一種ecm電機的恒力矩控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種ECM電機的恒力矩控制方法，它包括如下步驟：步驟A)獲取外部輸入目標(biāo)力矩值T0；步驟B)微處理器獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值rmp；步驟C)微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值T0和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電流計算函數(shù):Itad＝F(T,rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad；步驟D)微處理器根據(jù)檢測到的實時母線電流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus進行閉環(huán)控制。該恒力矩控制方法數(shù)學(xué)模型簡單，算法簡潔，對CPU運算要求不高，成本較低，控制精度較高。
【專利說明】
一種EGM電機的恒力矩控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及一種ECM電機的恒力矩控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] ECM電機，簡稱電子換相電機，也可以稱作直流無刷永磁同步電機，因 ECM電機使 用環(huán)境不同，ECM電機的控制模式一般有：恒轉(zhuǎn)速控制、恒力矩控制和恒風(fēng)量控制等，恒力 矩控制是較為常用的模式，目前常用的矢量控制方式，矢量控制數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，計算繁瑣， 需要運算能力較強的CPU，制造成本較高。恒力矩控制也有通過標(biāo)量控制母線電流的方式 進行，如見1993年公開的美國專利US5220259 (A)，該專利說明書及權(quán)利要求披露利用母線 電流進行恒力矩控制，但該種控制方式仍然復(fù)雜，控制的變量較多，計算繁瑣，控制精度較 差。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種ECM電機的恒力矩控制方法，它數(shù)學(xué)模型簡單，算法簡 潔，對CPU運算要求不高，成本較低，控制精度較高。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。
[0005] -種ECM電機的恒力矩控制方法，所述的ECM電機具有定子組件、轉(zhuǎn)子組件、機殼 組件以及電機控制器，所述的電機控制器包括微處理器、逆變電路和電機運行參數(shù)測量電 路，電機運行參數(shù)測量電路將電機的運行參數(shù)輸入到微處理器，微處理器輸出一定占空比 的PWM信號以控制逆變電路，逆變電路控制定子組件的各相線圈繞組工作，其特征在于：它 包括如下步驟：
[0006] 步驟A)獲取外部輸入目標(biāo)力矩值T0 ;
[0007] 步驟B)若電機處于停機狀態(tài)，運行電機，微處理器取得初始的轉(zhuǎn)速值rmp，若電機 處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，微處理器獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值rmp ;
[0008] 步驟C)微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值TO和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電 流計算函數(shù)：Itad = F(T，rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad，其中T是電機輸出的 力矩值；
[0009] 步驟D)微處理器根據(jù)檢測到的實時母線電流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與 實時母線電流Ibus進行閉環(huán)控制，若目標(biāo)母線電流值I tad大于實時母線電流Ibus，增加微 處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad小于實時母線電流Ibus，減少微 處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus相等，停止 調(diào)節(jié)微處理器輸出的PWM信號，ECM電機進入工況狀態(tài)，然后回到步驟B)繼續(xù)進行恒力矩 控制狀態(tài)。
[0010] 上述所述的目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus相等是指實時母線電流 Ibus偏離目標(biāo)母線電流值Itad的誤差在1 %范圍內(nèi)。
[0011] 上述所述的步驟C)的函數(shù)關(guān)系式Itad = CX (rmp+A)/B,其中C為常數(shù)，A = Π (T)，B = f2 (T)，也就是說A、B都是設(shè)定力矩值T的函數(shù)。
[0012] 上述所述的Α、Β都是設(shè)定力矩值Τ的一階函數(shù)。
[0013] 上述所述的函數(shù)關(guān)系式Itad = CX (rmp+A)/B是利用實驗手段建立的恒力矩控制 模式下的母線電流計算函數(shù)，并存儲在微處理器里面。
