CN106208833B - 直流无刷电机最大恒转扭矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流无刷电机最大恒转扭矩控制方法。包括：在测功机堵转情况下，逐渐提高堵转扭矩并在电机达到设计最大堵转扭矩值时，并通过公式6反推出第一关键参数K_a和第二关键参数K_b；通过不断提高电机的转速直至电机达到设计最大扭矩，同时记录电机转速ω，并根据每一电机转速ω根据公式6反推出该电机转速对应的第二关键参数K_b值，以获取电机转速ω与第二关键参数K_b之间的对应关系；实时获取电机的电机转速ω和母线电压U_dc，并根据第一关键参数K_a和第二关键参数K_b计算当前的占空比；在速度闭环时根据电机当前的占空比及电机的最大占空比限制值控制所述电机工作以使电机以最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

Description

直流无刷电机最大恒转扭矩控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其是指一种直流无刷电机最大扭矩控制方法。

背景技术

直流无刷电机以其控制方法简单、转矩大、节能的优点，在简易工业缝纫机领域应用日益广泛。服装加工领域工况复杂，对堵转转矩有较高的要求，但一般的直流无刷电机控制器没有针对堵转转矩做处理，只有过流保护，无法维持最大转矩，不能满足厚料机等特殊应用场合的要求。

现有的控制堵转转矩的方法一般是增加电流内环控制，引入了电流传感器，增加了成本。同时现有的对控制堵转转矩的方法电流采样精度要求较高，需高性能处理器且实现较复杂。简易工业缝纫机领域目前还在大量应用低价的离合器电机，市场对成本控制的要求较高，需要一种低成本的最大恒扭矩实现方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种直流无刷电机最大扭矩控制方法，能够实现最大恒转矩的稳定输出而不触发过流保护。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种直流无刷电机最大扭矩控制方法，包括：

步骤1、在测功机堵转情况下，逐渐提高堵转扭矩并在电机达到设计最大堵转扭矩值时，并通过公式6反推出第一关键参数K_a和第二关键参数K_b；

通过不断提高电机的转速直至电机达到设计最大扭矩，同时记录电机转速ω，并根据每一电机转速ω根据公式6反推出该电机转速对应的第二关键参数K_b值，以获取电机转速ω与第二关键参数K_b之间的对应关系；

Duty_lim＝(K_a+K_b×ω)/U_dc 公式6

其中Duty_lim为最大占空比限制值，U_dc为电机的母线电压，ω为电机转速；

步骤2、实时获取电机的电机转速ω和母线电压U_dc，并根据第一关键参数 K_a和第二关键参数K_b计算当前的占空比；

步骤3、在速度闭环后根据电机当前的占空比及电机的最大占空比限制值控制所述电机工作以使电机以最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

其中，所述步骤2具体包括：

实时获取电机的电机转速ω和母线电压U_dc，并获取电机的第一关键参数 K_a；

根据当前电机转速ω1确定其对应的第二关键参数K_b的值K_b1，并确定记录中与所述当前电机转速ω1最接近且大于当前电机转速ω1的下一电机转速ω2 对应的第二关键参数K_b的值K_b2，然后根据以下公式计算当前的第二关键参数 K_b：

K_b＝K_b1+ω×(K_b 2-K_b1)/100 公式7。

根据电机转速ω、母线电压U_dc、第一关键参数K_a、第二关键参数K_b，计算电机的占空比。

其中，第一关键参数K_a和第二关键参数K_b为：

K_a＝(T_max/K₄)/(K₃×K₂)

K_b＝K₁/K₂

其中

E＝K₁×ω 公式1

E为反电势有效值，ω为电机转速，K₁为第一待定系数；

V＝K₂×Duty×U_dc 公式2

其中U_dc为母线电压，K₂为第二待定系数，V为端电压有效值，Duty为占空；

I＝K₃×(V-E) 公式3

其中I为电流有效值，K₃为第三待定系数；

T_e＝K₄×I 公式4

其中T_e为扭矩，K₄为第四待定系数。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例中通过采集电机的电机转速信号和母线电压信号，控制器功率输出模块进行最大占空比输出限制，通过限制最大占空比实现限流功能从而保证最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

以下对本发明实施例的原理进行说明。本发明实施例为了获取最大扭矩，需要采集速度信号和母线电压信号，以对控制器功率输出模块进行最大占空比输出限制；通过限制最大占空比实现限流功能从而保证最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

其中该最大占空比输出限制可以根据以下的公式(1)-公式(4)推导得到：

E＝K₁×ω (1)

其中E为反电势有效值，ω为电机转速，K₁为第一待定系数。

而端电压有效值V和占空比Duty成正比，即

V＝K₂×Duty×U_dc (2)

其中U_dc为母线电压，K₂为第二待定系数。

电流有效值I与端电压有效值V与反电势有效值E之间的差值成正比，即：

I＝K₃×(V-E) (3)

其中K₃为第三待定系数。

扭矩T_e和电流有效值I成正比，即

T_e＝K₄×I (4)

其中K₄为第四待定系数。

这样扭矩T_e为最大值T_max时可得此时占空比限制为

Duty_lim＝((T_max/K₄)/(K₃×K₂)+(K₃×(K₁×ω))/(K₃×K₂))/U_dc (5)

上述的公式1-5中，四个待定参数K₁、K₂、K₃、K₄都是与电机相关的参数，在这四个待定参数都确定并且忽略待定参数变化的情况下，就可以按照前述的公式1-5计算出得到最大占空比限制值Duty_lim。但是在实际应用中很难取得完整的四个待定参数，且不同工况下待定参数发生变化也会对结果造成影响。因此本发明实施例通过以下的方法获取最大占空比限制值Duty_lim。

