CN202550949U - 一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，包括交流直流转换电路，交流直流转换电路的输入直接连接230V/50Hz的相线和零线，其输出分别与逆变模块和开关电源模块的输入连接，开关电源模块与输入电压检测模块连接，输入电压检测模块与中央处理器连接，中央处理器的输入与模拟量接收模块连接，逆变模块连有母线电流采集模块，母线电流采集模块输出与中央处理器相连，中央处理器通过逆变模块与直流无刷电机连接，直流无刷电机连有位置传感模块，位置传感模块连有中央处理器，直流无刷电机的轴上设有风机。实用新型有益的效果是：该装置可以在不需要任何传感器和外置控制器的前提下，实现恒风量控制，而且对不同类型的风机都适用。

Description

一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置

技术领域

本实用新型涉及直流无刷电机的风量控制，尤其是一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，空调系统的舒适性逐渐被人们所重视。恒风量控制是一种在通风空调系统管网阻力变化的情况下，控制风机转速以维持恒定的风量输出的控制方法，运用此技术的新型空调系统正在高速发展中。

发明内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，包括交流直流转换电路，交流直流转换电路的输入直接连接230V/50Hz的相线和零线，其输出分别与逆变模块和开关电源模块的输入连接，开关电源模块与输入电压检测模块连接，输入电压检测模块与中央处理器连接，中央处理器的输入与模拟量接收模块连接，逆变模块连有母线电流采集模块，母线电流采集模块输出与中央处理器相连，中央处理器通过逆变模块与直流无刷电机连接，直流无刷电机连有位置传感模块，位置传感模块连有中央处理器，直流无刷电机的轴上设有风机。

作为优选，所述中央处理器是8位MCU，工作电压5V，使用内部RC振荡器，且含有如下外设：10位AD转换器，六路自带可控死区功能的互补PWM波输出。

作为优选，所述交流直流转换电路中包含有交流滤波电路，整流电路、直流无波电路、防静电电路和防过流电路。

作为优选，所述开关电源模块采用高性能电流模式控制器。

作为优选，所述位置传感模块是嵌入在直流无刷电机内部的三个霍尔传感器。

实用新型有益的效果是：该装置可以在没有任何外界传感器反馈的基础上，使风机的输出风量基本达到恒定状态。在直流无刷电机特有机械特性的基础上结合驱动器的恒转矩控制方法，以及风机系统固有的负载特性——负载转矩与转速成平方关系，使系统具有自动补偿的功能。由于该装置没有专用的恒风量控制器，也不需要静压传感器、流量传感器或风速传感器，仅直流无刷电机的驱动器就可以完成很风量输出的要求，而且可以根据风机系统的尺寸要求，即可以将直流无刷电机本体单独安装，也可以将直流无刷电机本体和驱动器合并后安装，所以系统成本大幅度的减少，且工程安装也十分的方便。

附图说明

图1是本实用新型硬件实现整体方框示意图。

图2是本实用新型软件原理方框示意图。

附图标记说明：交流直流转换电路1，开关电源模块2，输入电压检测模块3，模拟量接收模块4，中央处理器5，逆变模块6，直流无刷电机7，风机8，母线电流采集模块9，位置传感模块10。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

实施例：如图1所示，这种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，包括交流直流转换电路1，它有交流滤波电路，整流电路、直流无波电路、防静电电路和防过流电路。交流直流转换电路1的输入直接连接230V/50Hz的相线和零线，其输出分别提供给逆变模块6和开关电源模块2的输入，开关电源模块2为所有模块提供稳定的直流电源，采用高性能电流模式控制器。

输入电压检测模块3和中央处理器5相连，输入电压检测模块3通过检测开关电源模块2的其中一个绕组的反相电压，从而得知母线电压的电压值，同时折算出输入电源的有效值。输入电压检测模块3利用开关电源的特性，5V线圈的占空比反相端整流滤波后，再经过调理电路直接供MCU内含的AD转换器采集，以此软件就可以折算出母线电压或输入电压，为后续的直流无刷电机7恒功率控制做准备。

模拟量接收模块4和中央处理器相连5，用于接收用户对风量的指令，是整个系统的设定值，一旦该值确定，直流无刷电机7的运行速度、功率等都为之确定。中央处理器5是8位MCU，工作电压5V，使用内部RC振荡器，且含有如下外设：10位AD转换器，六路自带可控死区功能的互补PWM波输出。

母线电流采集模块9的输入是采样电阻两端的电压，输出与中央处理器5相连。母线电流采集模块9通过采集跨接在逆变模块6的强电出线端到直流母线地线之间采样电阻两端的电压，经相应的信号调理后送入中央处理器5的AD转换器输入端，从而软件可以识别电机的运行电流，为直流无刷电机7的恒功率运行做准备。

直流无刷电机7连有位置传感模块10，位置传感模块10连有中央处理器5。位置传感模块10是嵌入在直流无刷电机7内部的三个霍尔传感器，经过电压变化后连接到中央处理器5的定时器捕获端口，软件通过该信号获得直流无刷电机转子的绝对位置。

