CN103375419A

CN103375419A - 一种电机及空调风机系统的恒风量控制方法

Info

Publication number: CN103375419A
Application number: CN2012101272080A
Authority: CN
Inventors: 胡戈; 张先胜
Original assignee: Zhongshan Broad Ocean Motor Co Ltd
Current assignee: Zhongshan Broad Ocean Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: MX2013004768A; CA2804631C; US20130288590A1; US9803881B2; CN103375419B; CA2804631A1; CN105135608A; US20160054025A1

Abstract

本发明涉及一种电机及空调风机系统的恒风量控制方法，先建立风量的函数关系Q=F（T，n, V),多个转速段都有一个对应的调整系数V，电机控制器的微处理器接受外部输入的目标风量Q_ref并在一定的转速n下启动电机，使电机进入稳态,记录这时候的稳态力矩T，并计算出该稳态下的风量Q_c,比较目标风量Q_ref与计算风量Q_c，若两者相等或相当，则电机维持当前转速进入稳态；若两者不相等或不相当，则电机提升或减少转速n；电机经调整转速进入稳态后，重新记录该调整转速下的稳态力矩T，并计算风量Q_c和比较目标风量Q_ref,直到计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，电机进入稳态。它控制精度高、风量计算数学模型简单便捷，实施成本低，可以自动适应在广泛的静压范围。

Description

一种电机及空调风机系统的恒风量控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机及空调风机系统的恒风量控制方法。

背景技术

在家用空调的室内通风管道里，静压往往随着时间的流逝而变化，比如因为管道积灰或者过滤器堵塞。静压也因为管道的安装不同而往往高于厂商实验室的标称系统时的标准静压。恒风量控制可以在这些情况下给用户带来恒定的风量，从而在广泛的静压条件下维持舒适的通风，制冷或制热的效果。

为了实现恒风量控制，一些技术方案采用直接安装风量计，不仅提高成本，还带来潜在的因为风量计失效导致控制失败的风险。当前空调厂商大多采用无风量计的恒风量控制方法。

另外，一些技术方案要监视静压的变化来调速，如：美国专利US 4806833，通过检测静压来调整转速，达到恒风量的目的。美国专利US201000298993A1，通过直接测量外部静压来决定风量，这需要事先把静压与风量的关系测量出来，电机力矩然后通过在指定风量下对应的静压来计算。监视静压的变化来调速，有的计算公式设计到对数计算或者高阶多项式，这需要电机控制器的微处理器MCU具有较强大的计算能力，进一步提高了成本。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种电机的恒风量控制方法，该方法效率高、速度快、控制精度高、风量计算数学模型简单便捷，实施成本低，可以自动适应在广泛的静压范围。

本发明的电机的恒风量控制方法的技术方案如下：

一种电机的恒风量控制方法，它包括如下步骤过程：

步骤1)先通过实验，在恒转速模式下测试某个风机系统在多个转速下，风量与力矩的关系，从而建立任意力矩和转速下计算风量的函数关系Q＝F(T，n，V)，其中Q是风量，T是力矩，n是转速，V是调整系数，多个转速段都有一个对应的调整系数V，并输入到电机控制器的微处理器里面；

步骤2)电机控制器的微处理器接受外部输入的目标风量Q_ref；

步骤3)电机控制器控制电机启动，使电机达到一定转速并进入稳态；

步骤4)记录这时候的稳态转矩T和转速n，并通过查表法获得该转速n下的调整系数V，然后根据步骤1里的方程计算出该稳态下的风量Q_c；

步骤5)电机控制器的微处理器比较目标风量Q_ref与计算风量Q_c，若目标风量Q_ref与计算风量Q_c相等或相当，则电机维持当前转速进入稳态工作并记录该稳态下的力矩T；若目标风量Q_ref大于计算风量Q_c，电机控制器提升转速n，若目标风量Q_ref少于计算风量Q_c，电机控制器的微处理器减少转速n；

步骤6)电机经调整转速进入稳态后，重新记录提升或者减少转速后的稳态力矩T，并再次查表获取新转速下的V值，然后重新计算风量Q_c；

步骤7)重复步骤5和步骤6，直到计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，停止调整转速，电机进入稳态，同时记录该稳态下的力矩T。

