CN105656371A - 一种控制直流电机输出转矩的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制直流电机输出转矩的方法和系统，包括：在直流电机运转时，通过温度测量模块测量直流电机的温度，通过电流测量模块测量直流电机的电流；通过判断模块判断直流电机的转动状态；根据直流电机的温度、电流和转动状态，通过补偿模块查找转矩常数补偿表对直流电机的转矩常数进行补偿；依据转矩常数，通过计算输出模块计算并输出直流电机的输出转矩。本发明的控制直流电机输出转矩的方法和系统保证了不管电机在何种工况下工作都能得到与目标转矩一致的转矩输出，提高了直流电机输出转矩的准确性，进而提高驾驶员的操作手感。

Description

一种控制直流电机输出转矩的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种直流电机领域，特别是涉及一种控制直流电机输出转矩的方法和系统。

背景技术

电动助力转向系统EPS(ElectricPowerSteering)，是一种直接依靠电机提供辅助转矩的动力转向系统，其通过电机提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外还有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正因为这些优点，所以电动助力转向系统EPS成为了汽车转向系统的发展方向。

在电动助力转向系统中，要求电机功率密度高，体积小，噪声低，转动惯量小，响应速度快，成本低，并且能够在堵转下输出转矩。在功率要求不高的小型车中，直流有刷电机得到广泛的应用。

助力电机是电动助力转向系统的执行元件，其将电动助力转向系统控制算法中希望得到助力转矩转换为真实物理意义的电机转矩。而电机助力转向系统的电机控制算法中，一般采用的是电流闭环控制方式，通过控制电机电流来间接控制电机转矩。通常，控制电机电流就是保证电机输出的电流与目标电流一致。因为电机转矩＝电机输出电流*电机转矩常数，所以电机转矩常数的变化直接影响电机转矩的输出。虽然国内外对直流有刷电机的控制方面研究较多，但大多认为电机转矩与电流的比例关系是理想的正比关系，认为电机转矩常数理想为恒定值。转矩常数的理论计算公式为：其中，α表示电枢线圈并联支路的对数；p表示电机定子极对数；N表示电机线圈总导体数，φ表示电机每极的磁通量。

从转矩常数的理论计算公式不难看出，对于确定型号的电机来说，α、p和N是常数，但是磁通量φ的数值会随着电机电流、电机温度及电机的制造工艺，即磁钢充磁的均匀性及一致性，发生变化。因此电机转矩常数为恒定值，仅仅是一个理想状态，实际的情况远非如此，其会随着电机的工作环境、工作状态而不断变化。因此，如果电机控制算法中仍然按照理想的恒定值的转矩常数K_t来使用，势必无法保证电机输出转矩的准确性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种控制直流电机输出转矩的方法和系统，用于解决现有技术中直流电机输出转矩无法精确控制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种控制直流电机输出转矩的方法，包括：在所述直流电机运转时，测量所述直流电机的温度和所述直流电机的电流I；判断所述直流电机的转动状态；根据所述直流电机的所述温度、所述电流I和所述转动状态，通过查找转矩常数补偿表对所述直流电机的转矩常数K_t进行补偿；依据所述转矩常数K_t，计算并输出所述直流电机的输出转矩T：T＝I*K_t。

可选地，所述直流电机的转动状态包括正转状态和反转状态。

可选地，所述直流电机与所述转矩常数补偿表是对应的。

可选地，所述转矩常数补偿表是在所述直流电机使用之前进行测量标定获得。

可选地，所述转矩常数补偿表包括正转转矩常数补偿表和反转转矩常数补偿表。

可选地，所述正转转矩常数补偿表是将处于所述正转状态的所述直流电机设定在不同的温度和不同的负载下，通过测量标定获得的所述转矩常数与温度和电流的变化关系。

可选地，所述反转转矩常数补偿表是将处于所述反转状态的所述直流电机设定在不同的温度和不同的负载下，通过测量标定获得的所述转矩常数与温度和电流的变化关系。

可选地，对所述转矩常数K_t的所述补偿包括温度补偿、电流补偿和转动状态补偿；其中，所述温度补偿、所述电流补偿和所述转动状态补偿是在电机控制算法中通过查找所述转矩常数补偿表来进行补偿的。

一种控制直流电机输出转矩的系统，包括温度测量模块、电流测量模块、标定模块、存储模块、补偿模块、计算输出模块和判断模块；所述温度测量模块用于测量所述直流电机的温度；所述电流测量模块用于测量所述直流电机的电流；所述判断模块用于判断所述直流电机的转动状态；所述标定模块用于根据所述直流电机的转动状态，通过设定不同的温度和不同负载，测量标定所述直流电机的转矩常数与温度和电流的变化关系的转矩常数补偿表；所述存储模块用于存储所述转矩常数补偿表；所述补偿模块用于根据测量获得的所述直流电机的电流和温度，通过查找所述转矩常数补偿表对所述转矩常数进行补偿；所述计算输出模块用于依据经过补偿的所述转矩常数计算并输出所述直流电机的输出转矩。

