CN102237845A

CN102237845A - 电机的控制方法

Info

Publication number: CN102237845A
Application number: CN2011101882015A
Authority: CN
Inventors: 陈跃
Original assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102237845B

Abstract

本发明涉及电机的控制方法，包括步骤：MCU初始化，包括初始化脉冲计时定时器和电机转速定时器；计算N个反馈脉冲对应的脉冲计时定时器的中断次数；脉冲计时定时器中断程序，包括记录电机的反馈脉冲数；记录第k个采样周期内对N个反馈脉冲对应的脉冲计时定时器的实际中断次数；计算下一个双向可控硅的导通时间；设置双向可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔；分别设置双向可控硅的控制端输出高电平或低电平。本发明电机的控制方法，能够方便的设计在电器产品特别是空调中PG电机的控制程序，能够将空调器的送风分成更多风量级别的档位。每档风量可以任意调节，解决了PG电机调速慢、超调不稳定等问题。

Description

电机的控制方法

技术领域

本发明涉及电机的控制方法，具体的说是PG电机的控制方法。

背景技术

家用空调器，特别是壁挂式空调器，室内送风装置一般为抽头电机或PG电机，通过MCU(微处理器)控制风机的运转，实现室内风扇的自动送风。

其中抽头电机的送风一般分为高风、中风、低分等几个级别，电机内部引出不同引线，MCU通过控制与之相连接的继电器的开闭，实现不同风量的送风，控制简单。系统工程师在调试制冷系统时，经常改变毛细管的大小、长短以及出风量的大小等，使其在满足国家标准的同时，还满足整机的制冷量、制热量的大小，因此需要反复改变电机的转速以改变风量、毛细管的大小/长度、制冷/热量等，使其各项指标满足设计要求。但是当电机的设计一旦定型，每档的风量就固定不变了，因此使得在系统调试和设计时很不方便。

PG电机在一定范围内可以无极调速，可以将送风分成更多风量级别的档位，如实现高风、中风、低风、微风、超低风等，而且每档风量几乎可以任意调节，使用灵活多变。

但是PG电机的调速很麻烦，软件设计比较复杂，现有技术里对PG电机的工作原理和调节方法介绍比较模糊，很不详尽，很多关键技术未能公开，其中的PID调节(比例、积分、微分调节)几乎没有介绍，或者未使用PID调节，根据PID调节的原理，可以分为PI、PD、PID等调节算法。由于这些核心算法未公开或介绍不详尽，使得在设计与调试PG电机时非常困难，而且控制不理想，调速慢，容易超调造成送风不稳定等问题。

发明内容

本发明提供了一种电机的控制方法，可以方便的设计在电器产品特别是空调中PG电机的控制程序，可以将空调器的送风分成更多风量级别的档位，每档风速可以任意改变，每档风量可以任意调节，解决PG电机调速慢、超调不稳定等问题，实现对PG电机的快速、稳定控制。

本发明电机的控制方法，包括步骤：

MCU初始化，包括设置脉冲计时定时器的定时时间；初始化电机转速定时器；离线计算N个反馈脉冲对应的以脉冲计时定时器的定时时间为单位的脉冲计时定时器的中断次数，并将结果存储与中断次数寄存器中，其中N为正整数，N理论上虽能够为1，但由于电机的转速非常快，应该对多个反馈脉冲计算累计时间，以使结果更准确。

脉冲计时定时器中断程序，包括记录电机的反馈脉冲数；记录第k个采样周期内对N个反馈脉冲对应的以脉冲计时定时器的定时时间为单位的脉冲计时定时器的实际中断次数，其中k为正整数；采用PID调节中的PD算法计算下一个双向可控硅的导通时间；双向可控硅是一个电子元器件，用于交流电的通断控制。当控制脉冲时刻距离前面的过零时间越短，双向可控硅就越早导通，电机流过的平均电流就越大，电机转速就越高。双向可控硅的性质是，控制脉冲可以控制其导通，一旦导通，就必须在交流电过零时，才能停止导通，下次要再导通，必须在其控制端施加控制脉冲，这种控制方法也叫做交流电的斩波控制。