上述所述的步骤7)后面还有步骤8)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤5或步骤7里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤4、步骤5、步骤6和步骤7。

上述的计算风量的函数是：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

或者采用

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

上述所述的基准转速n_base的范围在30％n_max到80％n_max之间，其中n_max是电机最大转速。

上述所述函数关系Q＝F(T，n，V)中调整系数V值在0.1到2之间变化。

上述所述步骤5和步骤7)所述的计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，指计算风量Q_c在目标风量Q_ref±误差窗口之内，目标风量Q_ref的误差窗口一般在1％到2％范围内。

上述所述步骤5)所述的电机控制器提升或减少转速n，主要指在步骤5)所述转速n下按每次至少1％n_max的步长顺序提升或减少，或者可以让新转速＝当前转速x(目标风量Q_ref/当前计算风量Q_c)。

上述所述的函数关系Q＝F(T，n，V)是利用基准转速n_base和其他转速下的不同外部静压情况下力矩和风量参数的原始数据来获得的，将电机安装在风轮上放在一个空调设备里面，设置好电机在恒转速工作状态，在不大于最大转速的范围内，选择包括基准转速在内的多个转速的值，使电机在每个转速工作，并依次改变系统的外部静压，来采集包括力矩，风量参数的原始数据。

本发明的空调风机系统的恒风量控制方法的技术方案如下：

一种空调风机系统的恒风量控制方法，所述的空调风机系统包括电机和风轮，所述的电机包括电机控制器、定子组件和转子组件，它包括如下步骤过程：

步骤1)设置好电机在恒转速工作模式，在不大于最大转速的范围内，选择包括基准转速在内的多个转速的值，使电机在每个转速工作，并依次改变系统的外部静压，来采集包括力矩，风量参数的原始数据；

步骤2)在电机控制器的微处理器里面建立计算风量的函数关系Q＝F(T，n，V)，其中Q是风量，T是力矩，n是转速，V是调整系数，多个转速段都有一个对应的调整系数V，并输入到电机控制器的微处理器里面；

步骤3)电机控制器接受外部输入的目标风量Q_ref；

步骤4)电机控制器控制电机启动，使电机达到一定转速并进入稳态；

步骤5)记录这时候的稳态转矩T和转速n，并通过查表法获得该转速n下的调整系数V，然后根据步骤1里的方程计算出该稳态下的风量Q_c；

步骤6)电机控制器的微处理器比较目标风量Q_ref与计算风量Q_c，若目标风量Q_ref与计算风量Q_c相等或相当，则电机维持当前转速进入稳态工作并记录该稳态下的力矩T；若目标风量Q_ref大于计算风量Q_c，电机控制器提升转速n，若目标风量Q_ref少于计算风量Q_c，电机控制器的微处理器减少转速n；

步骤7)电机经调整转速进入稳态后，重新记录提升或者减少转速后的稳态力矩T，并再次查表获取新转速下的V值，然后重新计算风量Q_c；

步骤8)重复步骤6和步骤7，直到计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，停止调整转速，电机进入稳态，同时记录该稳态下的力矩T。

上述所述的步骤8)后还设置步骤9)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤6或步骤8里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤5、步骤6、步骤7和步骤8。

上述所述的计算风量的函数是：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

或者采用

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

上述所述步骤6)所述的电机控制器提升或减少转速n，主要指在步骤6)所述转速n下按每次至少1％n_max的步长顺序提升或减少，或者可以让新转速＝当前转速x(目标风量Q_ref/当前计算风量Q_c)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：1)通过设置好电机在恒转速工作模式，在不大于最大转速的范围内，选择包括基准转速在内的多个转速值，使电机在每个转速工作，并依次改变系统的外部静压，来采集包括力矩，风量参数的原始数据，获得不同转速下对应的调整系数V的对照表，利用在不同转速在不同外部静压情况下力矩和风量参数的原始数据，得到计算风量的函数关系Q＝F(T，n，V)，计算风量的数学模型只有一阶或二阶的函数，非常简单，简化计算，效率高、响应速度快、控制精度高、实施成本低；经过大量试验测试，风量控制误差在0.5％-5％的范围，具有良好应用前景；2)本发明方法可以适应在广泛的静压范围，风量计算与系统外部静压无关，从而简化产品结构，降低成本。