可选地，所述标定模块测量标定的所述转矩常数补偿表是与所述直流电机一一对应的。

如上所述，本发明的一种控制直流电机输出转矩的方法和系统，是一种使直流电机的输出转矩更为准确的控制方法，其通过前期测试的处于不同转动状态下的电机输出转矩在不同温度及不同电流下的转矩常数的变化数据，在电机控制算法中根据当前电机工作的温度和电机电流，通过查表(或线性拟合)的方式对转矩常数进行补偿，从而保证了不管电机在何种工况下工作都能得到与目标转矩一致的转矩输出，提高了直流电机输出转矩的准确性，进而提高驾驶员的操作手感。

附图说明

图1显示为本发明实施例公开的一种控制直流电机输出转矩的方法的流程示意图。

图2显示为本发明实施例公开的一种控制直流电机输出转矩的方法中转矩常数随温度变化的关系示意图。

图3显示为本发明实施例公开的一种控制直流电机输出转矩的方法中转矩常数随电流变化的关系示意图。

图4显示为经过本发明实施例公开的一种控制直流电机输出转矩的方法处理后的输出转矩与目标转矩和实际输出转矩的对比示意图。

图5显示为本发明实施例公开的一种控制直流电机输出转矩的系统的结构示意图。

元件标号说明

S11～S14步骤

500控制直流电机输出转矩的系统

510温度测量模块

520电流测量模块

530标定模块

540存储模块

550补偿模块

560计算输出模块

570判断模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅附图，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例公开了一种适用于直流电机的输出转矩的控制方法，如图1所示，包括：

步骤S11，测量直流电机的温度和电流I；

步骤S12，判断直流电机的转动状态：

电机在日常使用当中，需要正转或反转，在本实施例中，为了方便对转矩常数的考量，将直流电机的转动状态分为正转状态和反转状态。

步骤S13，根据直流电机的温度、电流I和直流电机的转动状态，通过查找转矩常数补偿表对直流电机的转矩常数K_t进行补偿：

转矩常数K_t的理想计算公式为：

$K_t=\frac{p}{\mathrm{\α}}\frac{1}{2\mathrm{\π}}\mathrm{N\φ};$

其中，α表示电枢线圈并联支路的对数；p表示电机定子极对数；N表示电机线圈总导体数，φ表示电机每极的磁通量。从中不难看出，对于确定型号的电机来说，α、p和N是常数，但是磁通量φ的数值会随着电机电流、电机温度及电机的制造工艺，即磁钢充磁的均匀性及一致性，发生变化。也就是说，直流电机的转矩常数K_t会受到电机电流、电机温度、电机工作状态和电机制造工艺的影响。如果电机控制算法中仍然按照理想的恒定值的转矩常数K_t来使用，势必无法保证电机输出转矩的准确性。因此本实施例从电机温度、电机电流和电机的转动状态三个方面对转矩常数K_t进行补偿。本实施例是通过转矩常数补偿表在电机控制算法中对转矩常数K_t关于电机温度进行补偿、关于电机电流进行补偿和关于电机转动状态进行补偿。

转矩常数补偿表是直流电机在使用之前进行测量标定而获得的。由于转矩常数正转和反转的不对称性，在本实施例中，将转矩常数补偿表分为正转转矩常数补偿表和反转转矩常数补偿表。

正转转矩常数补偿表是电机处于正转状态时，将直流电机设定在不同的温度和不同的负载(即不同的电流)的情况下，测量标定转矩常数，以确定转矩常数在电机处于正转状态下时随温度和电流变化的曲线。正转常数补偿表通过两种方式获得：一种是在直流电机处于正转状态时，可以通过电机磁钢所用的磁性材料的温度特性来确定补偿系数，然后再检测直流电机在不同负载下的转矩常数，从而确定正转转矩常数补偿表；另一种是将直流电机放置于恒温箱中，并将恒温箱设置在不同的温度；然后在直流电机处于正转状态时，检测直流电机在不同负载下的转矩常数，从而确定正转转矩常数补偿表。图2显示为在电机处于正转状态，电流在10A时，转矩常数K_t随电机温度变化的曲线示意图；图3显示为在电机处于正转状态，温度在-10℃时，转矩常数K_t随电机电流变化的曲线示意图。

反转转矩常数补偿表是电机处于反转状态时，将直流电机设定在不同的温度和不同的负载(即不同的电流)的情况下，测量标定转矩常数，以确定转矩常数在电机处于正转状态下时随温度和电流变化的曲线。反转常数补偿表通过两种方式获得：一种是在直流电机处于反转状态时，可以通过电机磁钢所用的磁性材料的温度特性来确定补偿系数，然后再检测直流电机在不同负载下的转矩常数，从而确定反转转矩常数补偿表；另一种是将直流电机放置于恒温箱中，并将恒温箱设置在不同的温度；然后在直流电机处于反转状态时，检测直流电机在不同负载下的转矩常数，从而确定反转转矩常数补偿表。