逆变模块6接收来自中央处理器5的6路驱动信号，输出直接与直流无刷电机7的相线连接，通过该模块后变成强电信号从而驱动直流无刷电机7运行。直流无刷电机7的的轴直接安装风机8。直流无刷电机7是整个系统的执行机构，将电能转换成机械能。风机8利用直流无刷电机7的机械能，通过空气动力学原理使静止的空气按一定的规律运动起来。

由于本方案不使用任何风量、风速、压力之类的传感器，为了实现恒风量，首先要对该风机和管网系统在出厂前做一次全面测试，得到该风机管网系统的特性数据，主要包含该系列的风机管网中电机在相应速度下的运行电流。该方案是将高压直流无刷电机工作于恒电流控制运行模式下，由于直流无刷电机的转矩与电流成正比(Te＝KI)，在输入电压不变的情况下，电流与功率成正比(Te＝KI)，所以电机转矩与输入功率也成正比关系，即Te＝KP。电机转矩与电机转速的乘积等于电机功率，T*N＝9550*P，所以当电机工作于恒转矩模式时，当负载转矩不变的情况下，电机的转速稳定不变，当负载转矩变大时，电机的转速就变小，当负载转矩变小时，电机的转速就变大。电机的这个特性正好与风机的恒风量特性互补，只要在细节上再做微调即可以实现很风量了。

控制原理：软件根据用户设定的风量，首先计算出该风量下，电机的运行电流，如果风机管网系统处于理想状态，那么软件只要控制电机的电流使得和该风量下的设定电流一直就可以了。当风机管网特性发生变化时，管网阻力变大，导致风机的负载转矩变小，由电机特性知此时的电机的转速会增加，风机产生的风速也就同时增加，系统就是通过这个原理来补偿风量的，但由于两者之间是非线性关系，风量补偿还没有完全的到位，这时就需要通过另外一个闭环系统(速度环)来实现。软件整体框图如图2所示。

在给定风量不变的情况下，当管网系统发生变化后，风机转速从n1改变到n2，n2和给定风量下的所查到的理想转速做比较，由此来判断，系统是否需要额外的转速补偿以达到恒风量的状态。该速度补偿算法是本系统的核心算法，与风机、管网系数、电机特性、空气温湿度和气压等多个参数有关，经过理论计算与实际测试后，最终得到简化公式为(n2-n)*m％，n2为电机实际转速，n为某一速度段内的基本速度，m％为需要提升的百分数。这里n的段数越多，最总的风量误差越小。根据实验测得大于三段，风量的波动已经很小了，人体感觉舒适。

本控制系统集成于直流无刷电机驱动器于一体，所以硬件系统完全与直流无刷驱动器一模一样，这样即可以省很大一部分的成本，同时也方便后续的工程安装，避免了复杂的走线。本系统在更换风机和管网系统时，只要简单改变系统的几个设置，就可以满足要求，而不需要在单独的研发一款，便于风机成系列出厂。

结合目前先进的高压直流无刷电机，可以在不需要任何传感器和外置控制器的前提下，实现恒风量控制，而且对不同类型的风机都适用。本系统结合风机和管网系统的特点、性能，并基于伯努利方程，得到风机稳定工作的工作点。通过对风机管网阻力，包括沿程阻力和局部阻力的介绍，提出一种新的风机恒风量控制方法。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，包括交流直流转换电路(1)，其特征是：交流直流转换电路(1)的输入直接连接230V/50Hz的相线和零线，其输出分别与逆变模块(6)和开关电源模块(2)的输入连接，开关电源模块(2)与输入电压检测模块(3)连接，输入电压检测模块(3)与中央处理器(5)连接，中央处理器(5)的输入与模拟量接收模块(4)连接，逆变模块(6)连有母线电流采集模块(9)，母线电流采集模块(9)输出与中央处理器(5)相连，中央处理器(5)通过逆变模块(6)与直流无刷电机(7)连接，直流无刷电机(7)连有位置传感模块(10)，位置传感模块(10)连有中央处理器(5)，直流无刷电机(7)的轴上设有风机(8)。

2.根据权利要求1所述的基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，其特征是：所述中央处理器(5)是8位MCU，工作电压5V，使用内部RC振荡器，且含有如下外设：10位AD转换器，六路自带可控死区功能的互补PWM波输出。

3.根据权利要求1所述的基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，其特征是：所述交流直流转换电路(1)中包含有交流滤波电路，整流电路、直流无波电路、防静电电路和防过流电路。

4.根据权利要求1或2所述的基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，其特征是：所述开关电源模块(2)采用高性能电流模式控制器。

5.根据权利要求1或2所述的基于转矩补偿的直流无刷电机恒风量控制装置，其特征是：所述位置传感模块(10)是嵌入在直流无刷电机(7)内部的三个霍尔传感器。

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