根据双向可控硅的导通时间，通过电机转速定时器，设置双向可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔；

根据进入电机转速定时器的中断程序的奇偶次数，分别设置双向可控硅的控制端输出高电平或低电平。

因为PG电机依靠斩波进行控制，双向可控硅的导通时间理论上可以从交流电过零脉冲的时刻算起到下一个过零脉冲之间的任意时间连续变化，也即导通时间可以为交流电半周期时间之间的任意值。而双向可控硅的导通时间决定了电机的转速，因为电机的转速和风量成正比关系，由此便可以将空调器分为任意多的档位，并可以灵活方便的对每个档位的风量进行调试，解决了PG电机调速慢、超调不稳定等问题。

进一步的方案为，在所述MCU的初始化中，还包括禁止总中断；将检测交流电过零的过零脉冲下降沿设为过零外部中断，并允许过零外部中断；将双向可控硅导通脚的端口设为输出后关闭双向可控硅；禁止所述电机转速定时器中断，并清除所有中断标志，开放总中断。

总中断是禁止或允许所有中断的中断，相当于总开关。在MCU初始化开始的时候禁止总中断是为了等到其它需要的各中断的中断条件设置好后，便于清除所有的中断挂号。因为有的中断在初始化后，就可能立即产生中断挂号，因此需要清除这些中断挂号后才能开总中断，否则可能因为不需要的中断挂号引起不必要的中断程序的执行，从而可能造成程序不能按照预期设计运行。当交流电过零时，有一个由低电平到高电平再到低电平的正脉冲，所以可以设置为电平下降沿引起过零外部中断，也可以设置为电平的上升沿引起过零外部中断，但这样可能需要对脉冲宽度进行补偿，在以后的计算调速脉冲时不方便。允许过零外部中断的目的是当检测到过零脉冲下降沿时，对电机转速定时器进行设置，设定时间的起点，便于后面输出调速脉冲。

一种具体的方案为，所述的计时定时器的中断次数为N个反馈脉冲的时间间隔除以脉冲计时定时器的定时时间。设PG电机每分钟转速为m，每转反馈脉冲为n，则每个反馈脉冲时间间隔ΔT1为：ΔT1＝1/[n×(m/60)]，单位为秒；因此N个反馈脉冲时间ΔTN＝N×ΔT1，则计时定时器的中断次数＝ΔTN/脉冲计时定时器的定时时间。其中脉冲计时定时器的定时时间要远远小于ΔT1，避免当反馈脉冲出现时，由于MCU正在脉冲计时定时器的中断程序中查询处理反馈脉冲，来不及对其进行计数和处理。

另一种具体的方案为，所述的PID调节的PD算法包括：

如果所述的脉冲计时定时器的实际中断次数＞所述设定的计时定时器的中断次数，表明电机的实际转速低于设定转速，则使双向可控硅提前导通；如果所述的脉冲计时定时器的实际中断次数＜所述设定的计时定时器的中断次数，表明电机的实际转速高于设定转速，则使双向可控硅推迟导通；

根据双向可控硅的导通时间与电机转速定时器中存储的值的关系，计算在第一个采样周期中的双向可控硅导通时间，再通过迭算法计算第k个采样周期的双向可控硅导通时间；

使修正量≤10，当修正量＞10时，将修正量的值设为10；修正量控制在10以内可以有效的解决超调的问题，超调会造成电机转速高于设定转速，之后由于反过来又超调，又低于设定转数，来回震荡较长时间电机才能稳定在设定转速上。

PID调节中包括了PD调节、PI调节和PID调节，除了本发明的调节方式外，还可以在PID调节之前先采用数字低通滤波器、数字带通滤波器和数字带阻滤波器等滤波后，再采用PID调节。

