CN114465529B - 一种应用于风机系统的ecm电机的恒力矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，需要先设定电机在恒力矩运行范围内的最高运行转速spd_max_ref和最低运行转速spd_min_ref；以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的上限力矩T_ref_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的下限力矩T_ref_low，T_ref_up>T_ref_low；接收外部输入的力矩命令值Tcom；比较Tcom、T_ref_up和T_ref_low的值，最终确定Tact的值，然后控制电机以Tact为目标转矩值进行恒力矩控制运行；它能全转速范围稳定运行，提升了用户体验体验，提高产品的可靠性；在转速限制临界点相应转速，不会产生震荡。
Description
技术领域
本发明涉及 一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法。
背景技术
目前许多风机系统都采用ECM电机作为动力源，ECM电机简称电子换相电机，也可以称作直流无刷永磁同步电机，因ECM电机使用环境不同，ECM电机的控制模式一般有：恒转速控制、恒力矩控制和恒风量控制等，恒力矩控制是较为常用的模式，目前常用的矢量控制方式，矢量控制数学模型复杂，计算繁琐，需要运算能力较强的CPU，制造成本较高，见申请号为CN201811334775.7、名称为基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法。恒力矩控制也有通过标量控制母线电流的方式进行，如1993年公开的美国专利US5220259(A)，该专利说明书及权利要求披露利用母线电流进行恒力矩控制，但该种控制方式仍然复杂，控制的变量较多,计算繁琐，控制精度较差，又如申请号:CN201510079416.1、申请日:2015.02.12、专利名称为一种ECM电机的恒力矩控制方法，均披露了ECM电机的恒力矩控制方法，只要接收到输入的力矩指令，就能控制电机按输入的力矩指令进行恒力矩控制。
但以上的恒力矩控制方法还存在不足： 对于EMC电机不管采用恒风量还是恒力矩控制模式，都需要对电机运行范围进行合理的控制，以提高用户体验和产品可靠性。比如，当系统静压上升，负载所需的驱动力矩变小，但电机输出恒力矩是不变的，电机在恒力矩控制作用下，负载转速会不断升高，如果不对最高转速进行合理的限制，电机在高速下，会造成噪音振动偏大，影响用户对静音的体验，因为振动大了，会造成机械零部件的疲劳，寿命缩短。相对的，当电机设定恒力矩很小时，静压很小，负载所需的驱动力矩变大，但电机输出恒力矩是不变的，电机转速会过低，影响用户对风量的要求，所以电机在整个恒力矩运行范围内，都需要对最低转速进行限制。在转速限制临界点电机转速会不稳定。
传统的恒力矩控制没有针对以上存在的问题给出一个好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种ECM电机的恒力矩控制方法，解决现有技术中应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，没有对最高转速和最低转速进行限制，电机在高速下，会造成噪音振动偏大，影响用户对静音的体验，因为振动大了，会造成机械零部件的疲劳，寿命缩短，电机转速会过低，影响用户对风量的要求的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法， 其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A：需要先设定电机在恒力矩运行范围内的最高运行转速spd_max_ref和最低运行转速spd_min_ref；
步骤B：以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的上限力矩T_ref_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的下限力矩T_ref_low，T_ref_up>T_ref_low；
步骤C：接收外部输入的力矩命令值Tcom；
步骤D：比较Tcom、T_ref_up和T_ref_low的值以确定进行恒力矩控制的目标转矩Tact；
步骤E：控制电机以Tact为目标转矩值进行恒力矩控制运行。
上述步骤D中，当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom。
上述在步骤B中以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_low；步骤D中当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up，且令interger_up=Tact；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low，且令interger_low=Tact；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom，且令interger_low=Tact，interger_up=Tact。
上述在步骤D 和步骤E之间增加步骤D1：根据转速和最大输出功率计算出最大输出力矩值Tmax，比较Tact与Tmax，若Tact大于Tmax，令Tact=Tmax。
上述的最大输出力矩值Tmax根据ECM电机最大输出功率P_out_max和电机运行转速SPD而得到。
