CN108282057B - 一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ecm电机及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机及方法，涉及电机领域；由于母线电流容易产生波动，降低了控制的精确度。本发明包括电机、用于控制电机工作的控制器，所述的电机为存在磁阻转矩的磁钢插入式电机，电机的壳体与控制器一体设置或分体设置；所述的控制器设有用于存储磁链λ_d与I_d、I_q之间关系的d轴磁链电机参数表和用于存储λ_q与I_d、I_q之间关系的q轴磁链电机参数表的存储模块，控制器通过存储模块中的电机参数表数据，通过查表法可以方便精确的实现恒转矩控制，并且不需要母线电流采样，使控制更精确，也降低了成本。

Description

一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机及方法

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其指一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机及方法。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，对暖通领域产品如空调等的技术要求如节能环保、智能化、噪音小等也日趋严格，行业竞争激烈，而传统的电机控制系统表现为低效，耗能、智能程度低等特点，因此要解决上述问题无疑成为技术关键所在。

暖通行业内，一般称通过电子换相实现直流无刷电机BLDC或永磁同步电机PMSM控制的系统为ECM电机控制系统。ECM电机控制系统较多地应用于通风系统中，根据客户需求，一般有恒转速、恒转矩和恒风量控制，且每种控制方式的算法也呈现多样性，恒转矩控制比较通用的为矢量控制方式，也有利用其它算法进行控制的，如见2015年公开的中国专利CN104579044A，该专利说明书及权利要求披露根据目标力矩值T0和PWM信号斩波输出电压P值，利用实验手段建立的函数Itad=F(T,P)计算出目标母线电流Itad，然后结合实时检测到的母线电流Ibus进行闭环控制。但该种控制方式需要采样母线电流，而母线电流容易产生波动，进而降低了控制的精确度，且增加成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机及方法，以实现更精确的控制为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机，包括电机、用于控制电机工作的控制器，所述的电机为存在磁阻转矩的磁钢插入式电机，电机的壳体与控制器一体设置或分体设置；所述的控制器设有用于存储磁链λ_d与I_d、I_q之间关系的d轴磁链电机参数表和用于存储λ_q与I_d、I_q之间关系的q轴磁链电机参数表的存储模块。控制器通过存储模块中的d轴磁链和q轴磁链的参数关系和数据，可以方便精确的实现恒转矩控制，并且不需要母线电流采样，使控制更精确，也降低了成本。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的电机本体后端设有后盖罩，电机本体的输出轴位于电机本体前端，电机本体前端设有风机，所述的驱动器置于电机本体后端的后盖罩内，并与后盖罩固接；电源线和通信线通过接线端子与位于后盖罩内的驱动器连接。ECM电机的一体化结构优化，使体积更小，散热和防护效果更好。

所述的后盖罩为金属件，其外侧面设有多条散热筋。金属传热效果好，通过设置散热筋，散热效果更好。

所述的驱动控制器包括逆变器模块、母线电容，所述的逆变器模块通过散热紧固件及高导热系数的矽胶片固定在后盖罩内表面，便于传导热量给后盖罩，实现较好的散热效果。

所述的母线电容通过高导热系数的灌封胶固定在控制器上，通过高导热系数的灌封胶固定，增大了导热接触面，使导热效果更好，并且固定更牢固，增加母线电容的使用寿命。

所述的后盖罩设有缺口，所述的缺口处设有接线端子，所述的接线端子穿过后盖罩与控制器相连，有效地提升了防护等级，防护效果好；安装方便，结构简单。

本发明的另一个目的是提供一种恒转矩控制方法，其包括以下步骤：

步骤a).建立电机磁链λ_d、λ_q和电流I_d、I_q的关系；包括d轴磁链电机参数表：磁链λ_d与I_d、I_q的二维数组，q轴磁链电机参数表：λ_q与I_d、I_q的二维数组，并将d轴磁链电机参数表、q轴磁链电机参数的二维数组存入主控芯片，作为转矩计算时查表用；

步骤b). 控制器实时采样电机电流I_a、I_b，I_c电流通过电阻或电流传感器进行采样；

步骤c). 根据电机模型估算或位置传感器检测转子角度θ，并对三相电流I_a、I_b、I_c进行Clarke坐标转换至I_α、I_β，然后根据步骤c得到的角度θ对I_α、I_β进行Park坐标转换至I_d、I_q；