[0014] 上述所述的A = K0+K1*T，其中K0、kl是測量出來的常數(shù)，T是電機輸出力矩；B = D0+K0+K1*T，其中DO常數(shù)，T是電機輸出力矩。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下效果：1)利用實驗手段建立的恒力矩控制模式 下的母線電流計算函數(shù)Itad = CX (rmp+A)/B，其中A、B都是設(shè)定力矩值T的一階函數(shù)，數(shù) 學(xué)模型簡單，微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值T0和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電流計 算函數(shù)：Itad = F(T，rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad，根據(jù)檢測到的實時母線電 流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus進行閉環(huán)控制，若目標(biāo)母線電流值 Itad大于實時母線電流Ibus，增加微處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值 Itad小于實時母線電流Ibus，減少微處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值 Itad與實時母線電流Ibus相等，停止調(diào)節(jié)微處理器輸出的PWM信號，它控制變量數(shù)目少， 數(shù)學(xué)模型簡單，可以采用運算能力不高的CPU或者MCU等微處理器，從而大大降低產(chǎn)品成 本，同時，閉環(huán)控制以及實驗手段的充分測量，有效保障控制的精度。2)實驗中，只要測量 3個力矩點對應(yīng)的直流母線電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)就可以得到恒力矩控制模式下的母線電流計算 函數(shù)Itad = CX (rmp+A)/B，方便簡單，并且經(jīng)過論證，得到的恒力矩控制模式下的母線電 流計算函數(shù)Itad = CX (rmp+A)/B的控制精度較高。
【附圖說明】：
[0016] 圖1是本發(fā)明的ECM電機的立體圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明的ECM電機的電機控制器的立體圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明的ECM電機的剖視圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明的ECM電機的電機控制器的電路方框圖。
[0020] 圖5是圖4對應(yīng)的電路圖。
[0021] 圖6是本發(fā)明ECM電機與測工機的連接示意圖。
[0022] 圖7是本發(fā)明的恒力矩控制方法的控制流程圖。
[0023] 圖8是本發(fā)明的調(diào)整系數(shù)與設(shè)定力矩的關(guān)系曲線圖。 圖9是本發(fā)明的調(diào)整系數(shù)與設(shè)定力矩的關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】：
[0024] 下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述。
[0025] 如圖1、圖2、圖3所示，ECM電機通常由電機控制器2和電機單體1，所述的電機 單體1包括定子組件12、轉(zhuǎn)子組件13和機殼組件11，定子組件13安裝在機殼組件11上， 電機單體1安裝有檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾傳感器14,轉(zhuǎn)子組件13套裝在定子組件12的內(nèi)側(cè) 或者外側(cè)組成，電機控制器2包括控制盒22和安裝在控制盒22里面的控制線路板21，控制 線路板21-般包括電源電路、微處理器、母線電流檢測電路、逆變電路和轉(zhuǎn)子位置測量電 路14(即霍爾傳感器），電源電路為各部分電路供電，轉(zhuǎn)子位置測量電路檢測轉(zhuǎn)子位置信號 并輸入到微處理器，母線電流檢測電路將檢測的母線電路輸入到微處理器，微處理器控制 逆變電路，逆變電路控制定子組件12的各相線圈繞組的通斷電。其中母線電流檢測電路和 轉(zhuǎn)子位置測量電路14是電機運行參數(shù)測量電路的組成部分，微處理器通過轉(zhuǎn)子位置測量 電路14的檢測數(shù)據(jù)計算電機的實際轉(zhuǎn)速值rmp，當(dāng)然，轉(zhuǎn)速值rmp也可以通過檢測電機的線 圈繞組的相電流來計算，這些在電機的矢量控制的教課書有記載，在此不再敘述。
[0026] 如圖4、圖5所示，假設(shè)ECM電機是3相無刷直流永磁同步電機，轉(zhuǎn)子位置測量電 路14 一般采用3個霍爾傳感器，3個霍爾傳感器分別檢測一個360度電角度周期的轉(zhuǎn)子位 置，每轉(zhuǎn)過120度電角度改變一次定子組件12的各相線圈繞組的通電，形成3相6步控制 模式。交流輸入（AC INPUT)經(jīng)過由二級管D7、D8、D9、D10組成的全波整流電路后，在電容 C1的一端輸出直流母線電壓Vbus，直流母線電壓Vbus與輸入交流電壓有關(guān)，交流輸入（AC INPUT)的電壓確定后，母線電壓Vbus是恒定的，3相繞組的線電壓Vm是PWM斬波輸出電壓， Vm = Vbus*w，w是微處理器輸入到逆變電路的PWM信號的占空比，改變線電壓P可以改變直 流母線電流Ibus，逆變電路由電子開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6組成，電子開關(guān)管Ql、Q2、 Q3、Q4、Q5、Q6的控制端分別由微處理器輸出的6路PWM信號（P1、P2、P3、P4、P5、P6)控制， 逆變電路還連接電阻R1用于檢測母線電流Ibus，母線電流檢測電路將電阻R1的檢測母線 電流Ibus轉(zhuǎn)換后傳送到微處理器。