上述修正量的一种具体算法为，(比例系数+微分时间常数/调节周期)×调节器输入值，其中调节器输入值为：电机反馈N个脉冲时的实际中断次数与中断次数寄存器中存储的设定值之差。

进一步的方案为，设置双向可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔包括：在过零外部中断的程序中，将双向可控硅导通时间对应的低8位存入电机转速定时器的低位寄存器中，将双向可控硅导通时间对应的高8位存入电机转速定时器的高位寄存器中，再启动电机转速定时器，并允许电机转速定时器中断。

进一步的方案为，进入电机转速定时器中断程序的次数为奇数次时，设置双向可控硅的控制端输出高电平，开通双向可控硅，并允许电机转速定时器中断；进入电机转速定时器中断程序的次数为偶数次时，设置双向可控硅的控制端输出低电平，停止电机转速定时器，并禁止电机转速定时器中断。

本发明电机的控制方法，能够方便的设计在电器产品特别是空调中PG电机的控制程序，能够将空调器的送风分成更多风量级别的档位，实现高风、中风、低风、微风、超低风等，而且高风又可以分成不同概念的高风。每档风速可以任意改变，每档风量可以任意调节，解决了PG电机调速慢、超调不稳定等问题，实现了对PG电机的快速、稳定控制。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明电机的控制方法的流程图。

图2是图1中MCU初始化流程图。

图3是交流电过零脉冲与双向可控硅控制脉冲的示意图。

图4是图1中timer0中断程序流程图。

图5是图1中timer1中断程序流程图。

具体实施方式

如图1所示本发明电机的控制方法，包括步骤：

MCU初始化；

脉冲计时定时器timer0中断程序；

根据双向可控硅的导通时间，通过16位的电机转速定时器timer1，设置双向可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔；

根据进入电机转速定时器timer1的中断程序的奇偶次数，分别设置双向可控硅的控制端输出高电平或低电平。

如图2所示，在MCU初始化中，首先禁止总中断，总中断是禁止或者允许所有中断的中断，相当于总开关，即使其它各中断开放，也要受总中断的控制。因为有的中断在初始化后，就可能立即产生中断挂号，因此需要先禁止总中断来清除所有的中断挂号，避免引起不必要的中断程序执行，造成程序不是按照设计预期运行。然后将检测交流电过零的过零脉冲下降沿设为过零外部中断INTO，允许过零外部中断INT0中断。一般单片机的外部中断很多，可以在INT0、INT1、......INTn中任意选择其一。当交流电过零时，有一个由低电平到高电平再到低电平的正脉冲，所以将过零外部中断INT0设置为电平下降沿引起外部中断，也可以设置为上升沿外部中断，但可能需要对脉冲宽度进行补偿，在以后的计时计算调速脉冲时，不太方便。允许过零外部中断INT0中断是为了当检测到过零脉冲下降沿时，对电机转速定时器timer1进行设置，找到时间的起点，便于进行输出调速脉冲。将MCU控制双向可控硅导通角的P0.0端口置0，设置为输出。双向可控硅是一种用以控制PG电机转速的电子元件。如图3所示，当控制脉冲时刻离前面的过零脉冲下降沿时间越短，双向可控硅就越早导通，电机流过的平均电流就越大，电机转速就越高。双向可控硅的性质是控制脉冲导通，一旦导通，就必须在交流电过零时，才能停止导通，下次要再导通，必须在其控制端施加控制脉冲，这种控制方法也叫做交流电的斩波控制。设置脉冲计时定时器timer0的定时时间为t0毫秒，用于对PG电机反馈的N个脉冲计时(N为正整数，下同)，便于对同设定的N个反馈脉冲时间做比较，以此来判断并改变双向控制可控硅在半个周期时间即工频为50Hz时对应10毫秒内导通角的控制脉冲输出时刻。启动脉冲计时定时器timer0，允许其中断。当每次脉冲计时定时器timer0中断发生后，MCU自动执行其中断服务程序，在此中断服务程序中，计算交流电过零后下一个控制脉冲输出的时间，并设置相应的定时器。初始化用于输入PG反馈脉冲的双向可控硅的P0.1端口为输入，初始化用于控制PG电机转速的16位电机转速定时器timer1，选择合适的计数时钟源。因为此时还没有检测到交流电过零脉冲，没有对电机转速定时器timer1找到相应的起点时刻，并且电机转速定时器timer1中断服务程序的任务是输出控制脉冲控制转速，因此停止定时器timer1工作，并禁止其中断。初始化最后，清除所有中断标志，开放总中断，将PG电机设定转速对应的脉冲计时定时器timer0的中断次数进行离线计算，将结果存储于中断次数寄存器time_set中，供MCU查表、计算使用。