步骤d). 根据I_d、I_q查找步骤a）中建立的二维数组表，分别得出λ_d、λ_q的值；

步骤e). 获得的λ_d、λ_q的值通过Park坐标逆转换，转换为λ_α、λ_β；

步骤f). 根据转矩公式T_e=3/2*P*(λ_α*I_β- λ_β*I_α)计算转矩，其中P为电机极对数，再通过低通滤波获得平滑的转矩值，然后再回到步骤b继续进行电流采样。与恒转矩控制的常用模式即矢量控制相比，查表法计算简单且精度较高，对芯片运算负载要求低，运行可靠稳定，工作效率高。

当ECM电机用于暖通空调时，在风口被堵或者阻力变大时，电机进行恒转矩控制，以达到用户近似恒风量输出的要求。恒转矩控制实现系统的自动转速调节，以实现几乎是恒定风量的输出。

控制器实时采样电机电流时，通过三个电阻或二个电阻或单个电阻或电流传感器进行采样。便于根据不同的应用情况采用合适数量的采样电阻或采用电流传感器采样。

步骤a)建立d轴磁链电机参数表、q轴磁链电机参数表的步骤包括：

a1）确定强制输入系统的电流范围， I_min~I_max，并将I_min~I_max分为N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN；

a2）强制输入阶梯电流I_sx(X=1~N)，并利用转子角度θ进行坐标转换，使得到dq轴电流I_dx、I_qx；

a3）根据电压方程积分得到dq轴磁链λ_dx、λ_qx，利用步骤a2）的电流和步骤a3）的电压数据分别得到d轴磁链电机参数表即磁链λ_dx与I_dx、I_qx的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_qx与I_dx、I_qx的二维数组；

a4）判断是否完成N个阶梯的标定，若没有完成成N个阶梯的标定，则重新回到步骤a2)，使完成N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN的标定；然后整理成两组总的二维数据表λ_d与I_d、I_q的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_q与I_d、I_q的二维数组；

a5）完成N个阶梯的标定后，二维数组表内相邻数据间通过线性插值法实现数据优化；上述的二维数据制作完成后，便将此存于主控芯片中，用于计算电磁转矩时查表使用。可方便的获得d轴磁链电机参数表和q轴磁链电机参数表数据，该数据为离散型数据，相比连续型数据，离散型数据在计算转矩时可直接查表，通过该方法多次实验，可信度和精确度高，抵抗了磁饱和现象和电感的非线性。

有益效果：

1、可方便实现基于精确磁链查表法的恒转矩控制，数学模型简单，减少芯片运算负载，降低芯片成本，且工作效率高，另外，离散型数据取值越密，转矩波动越小。

2、二维数组表为离散型数据，相比连续型数据，离散型数据在计算转矩时可直接查表，通过该方法多次实验，可信度和精确度高，抵抗了磁饱和现象和电感的非线性。

3、二维数组表通过多次实验获取，可信度和精确度高，其转矩精度在3%以内，能够有效确保控制的可靠性。

4、通过在结构上的一体化优化，体积更小，实现了更好的散热和防护效果，提升了电机寿命。

附图说明

图1是本发明ECM电机模块示意图。

图2是本发明电机爆破示意图。

图3是本发明恒转矩控制方法流程图。

图4是本发明d轴电流和d轴磁链关系图。

图5是本发明q轴电流和q轴磁链关系图。

1-电机本体；2-驱动控制器；3-存储模块；4-逆变器模块；5-母线电容；6-矽胶片；7-接线端子；8-后盖罩；9-输出轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1-2所示，一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机，包括电机、用于控制电机工作的驱动控制器2，电机为存在磁阻转矩的磁钢插入式电机，电机的壳体与驱动控制器2一体设置或分体设置；驱动控制器2设有用于存储磁链λ_d与I_d、I_q之间关系的d轴磁链电机参数表和用于存储λ_q与I_d、I_q之间关系的q轴磁链电机参数表的存储模块3。

为了实现较小的体积和较好的散热和防护效果，电机本体1后端设有后盖罩8，电机本体1的输出轴9位于电机本体1前端，电机本体1前端设有风机，驱动控制器2置于电机本体1后端的后盖罩8内，并与后盖罩8固接；电源线和通信线通过接线端子7与位于后盖罩8内的驱动控制器2连接。ECM电机的一体化结构优化，使体积更小，散热和防护效果更好。