[0027] 如圖7所示，本發(fā)明的一種ECM電機的恒力矩控制方法，所述的ECM電機具有定子 組件、轉(zhuǎn)子組件、機殼組件以及電機控制器，所述的電機控制器包括微處理器、逆變電路和 電機運行參數(shù)測量電路，電機運行參數(shù)測量電路將電機的運行參數(shù)輸入到微處理器，微處 理器輸出一定占空比的PWM信號以控制逆變電路，逆變電路控制定子組件的各相線圈繞組 工作，其特征在于：它包括如下步驟：
[0028] 步驟A)獲取外部輸入目標(biāo)力矩值T0 ;
[0029] 步驟B)若電機處于停機狀態(tài)，運行電機，微處理器取得初始的轉(zhuǎn)速值rmp，若電機 處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，微處理器獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值rmp ;
[0030] 步驟C)微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值TO和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電 流計算函數(shù)：Itad = F (T, rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad，其中T是電機輸出的力 矩值；
[0031] 步驟D)微處理器根據(jù)檢測到的實時母線電流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與 實時母線電流Ibus進行閉環(huán)控制，若目標(biāo)母線電流值Itad大于實時母線電流Ibus，增加微 處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad小于實時母線電流Ibus，減少微 處理器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus相等，停止 調(diào)節(jié)微處理器輸出的PWM信號，ECM電機進入工況狀態(tài)，然后回到步驟B)繼續(xù)進行恒力矩 控制狀態(tài)。
[0032] 上述所述的目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus相等是指實時母線電流 Ibus偏離目標(biāo)母線電流值Itad的誤差在1 %范圍內(nèi)。
[0033] 上述所述的步驟C)的函數(shù)關(guān)系式Itad = CX (rmp+A)/B,其中C為常數(shù)，A = Π (T)，B = f2 (T)，也就是說A、B都是設(shè)定力矩值T的函數(shù)。
[0034] 上述所述的A、B都是設(shè)定力矩值T的一階函數(shù)。
[0035] 上述所述的函數(shù)關(guān)系式Itad = CX (rmp+A) /B是利用實驗手段建立的恒力矩控制 模式下的母線電流計算函數(shù)，并存儲在微處理器里面。
[0036] 上述所述的A = K0+K1*T，其中K0、kl是測量出來的常數(shù)，T是電機輸出力矩；B = D0+K0+K1*T，其中D0常數(shù)，T是電機輸出力矩。
[0037] 如圖6所示，選擇本公司開發(fā)的某一型號的ECM電機一臺（檔位轉(zhuǎn)速范圍325轉(zhuǎn) /分至1400轉(zhuǎn)/分，最大力矩是30牛?米），在開環(huán)方式下，通過測功機測試ECM電機在不 同轉(zhuǎn)速和不同力矩所對應(yīng)的直流母線電流，實驗中我們只選定兩檔轉(zhuǎn)速：325轉(zhuǎn)/分和825 轉(zhuǎn)/分和3個定點力矩值，然后在轉(zhuǎn)速在325轉(zhuǎn)/分下的3個定點的力矩值，同樣，在轉(zhuǎn)速 在825轉(zhuǎn)/分下的3個定點的力矩值，測試結(jié)構(gòu)如下表所示的例子。
[0038]
[0039] 表 1
[0040] 如圖8所示，由于在恒力矩模式下，不同的轉(zhuǎn)速下力矩是不變的，只是直流母線電 流有不同，那麼，力矩大小應(yīng)該與電流成正比，與轉(zhuǎn)速成反比，我們引入一個調(diào)整系數(shù)A，我 們可以定義：力矩T = KnX ItacV(rmp+A)，Kn是系數(shù)，將上述的測試點1和4、2和5、3和 6組合得到3個方程：
[0041 ] Itadl/(rmpl+Al) = Itad4/(rmp2+Al) ；--------(1)
[0042] Itad2/(rmpl+A2) = Itad5/(rmp2+A2)；
[0043] Itad3/(rmpl+A3) = Itad6/(rmp2+A3)；
[0044] 將表 1 的 Itadl、Itad2、Itad3、Itad4、Itad5、Itad6、rmpl 和 rmp2 代入上述的 3個公式求的在恒力矩ΤΙ = 30時調(diào)整系數(shù)Al，在恒力矩T2 = 20時調(diào)整系數(shù)A2,在在恒 力矩T3 = 10時調(diào)整系數(shù)A3。如圖9所示，通過建立一個調(diào)整系數(shù)與力矩的坐標(biāo)，然后通 過描點模擬出調(diào)整系數(shù)A與力矩T的曲線關(guān)系，當(dāng)然描點越多，越精確，可以用函數(shù)A = K0+K1*T+K2*T2+K3*T3.....描述曲線，但實際中我們可以假設(shè)調(diào)整系數(shù)A與力矩T是 線性關(guān)系（所以測試3個力矩點就可以了），即A = Κ0+Κ1*Τ，Κ0相當(dāng)于電機輸出的最小力 矩，Κ1是直線的斜率，A = Π (Τ)，即Α是關(guān)于力矩Τ的函數(shù)。那麼我們根據(jù)定義方程（1) 可以演化出在恒力矩模式下任意轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電流值：Itad/(rmp+A) = Itad4/(rmp2+A)， 其中我們的實驗測得rmp2是在825轉(zhuǎn)/分，Itad4也是已知，得到Itad =【Itad4/ (rmp2+A)】X (rmp+A)，我們定義B = DO+A，DO = rmp2是常數(shù)，由于A是力矩T的函數(shù)，那 麼Β也是力矩Τ的函數(shù)，B = f2⑴；令系數(shù)C = Itad4,得到恒力矩控制函數(shù)的母線電流計 算方程：Itad = CX (rmp+A)/B。