附图说明：

图1是传统的空调风机系统的结构示意图；

图2是本发明的空调系统的控制流程图；

图3是本发明的原理框图；

图4是本发明在某台负载上的测量数据的拟合曲线图；

图5是本发明的部分控制流程图。

具体实施方式：

如图1所示，在一个典型的空调通风管道里，安装了一个鼓风系统(如燃气炉或空气处理机)，图中以“电机+风轮”代替，管道里还有空气过滤器，电机启动时开始鼓风，由于出风口和入风口的数量与房间数有关，管道的设计也没有统一的标准，同时过滤器也可能有不同的压降，导致搭载传统的单相交流电机---PSC电机的鼓风系统在不同的管道里，实际的风量会不同。

如图2所示，本发明采用一台ECM电机(电子换向电机)来带动风轮转动，ECM电机含有电机控制器，该电机控制器与空调系统控制器进行连接通信，例如空调系统控制器将目标风量发送到电机控制器，电机控制器控制电机带动风轮运转，恒定输出目标风量，相当于恒风量控制。

如图3所示，空调系统控制器向电机控制器的微处理器输入目标风量Q_ref，电机控制器包括传感器、微处理器和功率逆变模块，传感器将电机的转速信号RPM、电流信号I_dc输入到微处理器，功率逆变模块输出的PWM信号也送到微处理器处理，函数关系Q＝F(T，n，V)涉及到的各系数，包括不同工作转速下对应的调整系数V的对照表，预先输入到电机控制器的微处理器里面，微处理器比较目标风量Q_ref与计算风量Q_c，调整输出信号，以转速为受控量来间接的控制风量。若目标风量Q_ref大于计算风量Q_c，电机控制器提升输出转速n；若目标风量Q_ref少于计算风量Q_c，电机控制器的微处理器减少输出转速n，电机进入稳态后，重新记录提升或者减少转速下的稳态转矩T，电机控制器通过查表法重新查找对应的调整系数V，重新计算测量风量Q_c，直到测量风量Q_c与目标风量Q_ref相当，停止调整转速，电机进入稳态，即恒风量状态。目标风量Q_ref是一个固定值，只不过微处理器里面，当程序调节Q_c到目标风量Q_ref±误差窗口之内，即认定达到要求而停止调节，这样做的好处是防止因为微小扰动带来的反复调节而无法达到稳定的风量。目标风量Q_ref的误差窗口一般在1％到2％范围内。

本发明的空调风机系统的恒风量控制方法的技术方案如下：

本发明的一种空调风机系统的恒风量控制方法，所述的空调风机系统包括电机和风轮，所述的电机包括电机控制器、定子组件和转子组件，它包括如下步骤过程：

步骤3)电机控制器接受外部输入的目标风量Q_ref；

上述所述上述所述的步骤8)后还设置步骤9)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤6或步骤8里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤5、步骤6、步骤7和步骤8。

上述所述计算风量的函数是：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

或者采用

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

下面是函数关系Q＝F(T，n，V)的推导过程，风扇定律指出，在一定条件下，

●风量与转速成正比；

●风扇外部气压与转速平方成正比；

●电机输出力矩(即风扇输入力矩)与转速平方成正比；

\frac{Q_{1}}{Q_{2}} = \frac{n_{1}}{n_{2}}

\frac{P_{1}}{P_{2}} = {(\frac{n_{1}}{n_{2}})}^{2}

\frac{T_{1}}{T_{2}} = {(\frac{n_{1}}{n_{2}})}^{2} = {(\frac{Q_{1}}{Q_{2}})}^{2}

其中，n是电机转速，Q是风量，P是风扇的外部气压升，T是电机的输出力矩，也就是风扇的输入力矩。

为了推导方便，把基准转速下的风量-力矩关系式记为：

Q_equiv＝c0+c1×T

或者(如果用二次多项式的话)