为了实现更好的散热效果，后盖罩8为金属件，其外侧面设有多条散热筋。金属传热效果好，通过设置散热筋，散热效果更好。

为了使驱动控制器2实现较好的散热效果，驱动控制器2包括逆变器模块4、母线电容5，逆变器模块4通过连接件固设于后盖罩8上，实现较好的散热效果。

为了便于传导热量给后盖罩，实现较好的散热效果。所述的驱动控制器2包括逆变器模块4、母线电容5，所述的逆变器模块4通过散热紧固件及高导热系数的矽胶片6固定在后盖罩8内表面；所述的母线电容5通过高导热系数的灌封胶固定在驱动控制器2上。

为了使驱动控制器2的散热效果更好，母线电容5通过高导热系数的灌封胶固定在控制器上2。通过高导热系数的灌封胶固定，增大了导热接触面，使导热效果更好，并且固定更牢固，增加母线电容5的使用寿命。

为了有效地提升防护效果并实现较方便的安装，后盖罩8设有缺口，接线端子7穿过后盖罩8与驱动控制器2相连，防护效果好，安装方便，结构简单。

如图3所示，一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机的恒转矩控制方法，具体实施过程如下：

A). 利用实验手段建立电机磁链λ_d、λ_q和电流I_d、I_q的关系即d轴磁链电机参数表磁链λ_d与I_d、I_q的二维数组和q轴磁链电机参数表λ_q与I_d、I_q的二维数组。并将此二维数组存入主控芯片，作为转矩计算时查表用。

B). 实时采样电机电流，电流可通过三电阻或单电阻或电流传感器进行采样。根据电机模型估算或位置传感器检测转子角度θ。

C). 对三相电流I_a、I_b、I_c进行Clarke坐标转换至I_α、I_β，然后根据转子角度θ计算得到的角度对I_α、I_β进行Park坐标转换至I_d、I_q。

D). 根据I_d、I_q查找二维数组表，得出λ_d、λ_q的值，查找数组表时，如果表中没有相同的I_d和I_q值，则可以对I_d和I_q进行逼近比较法，即当I_d,I_q的值处在两个相邻数据间时，则分别比较相邻两个数据与I_d、I_q之间的差值，选择逼近差值小的λ_d和λ_q,对λ_d和λ_q进行park逆变换至λ_α和λ_β。

E). 根据转矩公式T_e=3/2*P*(λ_α*I_β- λ_β*I_α)计算转矩，其中P为电机极对数，再通过低通滤波获得平滑的转矩值，然后再回到步骤b继续进行电流采样。与恒转矩控制的常用模式即矢量控制相比，查表法计算简单且精度较高，对芯片运算负载要求低，运行可靠稳定，工作效率高。

为了实现恒定风量的输出，当ECM电机用于暖通空调时，在风口被堵或者阻力变大时，电机进行恒转矩控制，以达到用户近似恒风量输出的要求。恒转矩控制实现系统的自动转速调节，以实现几乎是恒定风量的输出。

如图4-5所示的d轴和q轴的电流与磁链关系图，建立d轴磁链电机参数表、q轴磁链电机参数表的过程如下：

A1）确定强制输入系统的电流范围，如I_min~I_max，并将I_min~I_max分为N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN，N根据精度要求确定具体值，N越大精度越高；

A2）强制输入阶梯电流I_sx(X=1~N)，并利用转子角度θ进行坐标转换，使得到dq轴电流I_dx、I_qx；

A3）根据电压方程积分得到dq轴磁链λ_dx、λ_qx，利用步骤A2）的电流和本步骤的电压数据分别得到d轴磁链电机参数表即磁链λ_dx与I_dx、I_qx的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_qx与I_dx、I_qx的二维数组；

A4）重新回到步骤A2），使完成N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN的标定，然后整理成两组总的二维数据表λ_d与I_d、I_q的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_q与I_d、I_q的二维数组；

A5）二维数组表内相邻数据间可通过线性插值等方法实现数据优化。上述的二维数据制作完成后，便将此存于主控芯片中，用于计算电磁转矩时查表使用。

可方便的获得d轴磁链电机参数表和q轴磁链电机参数表数据，该数据为离散型数据，相比连续型数据，离散型数据在计算转矩时可直接查表，通过该方法多次实验，可信度和精确度高，抵抗了磁饱和现象和电感的非线性。

