以为50r/s，若电机的目标转速小于第三阈值，则执行下述步骤560，若电机的目标转速不小于第三阈值，则执行步骤510，继续确定电机的目标转速和目标方向，直至电机的目标转速小于第三阈值为止。
步骤560：判断电机的目标转速是否大于第四阈值。
在电机不处于正转状态且电机的目标转速小于第三阈值的情况下，继续判断电机的目标转速是否大于第四阈值，该第四阈值为根据电机启动场景下进行的设定，不同应用场景下的第四阈值可以是不同的，比如可以为5r/s，若电机的目标转速大于第四阈值，则执行下述步骤570，先对电机进行制动停机，避免因电机转速过大引起反转启动失败，若电机的目标转速不大于第四阈值，则执行下述步骤580，需先利用电流环闭环进行电机启动控制，然后再开启速度环，执行步骤590，切入双闭环控制电机。
步骤570：电机制动停机。
步骤580：电机启动控制。
步骤590：电机切入双闭环控制。
本申请实施例，对确定了电机的目标转速和目标方向之后进行了更进一步的阐述，即以该目标转速和该目标方向对该电机进行控制，因为在电机启动前可能还是处于摆动状态，如果直接启动电机，可能会导致逆变器损坏等问题，如果风扇处于高速反转情况下启动容易引起过流，损坏控制器和导致电机退磁，直接导致电机启动失败，故为了确保风扇电机安全可靠启动，需根据电机的目标转速和目标方向的情况对电机做出不同的控制，判断电机处于正转状态或反转状态，并对处于不同目标转速的电机执行相应操作。如此可以提高风扇电机启动的成功率的效果，提高电机的效率，进而提高电机的安全性及可靠性。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有至少一可执行指令，该可执行指令在处理器上运行时，使得所述处理器根据预设的电机转速和方向检测规则检测电机的目标转速和目标方向，根据目标转速和目标方向对电机进行启动控制。本发明实施例中的处理器是上述任一实施例中所述的处理器。
在此提供的算法或显示不与任何特定计算机、虚拟***或者其它设备固有相关。各种通用***也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类***所要求的结构是显而易见的。此外，本发明实施例也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。
本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。

Claims (10)

1.一种电机启动的控制***，其特征在于，所述***包括：
电流采集电路，用于采集电机的相电流；
电流放大电路，与所述电流采集电路的输出端连接，用于对所述相电流放大，输出放大电流；
处理器，与所述电流放大电路的输出端连接，用于在接收到电机启动指令的情况下，获取所述放大电流；若所述放大电流小于或等于预设电流值，则根据所述电机启动指令控制所述电机启动；若所述放大电流大于所述预设电流值，则通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，并根据所述转速和方向控制所述电机。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电机的供电电路包括三相逆变器，所述三相逆变器包括三个相同类型的电力电子器件组成的三个下桥臂；
所述电流采集电路的输入端与所述三相逆变器的目标下桥臂的输出端连接，所述电流采集电路的输出端与所述电流放大电路连接，所述目标下桥臂为所述三个下桥臂中的任意一个下桥臂。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电流放大电路包括：运算放大器、反相输入电阻、反馈电阻、反馈电容、同相输入电阻、第一分压电阻和第二分压电阻；
所述运算放大器的反相输入端通过所述反相输入电阻与所述电流采样电路的输出端连接；
所述运算放大器的同相输入端通过所述同相输入电阻与所述电流采样电路的输入端连接；
所述反馈电阻和所述反馈电容并联连接于所述运算放大器的输出端和所述运算放大器的反相输入端之间；
所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联连接于供电电源和地之间，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端与所述运算放大器的同相输入端连接。
4.一种电机控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的电机启动的控制***，所述方法包括：
在接收到电机启动指令的情况下，获取所述放大电流；
若所述放大电流小于或等于预设电流值，则根据所述电机启动指令控制所述电机启动；
若所述放大电流大于所述预设电流值，则通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，并根据所述转速和方向控制所述电机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过软件估测的方式确定所述电机的转速和方向，包括：
获取电机的额定电流和额定电压；
根据隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，得到所述电机的马达数据模型；
根据所述马达数据模型和锁相环PLL，得到候选信号，所述候选信号用于表示所述电机的候选转速和候选方向；
将所述候选信号经过二阶低通滤波器滤波后，得到目标信号，基于所述目标信号确定所述电机的目标转速和目标方向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，得到所述电机的马达数据模型，包括：
根据所述隆伯格观测器和所述电机的额定电流、所述电机的额定电压，计算得到所述电机的电机数据模型；
根据所述电机数据模型，计算得到所述电机的状态方程；
根据所述状态方程，计算得到所述电机的所述马达数据模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述状态方程，计算得到所述电机的所述马达数据模型，包括：
根据所述状态方程，计算得到所述电机的状态误差方程；
对所述状态误差方程离散并去耦，得到候选马达数据模型；
将所述候选马达数据模型代入反馈矩阵，得到所述电机的所述马达数据模型，所述反馈矩阵为用于所述隆伯格观测器的状态反馈的矩阵。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述马达数据模型和锁相环PLL，得到所述电机的候选转速和候选方向，包括：
根据所述马达数据模型和所述锁相环PLL的参数，调控所述电机的转子速度和位置；
根据所述电机的转子速度和位置，确定所述电机的所述候选转速和所述候选方向。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述转速和方向控制所述电机，包括：
确定电机的目标转速和目标方向；
若根据所述目标方向确定所述电机处于正转状态，且所述目标转速小于第一阈值且大于第二阈值，控制所述电机切入双闭环控制；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述正转状态，且所述目标转速不小于所述第一阈值，继续确定电机的目标转速和目标方向；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述正转状态，且所述目标转速不大于所述第二阈值，在启动电流控制之后，切入双闭环控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述转速和方向控制所述电机，还包括：
若根据所述目标方向确定所述电机处于反转状态，且所述目标转速小于第三阈值且大于第四阈值，在制动停机并启动电流控制之后，切入双闭环控制；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述反转状态，且所述目标转速不小于所述第三阈值，继续确定电机的目标转速和目标方向；
若根据所述目标方向确定所述电机处于所述反转状态，且所述目标转速不大于所述第四阈值，在启动电流控制之后，切入双闭环控制。
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