上述利用测功机使ECM电机保持在最大输出功率P_out_max输出状态，然后调节电机运行转速SPD以获得最大输出力矩值Tmax。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：1、电机能在恒力矩控制模式下，全转速范围稳定运行，提升了用户体验体验，提高产品的可靠性；2、电机在转速限制临界点相应转速，不会产生震荡，提高了产品的用户体验。
附图说明
图1 是本发明的ECM电机的立体图；
图2 是本发明的ECM电机的电机控制器的立体图；
图3 是本发明的ECM电机的剖视图；
图4是本发明的ECM电机的电机控制器的电路方框图；
图5 是图4对应的电路图；
图6是本发明的控制流程图；
图7是本发明以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制方框原理图；
图8 是发明以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制方框原理图；
图9是本发明的ECM电机在测功机的实验示意图；
图10是本发明的实验测试效果图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1、图2、图3所示，ECM电机通常由电机控制器2和电机单体1, 所述的电机单体1包括定子组件12、转子组件13和机壳组件11，定子组件13安装在机壳组件11上，电机单体1安装有检测转子位置的霍尔传感器14，转子组件13套装在定子组件12的内侧或者外侧组成，电机控制器2包括控制盒22和安装在控制盒22里面的控制线路板21，控制线路板21一般包括电源电路、微处理器、母线电流检测电路、逆变电路和转子位置测量电路15（即霍尔传感器），电源电路为各部分电路供电，转子位置测量电路检测转子位置信号并输入到微处理器，母线电流检测电路将检测的母线电路输入到微处理器，微处理器控制逆变电路，逆变电路控制定子组件12的各相线圈绕组的通断电。其中母线电流检测电路和转子位置测量电路15是电机运行参数测量电路的组成部分，微处理器通过转子位置测量电路15的检测数据计算电机的实际转速值SPD，当然，实际转速值SPD也可以通过检测电机的线圈绕组的相电流来计算，这些在电机的矢量控制的教课书有记载，在此不再叙述。
如图4、图5所示，假设ECM电机是3相无刷直流永磁同步电机，转子位置测量电路15一般采用3个霍尔传感器，3个霍尔传感器分别检测一个360度电角度周期的转子位置，每转过120度电角度改变一次定子组件12的各相线圈绕组的通电， 形成3相6步控制模式。交流输入（AC INPUT）经过由二级管D7、D8、D9、D10组成的全波整流电路后，在电容C1的 一端输出直流母线电压Vbus,直流母线电压Vbus与输入交流电压有关，交流输入（AC INPUT）的电压确定后，母线电压Vbus是恒定的，3相绕组的线电压Vm是PWM斩波输出电压，Vm=Vbus*w，w是微处理器输入到逆变电路的PWM信号的占空比，改变线电压P可以改变直流母线电流Ibus,逆变电路由电子开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，电子开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制端分别由微处理器输出的6路PWM信号（P1、P2、P3、P4、P5、P6)控制，逆变电路还连接电阻R1用于检测母线电流Ibus，母线电流检测电路将电阻R1的检测母线电流Ibus转换后传送到微处理器。
如图6所示，本发明的一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法， 其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A：需要先设定电机在恒力矩运行范围内的最高运行转速spd_max_ref和最低运行转速spd_min_ref；
步骤B：以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的上限力矩T_ref_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的下限力矩T_ref_low，T_ref_up>T_ref_low；
步骤C：接收外部输入的力矩命令值Tcom；
步骤D：比较Tcom、T_ref_up和T_ref_low的值以确定进行恒力矩控制的目标转矩Tact；
步骤E：控制电机以Tact为目标转矩值进行恒力矩控制运行。
上述步骤D中，当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom。
上述上述在步骤B中以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_low；步骤D中当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up，且令interger_up=Tact；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low，且令interger_low=Tact；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom，且令interger_low=Tact，interger_up=Tact。
上述在步骤D 和步骤E之间增加步骤D1：根据转速和最大输出功率计算出最大输出力矩值Tmax，比较Tact与Tmax，若Tact大于Tmax，令Tact=Tmax。
上述最大输出力矩值Tmax根据ECM电机最大输出功率P_out_max和电机运行转速SPD而得到。