本实例中，驱动控制器2实时采样电机电流时，通过电流传感器进行采样。

以上图1-5所示的一种基于精确磁链查表法进行恒转矩控制的ECM电机及方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，ECM电机包括电机本体（1）、用于控制电机工作的驱动控制器（2），所述的电机为存在磁阻转矩的磁钢插入式电机，电机的壳体与驱动控制器（2）一体设置或分体设置；其特征在于：所述的驱动控制器（2）设有用于存储磁链λ_d与I_d、I_q之间关系的d轴磁链电机参数表和用于存储λ_q与I_d、I_q之间关系的q轴磁链电机参数表的存储模块（3）；

建立d轴磁链电机参数表、q轴磁链电机参数表的步骤包括：

a1）确定强制输入系统的电流范围， I_min~I_max，并将I_min~I_max分为N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN；

a2）强制输入阶梯电流I_sx(X=1~N)，并利用转子角度θ进行坐标转换，使得到dq轴电流I_dx、I_qx；

a3）根据电压方程积分得到dq轴磁链λ_dx、λ_qx，利用步骤a2）的电流和步骤a3）的电压数据分别得到d轴磁链电机参数表即磁链λ_dx与I_dx、I_qx的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_qx与I_dx、I_qx的二维数组；

a4）判断是否完成N个阶梯的标定，若没有完成成N个阶梯的标定，则重新回到步骤a2)，使完成N个阶梯I_s1、I_s2、I_s3…I_sN的标定；然后整理成两组总的二维数据表，即λ_d与I_d、I_q的二维数组和q轴磁链电机参数表即磁链λ_q与I_d、I_q的二维数组；

a5）完成N个阶梯的标定后，二维数组表内相邻数据间通过线性插值法实现数据优化；上述的二维数据表制作完成后，便将此存于主控芯片中，用于计算电磁转矩时查表使用。

2.根据权利要求1所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：所述的电机本体（1）后端设有后盖罩（8），电机本体（1）的输出轴（9）位于电机本体（1）前端，电机本体（1）前端设有风机，所述的驱动控制器（2）置于电机本体（1）后端的后盖罩（8）内，并与后盖罩（8）固接；电源线和通信线通过接线端子（7）与位于后盖罩（8）内的驱动控制器（2）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：所述的后盖罩（8）为金属件，其外侧面设有多条散热筋。

4.根据权利要求3所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：所述的驱动控制器（2）包括逆变器模块（4）、母线电容（5），所述的逆变器模块（4）通过散热紧固件及高导热系数的矽胶片（6）固定在后盖罩（8）内表面；所述的母线电容（5）通过高导热系数的灌封胶固定在驱动控制器（2）上。

5.根据权利要求4所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：所述的后盖罩（8）设有缺口，所述的缺口处设有接线端子（7），所述的接线端子（7）穿过后盖罩（8）与控制器相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤a).建立电机磁链λ_d、λ_q和电流I_d、I_q的关系；包括d轴磁链电机参数表：磁链λ_d与I_d、I_q的二维数组，q轴磁链电机参数表：λ_q与I_d、I_q的二维数组，并将d轴磁链电机参数表、q轴磁链电机参数的二维数组存入主控芯片，作为转矩计算时查表用；

步骤b). 驱动控制器（2）实时采样电机电流I_a、I_b，I_c电流通过电阻或电流传感器进行采样；

步骤c). 根据电机模型估算或位置传感器检测转子角度θ，并对三相电流I_a、I_b、I_c进行Clarke坐标转换至I_α、I_β，然后根据步骤c得到的角度θ对I_α、I_β进行Park坐标转换至I_d、I_q；

步骤d).根据I_d、I_q查找步骤a）中建立的二维数组表，分别得出λ_d、λ_q的值；

步骤e).获得的λ_d、λ_q的值通过Park坐标逆转换，转换为λ_α、λ_β；

步骤f).根据转矩公式T_e=(3/2)*P*(λ_α*I_β- λ_β*I_α)计算转矩，其中P为电机极对数，再通过低通滤波获得平滑的转矩值，然后再回到步骤b继续进行电流采样。

7.根据权利要求6所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：当ECM电机用于暖通空调时，在风口被堵或者阻力变大时，电机进行恒转矩控制，以达到用户近似恒风量输出的要求。

8.根据权利要求6所述的一种基于精确磁链查表法的ECM电机恒转矩控制方法，其特征在于：驱动控制器（2）实时采样电机电流时，通过三个电阻或二个电阻或单个电阻或电流传感器进行采样。