中断次数寄存器time_set中存储值的计算方法为：设PG电机每分钟转速为m，每转反馈脉冲为n，则每个反馈脉冲时间间隔ΔT1为：ΔT1＝1/[n×(m/60)]，单位为秒；N个反馈脉冲时间ΔTN为：TN＝N×ΔT1，则time_set＝ΔTN/t0。其中脉冲计时定时器timer0的定时时间t0必须远远小于ΔT1，以便在脉冲计时定时器timer0定时中断服务程序中查询时，正确采样PG电机反馈脉冲数，如果t0不远小于ΔT1，就可能有反馈脉冲出现时，由于在脉冲计时定时器timer0中断服务程序中查询处理反馈脉冲，MCU来不及对其计数、处理。例如：当t0＝500微秒，m＝1000转/分钟，n＝3个脉冲/转，N＝16时，计算得到ΔT1＝20毫秒，ΔTN＝320毫秒，此时time_set＝640。

如图4所示脉冲计时定时器timer0中断程序，每间隔t0时间便执行一次，包括步骤：

a.每个PG反馈脉冲到来后，PG电机的反馈脉冲数cycl_n累加1，当cycl_n等于N后，置cycl_n＝0，以便进行其他计算，如斩波脉冲的输出时刻等。

b.计数第k个采样周期内N个反馈脉冲对应以t0为时间单位的脉冲计时定时器timer0的实际中断次数time_current_k计数。

c.查询中断次数寄存器time_set中存储的PG电机转速对应的设定值，将实际中断次数time_current_k和该设定值比较，便可得出PG电机是转快了，还是转慢了，据此进行调节相应的控制脉冲输出时刻。

d.通过PD算法，计算从过零外部中断INT0下降沿算起的下一个双向可控硅导通的时间tim_fan_k，用于控制PG电机的转速，计算完成后，赋值实际中断次数time_current_k＝0，以便重新计数。

上述的PD算法，具体的步骤为：

1)当第k个周期PG电机反馈N个脉冲时的实际中断次数time_current_k大于中断次数寄存器time_set中存储的设定值时，表示PG电机转速低于设定转速，应该使可双向控硅提前导通，当实际中断次数time_current_k小于中断次数寄存器time_set中存储的设定值时，表示PG电机转速高于设定转速，应该使可控硅推迟导通，按如下公式计算双向可控硅导通脉冲时刻的时间值：modify＝((time_currentk-time_set)×k1-delta)/(k1-1)；其中k1为第k个采样周期周期内采样N个PG电机反馈脉冲的实际终端时间(time_current_k×t0)同设定的N个PG电机反馈脉冲的时间(time_set×t0)之差的比列系数，delta为上一个采样周期(即第k-1采样周期)内的误差。采用PD调节时，其公式为：(比例系数+微分时间常数/调节周期)×调节器输入值，其中调节器输入值为：电机反馈N个脉冲时的实际中断次数time_current_k与中断次数寄存器time_set中存储的设定值之差，数学表达式为：Δu(t)＝(Kp+Td/T)e(t)，其中Kp为比列系数，Td为微分时间常数，T为调节周期，e(t)为控制器输入与设定值之间的误差。上式离散化后得公式：