步骤S14，依据经过补偿的转矩常数K_t，计算并输出直流电机的输出转矩T：

直流电机的输出转矩T是按照如下公式进行计算的：

T＝I*K_t；

其中，I表示直流电机的电流；K_t为经过补偿的直流电机的转矩常数。最后输出经过上式计算得出的输出转矩T。

通过经过补偿的转矩常数K_t计算输出的直流电机的输出转矩T综合考虑了直流电机受电机工作环境和工作状态，保证了直流电机输出转矩的准确性。图4给出了一个经过本实施例的输出转矩控制方法处理后的输出转矩与目标转矩、实际未经处理的输出转矩的对比示意图。图4中，黑色圆点连成的直线表示目标扭矩；连成的曲线表示实际未经处理的输出扭矩；“x”连成的曲线表示为经过本实施例所述方法处理后的输出转矩。从图4不难看出，经过本实施例所述的方法后，其输出转矩更加接近目标转矩。

需要指出的是，上述方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

实施例2

本实施例公开了一种控制直流电机输出转矩的系统500，如图5所示，包括温度测量模块510、电流测量模块520、标定模块530、存储模块540、补偿模块550、计算输出模块560和判断模块570。其中，

温度测量模块510用于测量直流电机的温度。

电流测量模块520用于测量直流电机的电流。

判断模块570用于判断直流电机的转动状态，包括正转状态和反转状态。

标定模块530用于根据直流电机的型号，在其使用之前，将直流电机置于不同的温度、不同的电流、以及不同的转动状态(正转状态和反转状态)，测量标定直流电机的转矩常数随温度和电流变化的关系的转矩常数补偿表。直流电机的型号一旦确定，其对应的转矩常数补偿表也就是一定的。

存储模块540则用于存储标定模块330所标定的转矩常数补偿表。

补偿模块550用于根据直流电机的当前温度和电流，通过查找直流电机所对应的转矩常数补偿表，对转矩常数K_t进行补偿。

计算输出模块560用于根据经过补偿的转矩常数K_t计算并输出直流电机的输出转矩T。

不难发现，本实施例是与实施例1相对应的系统实施例，本实施例可与实施例1互相配合实施。实施例1中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在实施例1中。

综上所述，本发明的一种控制直流电机输出转矩的方法和系统，是一种使直流电机的输出转矩更为准确的控制方法，其通过前期测试的处于不同转动状态下的电机输出转矩在不同温度及不同电流下的转矩常数的变化数据，在电机控制算法中根据当前电机工作的温度和电机电流，通过查表(或线性拟合)的方式对转矩常数进行补偿，从而保证了不管电机在何种工况下工作都能得到与目标转矩一致的转矩输出，提高了直流电机输出转矩的准确性，进而提高驾驶员的操作手感。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，包括：在所述直流电机运转时，

测量所述直流电机的温度和所述直流电机的电流I；

判断所述直流电机的转动状态；

根据所述直流电机的所述温度、所述电流I和所述转动状态，通过查找转矩常数补偿表对所述直流电机的转矩常数K_t进行补偿；

依据所述转矩常数K_t，计算并输出所述直流电机的输出转矩T：T＝I*K_t。

2.根据权利要求1所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述直流电机的转动状态包括正转状态和反转状态。

3.根据权利要求2所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述直流电机与所述转矩常数补偿表是对应的。

4.根据权利要求3所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述转矩常数补偿表是在所述直流电机使用之前进行测量标定获得。

5.根据权利要求4所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述转矩常数补偿表包括正转转矩常数补偿表和反转转矩常数补偿表。

6.根据权利要求5所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述正转转矩常数补偿表是将处于所述正转状态的所述直流电机设定在不同的温度和不同的负载下，通过测量标定获得的所述转矩常数与温度和电流的变化关系。

7.根据权利要求5所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，所述反转转矩常数补偿表是将处于所述反转状态的所述直流电机设定在不同的温度和不同的负载下，通过测量标定获得的所述转矩常数与温度和电流的变化关系。

8.根据权利要求1所述的控制直流电机输出转矩的方法，其特征在于，对所述转矩常数K_t的所述补偿包括温度补偿、电流补偿和转动状态补偿；其中，所述温度补偿、所述电流补偿和所述转动状态补偿是在电机控制算法中通过查找所述转矩常数补偿表来进行补偿的。

9.一种控制直流电机输出转矩的系统，其特征在于，包括温度测量模块、电流测量模块、标定模块、存储模块、补偿模块、计算输出模块和判断模块；

所述温度测量模块用于测量所述直流电机的温度；

所述电流测量模块用于测量所述直流电机的电流；

所述判断模块用于判断所述直流电机的转动状态；

所述标定模块用于根据所述直流电机的转动状态，通过设定不同的温度和不同负载，测量标定所述直流电机的转矩常数与温度和电流的变化关系的转矩常数补偿表；

所述存储模块用于存储所述转矩常数补偿表；

所述补偿模块用于根据测量获得的所述直流电机的电流和温度，通过查找所述转矩常数补偿表对所述转矩常数进行补偿；

所述计算输出模块用于依据经过补偿的所述转矩常数计算并输出所述直流电机的输出转矩。

10.根据权利要求9所述的控制直流电机输出转矩的系统，其特征在于，所述标定模块测量标定的所述转矩常数补偿表是与所述直流电机一一对应的。