Q_equiv＝c0+c1×T+c2×T²

从上面的公式，结合风扇定律，我们可以进一步推导出在任意转速下，力矩和风量的关系。为了做到这一点，我们需要推导出在n＝n_base时的等效力矩，然后把风量根据风扇定律折算到新的转速下：

T_{base} = T \times {(\frac{n_{base}}{n})}^{2}

把这个关系式代入到基准转速下的方程，如果用线性关系式，得出

Q (T, n) = Q_{base} \times \frac{n}{n_{base}} = [c 0 + c 1 \times T \times {(\frac{n_{base}}{n})}^{2}] \times \frac{n}{n_{base}}

如果用二次多项式，

Q (T, n) = Q_{base} \times \frac{n}{n_{base}} = [c 0 + c 1 \times T \times {(\frac{n_{base}}{n})}^{2} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n})}^{4}] \times \frac{n}{n_{base}}

从实验结果来看，测试风量的设备始终动态调节背压来控制外部静压，这导致风扇定理在整个风量范围内并非成立，需要在上述公式中增加一个调整系数V。调整后的公式如下：

如果用线性关系式，

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

如果用二次多项式，

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

这个调整系数V值在0.1到2之间变化，选取的原则是让从上式计算出来的风量值与实际测试值相等或相近，如表1是某负载的V值表，表1中记载了转速分别为500、600、700、800、900、1000、1100、1200RPM时对应的调整系数V的值，在其他未测量的转速工况下，V值可由邻近的两个转速所属的V值来线性插值计算获得。

n(RPM)	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
									V	0.6	0.74	0.89	0.95	1	1.04	1.08	1.11

表1 某负载的V值表

上述的计算式是以选定一个基准转速n_base为前提，从而推导出该转速下的风量与力矩的函数关系式。从保证计算精度，并简化计算量的角度来看，这个函数既可以是线性的，

Q_equiv＝c0+c1×T

也可以是二次多项式

Q_equiv＝c0+c1×T+c2×T²

实验数据表明，如果用更高阶的函数来描述风量与力矩的关系会产生“过度曲线拟合”的问题，即计算量远远增大而拟合精度并未提高的现象。有了这个函数，可以进一步推导在其他任意力矩和转速下，风量的计算函数Q＝F(T，n，V)。在不同的转速下，调整系数V值也不同。因此，需要设置好电机在恒转速工作状态，在不大于最大转速的范围内，选择包括基准转速在内的多个转速n的值，使电机在每个转速n下工作，并依次改变系统的外部静压，来采集包括力矩，风量参数的原始数据测量。某负载的部分原始数据的测试结果如下表2所示，通过原始数据得到表1所示的不同转速下对应的调整系数V，其选取的原则是让从上式计算出来的风量值与实际测试值相等或相近。

转速n(RPM)	静压(Pa)	实测风量Q(CFM)	力矩(Oz-ft)
				1200	262.5	1254.0	44.70
1200	275	1204.7	44.17
				1200	287.5	1134.1	41.19

........ ...... ...... .......

转速n(RPM)	静压(Pa)	实测风量Q(CFM)	力矩(Oz-ft)
				1000	50	1566.7	49.41
1000	75	1490.8	45.91
				1000	100	1409.7	42.13
转速n(RPM)	静压(Pa)	实测风量Q(CFM)	力矩(Oz-ft)
				900	25	1446.7	38.79
900	50	1362.5	35.43
				900	75	1272.8	32.03

表2 某负载的部分原始数据

下面举例说明恒风量的控制过程：

步骤1)获取以上表为例的原始数据后，选定基准转速n＝900RPM，利用力矩T和实测风量Q的数据进行绘图做曲线拟合，建立计算风量在基准转速下的的函数关系Q_base＝F(T)，这里以基准转速下的二次方多项式为例：

Q_equiv＝c0+c1×T+c2×T²

绘制成图像如图4所示。于是可以按照曲线拟合的方法获得三个风量系数c₀，c₁，c₂。然后在原始数据的基础上，按照“选择V值使计算风量的结果与实测风量的结果相等或相近”为原则确定所有转速下的V值，如表1所示。这时，任意转速与力矩下的风量函数关系式Q＝F(T，n，V)可以确定如下：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