Δu(n)＝Kp.e(n)+(Td/T)(e(n)-e(n-1))＝(Kp+Td/T)e(n)-(Td/T)e(n-1)；

整理得：Δu(n)＝(k1.e(n)-e(n-1))/k2；

其中k1＝(Kp+Td/T)/(Td/T)＝(Kp×T/Td+1)＞1，k2＝(Td/T)＞1，

k2＞1是因为采样周期T很小(例如500微秒)，Td一般＞T，因而k2＞1，为了单片机除法的便利，将k2＝k1-1。则得到公式：

Δu(n)＝(k1.e(n)-e(n-1))/(k1-1)，

对比公式modify＝((time_currentk-time_set)×k1-delta)/(k1-1)，可见，modify相当于Δu(n)，(time_current_k-time_set)相当于e(n)，delta相当于e(n-1)，k1相当于(Kp×T/Td+1)。而delta＝(time_current_k-1-time_set)，为第k-1个采样周期内的误差，由MCU保存，供下一步计算使用。因此第k个周期的采样值tim_fan_k＝tim_fan_k-1±modify；tim_fan_k-1为上一个采样周期的计算值。因为在第一个周期计算时要用到前面周期的误差，而实际前面第0个没有计算，因此delta初始化为0，同时因为delta＝(time_current_k-1-time_set)，为计算方便，k1取5，k1也可以根据调试结果取其它值，目的是使控制系统快速、稳定的工作。采样值tim_fan_k初值可取大约4毫秒。

2)离线计算采样值tim_fan_k对应的电机转速定时器timer1的值tim_fan₀。假设电机转速定时器timer1的时钟频率为8.38MHz，32分频，则每个计数脉冲对应时间为1/(8.38×10⁶/32)≈3.82微妙，则4毫秒的对应值为4000微秒/3.82微秒≈1048，即采样值tim_fan_k初值置1048，即tim_fan₀＝1048，之后使用迭代法求出第k周期内的其它采样值tim_fan_k；

3)检查各采样值tim_fan_k的值，使其处于安全的范围内，避免PG电机转速抖动。为了兼容交流电网电压频率为50Hz与60Hz，可以设置tim_fan_k之值介于0.2毫秒～7.5毫秒之间，如只考虑50Hz电源，tim_fan_k之值可介于0.2毫秒～9.3毫秒之间，其中考虑了交流电过零脉冲宽度大约0.3毫秒以及由于其他中断的影响造成的时间延后问题，当软件检测了交流电网供电频率时，可以分别指定其范围数。

4)为了既能快速调节PG电机转速，又尽量避免电机转速超调问题，检查双向可控硅导通脉冲时刻的时间值modify，将modify值限制在一定范围内，实践证明，modify限制在10范围内，也就是说，当modify＞10时，modify取10，其它时候不变，这样便可以很好的解决超调问题。

在过零外部中断INT0的中断程序中，根据双向可控硅导通的时间tim_fan_k的值，通过电机转速定时器timer1的中断来设置从过零脉冲下降沿算起的可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔。时间间隔越小，该脉冲离过零信号下降沿越近，则PG电机在一个交流电的半周期中通电时间越早，PG电机转速就越高。将16位电机转速定时器timer1中的比较器寄存器分为低位区TL1和高位区TH1，将tim_fan_k对应值的低8位和高8位分别放入低位区TL1和高位区TH1中，启动电机转速定时器timer1，允许其中断。

如图5所示，在电机转速定时器timer1的中断程序中，当为奇数次进入时，PG输出标志＝1，将双向可控硅的P0.0输出端置1，输出控制脉冲的高电平，使PG电机通过交流电流，驱动PG电机转动。重新设置TH1＝0、TL1＝130(MCU主频8.38MHz，32分频时)，使timer1下次中断时间间隔对应为0.5毫秒，并允许timer1中断，设置PG输出标志为0，之后退出终端服务程序