根据电机中功率、力矩与转速的关系，Tmax=P_out_max/SPD ,利用测功机使ECM电机保持在最大输出功率P_out_max输出状态，然后调节电机运行转速SPD以获得最大输出力矩值Tmax,当然电机运行转速SPD在最高运行转速spd_max_ref和最低运行转速和spd_min_ref范围内。最后根据转速和最大输出功率限制来计算出Tmax，对Tact进行限幅，确保电机在限制的功率范围内运行，避免电机功率过大而过热。
本发明的步骤E：控制电机以Tact为目标转矩值进行恒力矩控制运行。知道目标转矩值的恒力矩控制在CN201811334775.7、名称为基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法中已经亦披露，也1993年公开的美国专利US5220259(A)有详细叙述，也在申请号为CN201510079416.1、申请日:2015.02.12、专利名称为一种ECM电机的恒力矩控制方法已经亦披露，虽然以上3个专利的控制策略不同，但都可以实现恒力矩控制，在此不再详细描述。
本发明的核心重点是：根据客户输入的转矩指令，如何进行调节恒力矩控制的目标转矩值，实现能在恒力矩控制模式下，全转速范围稳定运行，提升了用户体验体验，提高产品的可靠性；电机在转速限制临界点相应转速，不会产生震荡，提高了产品的用户体验。
步骤B中，以spd_max_ref为目标值计算PI控制器，实时检测的转速值为spd_est,转速误差为e=spd_max_ref-spd_est，设定PI控制器的比例积分系数Kp 、Ki，见图7所示，PI控制器的输出Kp*e+Ki*∫edt=T_ref_up；Ki*∫edt是积分项值interger_up。 相同的方法以spd_min_ref为目标值计算PI控制器，实时检测的转速值为spd_est,转速误差为e=spd_min_ref-spd_est，设定PI控制器的比例积分系数Kp Ki，见图8所示，PI控制器的输出Kp*e+Ki*∫edt=T_ref_low；Ki*∫edt是积分项值interger_low。这里对积分项进行赋值的原因是防止PI控制器的积分饱和，更快的响应转速PI控制。
本发明选择一款0.5HP 230V ECM电机进行测试验证，该ECM电机采用本发明的恒力矩控制方案，设定为不同的力矩命令，最高转速为1400rpm，最低转速为570rpm，在测功机上对电机进行全程性能测试,见图9所示，验证电机在最高转速和最低转速范围内运行的力矩转速曲线，见图10所示，分别测试力矩值在10、20、30、40的恒力矩控制曲线，基本能在恒力矩控制模式下，全转速范围稳定运行，提升了用户体验体验，提高产品的可靠性；电机在转速限制临界点相应转速，不会产生震荡，提高了产品的用户体验。
Claims (5)
1.一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A：需要先设定电机在恒力矩运行范围内的最高运行转速spd_max_ref和最低运行转速spd_min_ref；
步骤B：以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的上限力矩T_ref_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制得到对应的下限力矩T_ref_low，T_ref_up>T_ref_low；
步骤C：接收外部输入的力矩命令值Tcom；
步骤D：比较Tcom、T_ref_up和T_ref_low的值以确定进行恒力矩控制的目标转矩Tact；当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom；
步骤E：控制电机以Tact为目标转矩值进行恒力矩控制运行。
2.根据权利要求1所述的一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：在步骤B中以spd_max_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_up；以spd_min_ref为参考命令进行恒转速PI控制还得到积分项值interger_low；步骤D中当Tcom大于T_ref_up时，令Tact=T_ref_up，且令interger_up=Tact；当Tcom小于T_ref_low时，令Tact=T_ref_low，且令interger_low=Tact；当Tcom小于T_ref_up且Tcom大于T_ref_low时，令Tact=Tcom，且令interger_low=Tact，interger_up=Tact，积分项值在interger_low或者interger_up选取一个。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：在 步骤D 和步骤E之间增加步骤D1：根据转速和最大输出功率计算出最大输出力矩值Tmax，比较Tact与Tmax，若Tact大于Tmax，令Tact=Tmax。
4.根据权利要求3所述的一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：最大输出力矩值Tmax根据ECM电机最大输出功率P_out_max和电机运行转速SPD而得到。
5.根据权利要求4所述的一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：利用测功机使ECM电机保持在最大输出功率P_out_max输出状态，然后调节电机运行转速SPD以获得最大输出力矩值Tmax。
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