其中Q是风量(CFM)，T是力矩(oz-ft)，n是转速(RPM)，V是调整系数如表1所示，并预先输入到电机控制器的微处理器里面；

步骤2)空调系统控制器向电机控制器的微处理器输入目标风量Q_ref；

步骤3至步骤8的见图5所示，

步骤4)记录这时候的稳态转矩T和转速n，并通过查表法获得该转速下的调整系数V，然后根据步骤1里的方程计算出该稳态下的风量Q_c；

步骤7)重复步骤4和步骤5，直到计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，停止调整转速，电机进入稳态，同时记录该稳态下的力矩T。

上述所述的步骤7)后还设置步骤8)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤5或步骤7里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤4、步骤5、步骤6和步骤7。

Claims

1.一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：它包括如下步骤过程：

步骤2)电机控制器的微处理器接受外部输入的目标风量Q_ref；

2.根据权利要求1所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：步骤7)后面还有步骤8)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤5或步骤7里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤4、步骤5、步骤6和步骤7。

3.根据权利要求1所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：计算风量的函数是：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

或者采用

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

系数c₀，c₁和c₂是通过在基准转速n_base，不同外部静压情况下根据力矩和风量参数的原始数据通过曲线拟合的方法来获得。

4.根据权利要求3所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：上述所述的基准转速n_base的范围在30％n_max到80％n_max之间，其中n_max是电机最大转速。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：函数关系Q＝F(T，n，V)中调整系数V值在0.1到2之间变化。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：步骤5和步骤7)所述的计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，指计算风量Q_c在目标风量Q_ref±误差窗口之内，目标风量Q_ref的误差窗口一般在1％到2％范围内。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：步骤5)所述的电机控制器提升或减少转速n，主要指在步骤5)所述转速n下按每次至少1％n_max的步长顺序提升或减少，或者可以让新转速＝当前转速x(目标风量Q_ref/当前计算风量Q_c)。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种电机的恒风量控制方法，其特征在于：函数关系Q＝F(T，n，V)是利用基准转速和其他转速下的不同外部静压情况下力矩和风量参数的原始数据来获得的，将电机安装在风轮上放在一个空调设备里面，设置好电机在恒转速工作状态，在不大于最大转速的范围内，选择包括基准转速在内的多个转速的值，使电机在每个转速下工作，并依次改变系统的外部静压，来采集包括力矩，风量参数的原始数据。

9.一种空调风机系统的恒风量控制方法，所述的空调风机系统包括电机和风轮，所述的电机包括电机控制器、定子组件和转子组件，其特征在于：它包括如下步骤过程：

步骤3)电机控制器接受外部输入的目标风量Q_ref；

10.根据权利要求9所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：步骤8)后还设置步骤9)，如果外部系统发生改变，导致力矩和输出风量变化，这时电机控制器通过比较新的稳态力矩和步骤6或步骤8里的力矩可以知道输出风量已经发生了变化，重复步骤5、步骤6、步骤7和步骤8。

11.根据权利要求9所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：计算风量的函数是：

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V}

或者采用

Q = c 0 \times \frac{n \times V}{n_{base}} + c 1 \times T \times \frac{n_{base}}{n \times V} + c 2 \times T^{2} \times {(\frac{n_{base}}{n \times V})}^{3}

12.根据权利要求11所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：上述所述的基准转速n_base的范围在30％n_max到80％n_max之间，其中n_max是电机最大转速。

13.根据权利要求9、10或11所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：函数关系Q＝F(T，n，V)中调整系数V值在0.1到2之间变化。

14.根据权利要求9、10或11所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：步骤6和步骤8)所述的计算风量Q_c与目标风量Q_ref相等或相当，指计算风量Q_c在目标风量Q_ref±误差窗口之内，目标风量Q_ref的误差窗口一般在1％到2％范围内。

15.根据权利要求9、10或11所述的一种空调风机系统的恒风量控制方法，其特征在于：步骤6)所述的电机控制器提升或减少转速n，主要指在步骤6)所述转速n下按每次至少1％n_max的步长顺序提升或减少，或者可以让新转速＝当前转速x(目标风量Q_ref/当前计算风量Q_c)。