偶数次进入时，由于PG输出标志为0，置双向可控硅的端口P0.0＝0，停止timer1，禁止timer1中断。这样就控制输出了宽度为0.5毫秒的正脉冲信号。虽然此时P0.0＝0，由双向可控硅的性质可知，此时可控硅任然导通，一直要到交流电过零时，可控硅才截止，可见在每两个交流电过零脉冲之间，timer1定时器要完成两次定时中断，一次设置P0.0为高电平，另一次要设置P0.0为低电平。

在本实施例中脉冲宽度设置为0.5毫秒，也可设置为其它毫秒值，只要能使可控硅可靠导通即可，并且脉冲宽度越小越好。

因为PG电机依靠斩波进行控制，通过本发明的电机的控制方法，双向可控硅的导通时间理论上可以从交流电过零脉冲的时刻算起到下一个过零脉冲之间的任意时间连续变化，也即导通时间可以为交流电半周期时间之间的任意值。而双向可控硅的导通时间决定了电机的转速，因为电机的转速和风量成正比关系，由此便可以将空调器分为任意多的档位，将空调器的送风分成更多风量级别的档位，实现高风、中风、低风、微风、超低风等，而且高风又可以分成不同概念的高风。每档风速可以任意改变，每档风量可以任意调节，解决PG电机调速慢、超调不稳定等问题，实现对PG电机的快速、稳定控制。

Claims

1.电机的控制方法，其特征为包括步骤：

MCU初始化，包括设置脉冲计时定时器的定时时间；初始化电机转速定时器；离线计算N个反馈脉冲对应的以脉冲计时定时器的定时时间为单位的脉冲计时定时器的中断次数，并将结果存储于中断次数寄存器中，其中N为正整数；

脉冲计时定时器中断程序，包括记录电机的反馈脉冲数；记录第k个采样周期内对N个反馈脉冲对应的以脉冲计时定时器的定时时间为单位的脉冲计时定时器的实际中断次数，其中k为正整数；采用PID调节中的PD算法计算下一个双向可控硅的导通时间；

2.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征为在所述MCU的初始化中，还包括禁止总中断；将检测交流电过零的过零脉冲下降沿设为过零外部中断，并允许过零外部中断；将双向可控硅导通脚的端口设为输出后关闭双向可控硅；禁止所述电机转速定时器中断，并清除所有中断标志，开放总中断。

3.如权利要求1或2所述的电机的控制方法，其特征为所述的计时定时器的中断次数为N个反馈脉冲的时间间隔除以脉冲计时定时器的定时时间。

4.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征为所述的PID调节的PD算法包括：

如果所述的脉冲计时定时器的实际中断次数＞所述设定的计时定时器的中断次数，则使双向可控硅提前导通；如果所述的脉冲计时定时器的实际中断次数＜所述设定的计时定时器的中断次数，则使双向可控硅推迟导通；

根据双向可控硅的导通时间与电机转速定时器中存储的值的关系，计算在第一个采样周期中的双向可控硅导通时间，再通过迭代算法计算第k个采样周期的双向可控硅导通时间；

使修正量≤10，当修正量＞10时，将修正量的值设为10。

5.如权利要求4所述的电机的控制方法，其特征为所述修正量的算法为：

(比例系数+微分时间常数/调节周期)×调节器输入值，其中调节器输入值为：电机反馈N个脉冲时的实际中断次数与中断次数寄存器中存储的设定值之差。

6.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征为所述的设置双向可控硅控制脉冲高电平输出的时间间隔包括：在过零外部中断的程序中，将双向可控硅导通时间对应的低8位存入电机转速定时器的低位寄存器中，将双向可控硅导通时间对应的高8位存入电机转速定时器的高位寄存器中，再启动电机转速定时器，并允许电机转速定时器中断。

7.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征为进入电机转速定时器中断程序的次数为奇数次时，设置双向可控硅的控制端输出高电平，开通双向可控硅，并允许电机转速定时器中断；进入电机转速定时器中断程序的次数为偶数次时，设置双向可控硅的控制端输出低电平，停止电机转速定时器，并禁止电机转速定时器中断。