[0045] 然后通過在微處理器編寫程序可以進行恒力矩控制，若電機處于停機狀態(tài)，運行 電機，微處理器取得初始的轉(zhuǎn)速值rmp，若電機處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，微處理器獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值 rmp ;微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值T0和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電流計算函 數(shù)：Itad = F(T，rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad，其中T是電機輸出的力矩值；微 處理器根據(jù)檢測到的實時母線電流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus 進行閉環(huán)控制，若目標(biāo)母線電流值Itad大于實時母線電流Ibus，增加微處理器輸出的PWM 信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad小于實時母線電流Ibus，減少微處理器輸出的PWM 信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad與實時母線電流Ibus相等，停止調(diào)節(jié)微處理器輸出 的PWM信號。
[0046] 在開環(huán)方式下，通過測功機測試ECM電機在不同轉(zhuǎn)速和不同力矩所對應(yīng)的直流 母線電流，形成N組測試數(shù)據(jù)，測試的不同力矩點的數(shù)據(jù)越多，即測試點越多，得到的函數(shù) Itad = CX (rmp+A)/B精度越高，需要根據(jù)控制精度來抉擇測試點的數(shù)量和范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種ECM電機的恒力矩控制方法，所述的ECM電機具有定子組件、轉(zhuǎn)子組件、機殼組 件以及電機控制器，所述的電機控制器包括微處理器、逆變電路和電機運行參數(shù)測量電路， 電機運行參數(shù)測量電路將電機的運行參數(shù)輸入到微處理器，微處理器輸出一定占空比的 PWM信號以控制逆變電路，逆變電路控制定子組件的各相線圈繞組工作，其特征在于：它包 括如下步驟： 步驟A)獲取外部輸入目標(biāo)力矩值TO ; 步驟B)若電機處于停機狀態(tài)，運行電機，微處理器取得初始的轉(zhuǎn)速值rmp，若電機處于 運轉(zhuǎn)狀態(tài)，微處理器獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值rmp ; 步驟C)微處理器根據(jù)目標(biāo)力矩值TO和轉(zhuǎn)速值rmp利用恒力矩控制的直流母線電流計 算函數(shù)：Itad = F(T，rmp)換算成對應(yīng)的目標(biāo)母線電流值Itad，其中T是電機輸出的力矩 值； 步驟D)微處理器根據(jù)檢測到的實時母線電流Ibus，比較目標(biāo)母線電流值Itad與實時 母線電流Ibus進行閉環(huán)控制，若目標(biāo)母線電流值I tad大于實時母線電流Ibus，增加微處理 器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值Itad小于實時母線電流Ibus，減少微處理 器輸出的PWM信號的占空比，若目標(biāo)母線電流值I tad與實時母線電流Ibus相等，停止調(diào)節(jié) 微處理器輸出的PWM信號，ECM電機進入工況狀態(tài)，然后回到步驟B)繼續(xù)進行恒力矩控制 狀態(tài)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ECM電機的恒力矩控制方法，其特征在于：目標(biāo)母線電 流值Itad與實時母線電流Ibus相等是指實時母線電流Ibus偏離目標(biāo)母線電流值Itad的 誤差在1%范圍內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種ECM電機的恒力矩控制方法，其特征在于：步驟C) 的函數(shù)關(guān)系式Itad = CX (rmp+A)/B，其中C為常數(shù)，A = fl(T)，B = f2(T)，也就是說A、 B都是設(shè)定力矩值T的函數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種ECM電機的恒力矩控制方法，其特征在于：A、B都是設(shè)定 力矩值T的一階函數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種ECM電機的恒力矩控制方法，其特征在于：函數(shù)關(guān)系式 Itad = CX (rmp+A)/B是利用實驗手段建立的恒力矩控制模式下的母線電流計算方程，并 存儲在微處理器里面。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種ECM電機的恒力矩控制方法，其特征在于： A = K0+K1*T，其中KO、kl是測量出來的常數(shù)，T是電機輸出力矩； B = D0+K0+K1*T，其中DO常數(shù)，T是電機輸出力矩。
【文檔編號】H02P6/08GK105991071SQ201510079416
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發(fā)明人】邊文清
【申請人】中山大洋電機股份有限公司