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CN105991071B - 一种ecm电机的恒力矩控制方法 - Google Patents

一种ecm电机的恒力矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ECM电机的恒力矩控制方法，它包括如下步骤：步骤A)获取外部输入目标力矩值T0；步骤B)微处理器获取当前的转速值rmp；步骤C)微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad；步骤D)微处理器根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制。该恒力矩控制方法数学模型简单，算法简洁，对CPU运算要求不高，成本较低，控制精度较高。

Description

一种ECM电机的恒力矩控制方法
技术领域：
本发明涉及一种ECM电机的恒力矩控制方法。
背景技术：
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。恒力矩控制也有通过标量控制母线电流的方式进行，如见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。
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，它数学模型简单，算法简洁，对CPU运算要求不高，成本较低，控制精度较高。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种ECM电机的恒力矩控制方法，所述的ECM电机具有定子组件、转子组件、机壳组件以及电机控制器，所述的电机控制器包括微处理器、逆变电路和电机运行参数测量电路，电机运行参数测量电路将电机的运行参数输入到微处理器，微处理器输出一定占空比的PWM信号以控制逆变电路，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组工作，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A)获取外部输入目标力矩值T0；
步骤B)若电机处于停机状态，运行电机，微处理器取得初始的转速值rmp，若电机处于运转状态，微处理器获取当前的转速值rmp；
步骤C)微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad，其中T是电机输出的力矩值；
步骤D)微处理器根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制，若目标母线电流值Itad大于实时母线电流Ibus，增加微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad小于实时母线电流Ibus，减少微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等，停止调节微处理器输出的PWM信号，ECM电机进入工况状态，然后回到步骤B)继续进行恒力矩控制状态。
上述所述的目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等是指实时母线电流Ibus偏离目标母线电流值Itad的误差在1％范围内。
上述所述的步骤C)的函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B,其中C为常数，A＝f1(T),B＝f2(T),也就是说A、B都是电机输出的力矩值T的函数。
上述所述的A、B都是电机输出的力矩值T的一阶函数。
上述所述的函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B是利用实验手段建立的恒力矩控制模式下的母线电流计算函数，并存储在微处理器里面。
上述所述的A＝K0+K1*T,其中K0、K1是测量出来的常数，T是电机输出力矩；B＝D0+K0+K1*T，其中D0常数，T是电机输出力矩。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：1)利用实验手段建立的恒力矩控制模式下的母线电流计算函数Itad＝C×(rmp+A)/B，其中A、B都是电机输出的力矩值T的一阶函数，数学模型简单，微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad，根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制，若目标母线电流值Itad大于实时母线电流Ibus，增加微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad小于实时母线电流Ibus，减少微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等，停止调节微处理器输出的PWM信号，它控制变量数目少，数学模型简单，可以采用运算能力不高的CPU或者MCU等微处理器，从而大大降低产品成本，同时，闭环控制以及实验手段的充分测量，有效保障控制的精度。2)实验中，只要测量3个力矩点对应的直流母线电流和转速数据就可以得到恒力矩控制模式下的母线电流计算函数Itad＝C×(rmp+A)/B，方便简单，并且经过论证，得到的恒力矩控制模式下的母线电流计算函数Itad＝C×(rmp+A)/B的控制精度较高。
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ECM电机与测工机的连接示意图。
图7是本发明的恒力矩控制方法的控制流程图。
图8是本发明的调整系数与设定力矩的关系曲线图。
图9是本发明的调整系数与设定力矩的关系曲线图。
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14(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14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14的检测数据计算电机的实际转速值rmp，当然，转速值rmp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14一般采用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7所示，本发明的一种ECM电机的恒力矩控制方法，所述的ECM电机具有定子组件、转子组件、机壳组件以及电机控制器，所述的电机控制器包括微处理器、逆变电路和电机运行参数测量电路，电机运行参数测量电路将电机的运行参数输入到微处理器，微处理器输出一定占空比的PWM信号以控制逆变电路，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组工作，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A)获取外部输入目标力矩值T0；
步骤B)若电机处于停机状态，运行电机，微处理器取得初始的转速值rmp，若电机处于运转状态，微处理器获取当前的转速值rmp；
步骤C)微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad，其中T是电机输出的力矩值；
步骤D)微处理器根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制，若目标母线电流值Itad大于实时母线电流Ibus，增加微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad小于实时母线电流Ibus，减少微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等，停止调节微处理器输出的PWM信号，ECM电机进入工况状态，然后回到步骤B)继续进行恒力矩控制状态。
上述所述的目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等是指实时母线电流Ibus偏离目标母线电流值Itad的误差在1％范围内。
上述所述的步骤C)的函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B,其中C为常数，A＝f1(T),B＝f2(T),也就是说A、B都是电机输出的力矩值T的函数。
上述所述的A、B都是电机输出的力矩值T的一阶函数。
上述所述的函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B是利用实验手段建立的恒力矩控制模式下的母线电流计算函数，并存储在微处理器里面。
上述所述的A＝K0+K1*T,其中K0、K1是测量出来的常数，T是电机输出力矩；B＝D0+K0+K1*T，其中D0常数，T是电机输出力矩。
如图6所示，选择本公司开发的某一型号的ECM电机一台(档位转速范围325转/分至1400转/分，最大力矩是30牛·米)，在开环方式下，通过测功机测试ECM电机在不同转速和不同力矩所对应的直流母线电流，实验中我们只选定两档转速：325转/分和825转/分和3个定点力矩值，然后在转速在325转/分下的3个定点的力矩值，同样，在转速在825转/分下的3个定点的力矩值，测试结构如下表所示的例子。
表1
如图8所示，由于在恒力矩模式下，不同的转速下力矩是不变的，只是直流母线电流有不同，那么，力矩大小应该与电流成正比，与转速成反比，我们引入一个调整系数A，我们可以定义：力矩T＝Kn×Itad/(rmp+A),Kn是系数,将上述的测试点1和4、2和5、3和6组合得到3个方程：
Itad1/(rmp1+A1)＝Itad4/(rmp2+A1)；--------(1)
Itad2/(rmp1+A2)＝Itad5/(rmp2+A2)；
Itad3/(rmp1+A3)＝Itad6/(rmp2+A3)；
将表1的Itad1、Itad2、Itad3、Itad4、Itad5、Itad6、rmp1和rmp2代入上述的3个公式求的在恒力矩T1＝30时调整系数A1，在恒力矩T2＝20时调整系数A2，在在恒力矩T3＝10时调整系数A3。如图9所示，通过建立一个调整系数与力矩的坐标，然后通过描点模拟出调整系数A与力矩T的曲线关系，当然描点越多，越精确，可以用函数A＝K0+K1*T+K2*T2+K3*T3·····描述曲线，但实际中我们可以假设调整系数A与力矩T是线性关系(所以测试3个力矩点就可以了)，即A＝K0+K1*T，K0相当于电机输出的最小力矩，K1是直线的斜率，A＝f1(T),即A是关于力矩T的函数。那么我们根据定义方程(1)可以演化出在恒力矩模式下任意转速对应的电流值：Itad/(rmp+A)＝Itad4/(rmp2+A)，其中我们的实验测得rmp2是在825转/分，Itad4也是已知，得到Itad＝【Itad4/(rmp2+A)】×(rmp+A)，我们定义B＝D0+A，D0＝rmp2是常数，由于A是力矩T的函数，那么B也是力矩T的函数，B＝f2(T)；令系数C＝Itad4,得到恒力矩控制函数的母线电流计算方程：Itad＝C×(rmp+A)/B。
然后通过在微处理器编写程序可以进行恒力矩控制，若电机处于停机状态，运行电机，微处理器取得初始的转速值rmp，若电机处于运转状态，微处理器获取当前的转速值rmp；微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad，其中T是电机输出的力矩值；微处理器根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制，若目标母线电流值Itad大于实时母线电流Ibus，增加微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad小于实时母线电流Ibus，减少微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等，停止调节微处理器输出的PWM信号。
在开环方式下，通过测功机测试ECM电机在不同转速和不同力矩所对应的直流母线电流，形成N组测试数据，测试的不同力矩点的数据越多，即测试点越多，得到的函数Itad＝C×(rmp+A)/B精度越高，需要根据控制精度来抉择测试点的数量和范围。