为了简化四个待定参数的获取过程，本发明实时中设定了第一关键参数 K_a和第二关键参数K_b：

其中

K_a＝(T_max/K₄)/(K₃×K₂)

K_b＝K₁/K₂

这样就可以将前述的计算最大占空比限制值Duty_lim的公式(5)简化为：

Duty_lim＝(K_a+K_b×ω)/U_dc (6)

由此可以将获取四个待定参数的问题简化为获取两个关键参数K_a、K_b的问题。

本发明实施例中，可以通过测功机以实现的方式确定两个关键参数K_a和 K_b：

在测功机堵转情况下通过上位机从小到大修正K_a，逐渐提高堵转扭矩并在电机达到设计最大堵转扭矩值时，根据公式(6)反推出K_a值。相同的，通过不断提高电机的转速直至电机达到设计最大扭矩，同时记录电机转速ω，并根据每一电机转速ω根据公式(6)反推出该电机转速对应的第二关键参数K_b值，这样就可以获得电机转速ω与第二关键参数K_b之间的对应关系。

其原理为：在公式(6)中，母线电压U_dc和电机转速ω都是可以通过实际测量得到的，而通过试验也可以获得在不触发过流保护时能够获得最大扭矩稳定输出的最大占空比限制值Duty_lim。在公式(6)中的母线电压U_dc、电机转速ω、最大占空比限制值Duty_lim已知时，可以解公式(6)计算出第一关键参数K_a和第二关键参数K_b。

而在确定第一关键参数K_a和第二关键参数K_b与电机转速ω之间的对应关系之后，就可以通过母线电压U_dc、电机转速ω，利用公式(6)实时计算出当前的占空比，然后控制电机工作的占空比低于最大占空比限制值Duty_lim。这样就可以非常准确的控制电机的最大占空比实现限流功能从而保证最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

而为了使得电机能够工作在最大扭矩下而又不触发过流保护，仅仅以当前的电机转速ω是不够的。因此在本发明实施例中进一步包括：

根据当前电机转速ω1确定其对应的第二关键参数K_b的值K_b1，并确定记录中与所述当前电机转速ω1最接近且大于当前电机转速ω1的下一电机转速ω2 对应的第二关键参数K_b的值K_b2，然后根据以下公式计算当前的第二关键参数 K_b：

K_b＝K_b1+(ω％100)×(K_b2-K_b1)/100 (7)。

这样就可以通过电机速度ω、第一关键参数K_a、第一关键参数K_b、母线电压U_dc，通过以下的公式(6)计算得到最大占空比限制值Duty_lim，并计算当前闭环输出的占空比Duty，限制电机工作在最大占空比限制值Duty_lim以下，使得电机能够工作在最大扭矩下而又不触发过流保护。

具体的，在实际应用中在，可以在速度闭环后通过占空比限制环节实现最大恒转矩的稳定输出而不触发过流保护。即获取电机速度ω、母线电压U_dc，然后获取第一关键参数K_a，并通过电机速度ω确定其对应的第二关键参数K_b参，然后根据公式计算当前的最大占空比限制值Duty_lim，作为占空比限制值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种直流无刷电机最大扭矩控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、在测功机堵转情况下，逐渐提高堵转扭矩并在电机达到设计最大堵转扭矩值时，并通过公式6反推出第一关键参数K_a和第二关键参数K_b；

通过不断提高电机的转速直至电机达到设计最大扭矩，同时记录电机转速ω，并根据每一电机转速ω根据公式6反推出该电机转速对应的第二关键参数K_b值，以获取电机转速ω与第二关键参数K_b之间的对应关系；

Duty_lim＝(K_a+K_b×ω)/U_dc 公式6

其中Duty_lim为最大占空比限制值，U_dc为电机的母线电压，ω为电机转速；

步骤2、实时获取电机的电机转速ω和母线电压U_dc，并根据第一关键参数K_a和第二关键参数K_b计算当前的占空比；

步骤3、在速度闭环后根据电机当前的占空比及电机的最大占空比限制值控制所述电机工作以使电机以最大扭矩稳定输出而不触发过流保护。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机最大扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

实时获取电机的电机转速ω和母线电压U_dc，并获取电机的第一关键参数K_a；

根据当前电机转速ω1确定其对应的第二关键参数K_b的值K_b1，并确定记录中与所述当前电机转速ω1最接近且大于当前电机转速ω1的下一电机转速ω2对应的第二关键参数K_b的值K_b2，然后根据以下公式计算当前的第二关键参数K_b：

K_b＝K_b1+ω×(K_b2-K_b1)/100 公式7

根据电机转速ω、母线电压U_dc、第一关键参数K_a、第二关键参数K_b，计算电机的占空比。

3.根据权利要求1所述的直流无刷电机最大扭矩控制方法，其特征在于，其中，第一关键参数K_a和第二关键参数K_b为：

K_a＝(T_max/K₄)/(K₃×K₂)

K_b＝K₁/K₂

其中

E＝K₁×ω 公式1

E为反电势有效值，ω为电机转速，K₁为第一待定系数；

V＝K₂×Duty×U_dc 公式2

其中U_dc为母线电压，K₂为第二待定系数，V为端电压有效值，Duty为占空；

I＝K₃×(V-E) 公式3

其中I为电流有效值，K₃为第三待定系数；

T_e＝K₄×I 公式4

其中T_e为扭矩，K₄为第四待定系数。