Claims (6)

1.一种ECM电机的恒力矩控制方法，所述的ECM电机具有定子组件、转子组件、机壳组件以及电机控制器，所述的电机控制器包括微处理器、逆变电路和电机运行参数测量电路，电机运行参数测量电路将电机的运行参数输入到微处理器，微处理器输出一定占空比的PWM信号以控制逆变电路，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组工作，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤A)获取外部输入目标力矩值T0；
步骤B)若电机处于停机状态，运行电机，微处理器取得初始的转速值rmp，若电机处于运转状态，微处理器获取当前的转速值rmp；
步骤C)微处理器根据目标力矩值T0和转速值rmp利用恒力矩控制的直流母线电流计算函数:Itad＝F(T,rmp)换算成对应的目标母线电流值Itad，其中T是电机输出的力矩值；
步骤D)微处理器根据检测到的实时母线电流Ibus，比较目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus进行闭环控制，若目标母线电流值Itad大于实时母线电流Ibus，增加微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad小于实时母线电流Ibus，减少微处理器输出的PWM信号的占空比，若目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等，停止调节微处理器输出的PWM信号，ECM电机进入工况状态，然后回到步骤B)继续进行恒力矩控制状态。
2.根据权利要求1所述的一种ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：目标母线电流值Itad与实时母线电流Ibus相等是指实时母线电流Ibus偏离目标母线电流值Itad的误差在1％范围内。
3.根据权利要求1或2所述的一种ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：步骤C)的函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B,其中C为常数，A＝f1(T),B＝f2(T),也就是说A、B都是电机输出的力矩值T的函数。
4.根据权利要求3所述的一种ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：
A、B都是电机输出的力矩值T的一阶函数。
5.根据权利要求3所述的一种ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：函数关系式Itad＝C×(rmp+A)/B是利用实验手段建立的恒力矩控制模式下的母线电流计算方程，并存储在微处理器里面。
6.根据权利要求3所述的一种ECM电机的恒力矩控制方法，其特征在于：A＝K0+K1*T,其中K0、K1是测量出来的常数，T是电机输出力矩；B＝D0+K0+K1*T，其中D0常数，T是电机输出力矩。
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