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CN104811103B - 一种扩展ecm电机转速范围的控制方法 - Google Patents

一种扩展ecm电机转速范围的控制方法 Download PDF

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CN104811103B CN201410033713.8A CN201410033713A CN104811103B CN 104811103 B CN104811103 B CN 104811103B CN 201410033713 A CN201410033713 A CN 201410033713A CN 104811103 B CN104811103 B CN 104811103B
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Abstract

本发明涉及一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,它包括步骤1)电机上电,初始化参数;步骤2)微处理器读取霍尔传感器的转子位置信号,更新转子角度;步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n;步骤4)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S‑电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D;步骤5)微处理器根据直流母线电流I和电机转速n计算提前角α=F(I,n),微处理器计算转子的实时角度θ=ω×t;步骤6)微处理器计算输入到逆变电路的PWM信号,逆变电路输出到各相绕组的PWM斩波电压U=F(V_D,θ+α),然后跳回步骤2,它利用提前角的控制,简化计算和控制,降低微处理器的运算要求,从而降低产品的成本。

Description

一种扩展ECM电机转速范围的控制方法
技术领域
本发明涉及一种扩展ECM电机转速范围的控制方法。
背景技术
ECM电机,俗称电子换相电机,包含直流无刷电机BLDC motor,在实际使用中,额定转速是规定了,但实际应用中经常需要宽展电机的转速(即提高最高转速,以满足要求),以适应更多的负载,传统的电机控制方案需要对电机相电流进行坐标变换进行矢量控制,得到转子坐标系上的电流Id和Iq,通过调节Id的值来实现弱磁调速,这种方法的实现比较复杂,运算繁琐,占用微处理器CPU的大量运算资源,因此对微处理器CPU要求高,成本较高,另外也需要准确的转子位置和准确的相电流信息,计算繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,无须采用传统的矢量弱磁控制,利用提前角的控制,简化计算和控制,降低微处理器的运算要求,从而降低产品的成本。
本发明的实施技术方案如下:
一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,所述的ECM电机具有定子组件、转子组件以及电机控制器,所述的电机控制器包括电源电路、微处理器、逆变电路、母线电流检测电路和霍尔传感器,电源电路为各部分电路供电,母线电流检测电路将直流母线电流I输入微处理器,霍尔传感器将转子位置信号输入微处理器并换算出转子的实际转速n,微处理器控制逆变电路驱动定子组件,其特征在于:它包括如下步骤:
步骤1)电机上电,初始化参数;
步骤2)微处理器读取霍尔传感器的转子位置信号,更新转子角度;
步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n;
步骤4)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S-电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D;
步骤5)微处理器根据直流母线电流I和电机转速n计算提前角α=F(I,n),微处理器计算转子的实时角度θ=ω×t,其中ω是角速度,可以通过电机转速n换算,t是时间;
步骤6)微处理器计算输入到逆变电路的PWM信号,逆变电路输出到各相绕组的PWM斩波电压U=F(V_D,θ+α),然后跳回步骤2)。
上述所述的电机是三相电机,具有a、b、c三相绕组,逆变电路输出到各相绕组的PWM信号斩波电压分别为:
Ua=Vbus×sin(θ+α)×V_D;
Ub=Vbus×sin(θ+α+1200)×V_D;
Uc=Vbus×sin(θ+α+2400)×V_D;
其中Vbus是直流母线电压,基本不变的;
上述所述的步骤5计算提前角α的函数F(I,n)是α=K1×I+K2+n×K3,其中K1、K2、K3是系数,I为电机实时测得的直流母线电流值,n为电机实时转速。
上述所述的V_D的取值范围0.1至1。
上述所述的步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n后,若直流母线电流I大于最大直流母线电流I-max,或者电机转速n大于最高转速n-max,则停机。
上述所述的步骤1的初始化参数是将直流母线电流I、电机转速n、调节参数V_D和提前角α全部归零。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1)本发明利用提前角的控制,通过检测直流母线电流I和电机转 速n计算提前角,简化计算和控制,降低微处理器的运算要求,从而降低产品的成本。计算提前角函数F(I,n)是α=K1×I+K2+n×K3是一个一阶的函数,非常简单,进一步简化计算和控制,降低微处理器的运算要求。
2)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S-电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D,可以使系统更快更可靠地到底目标转速
3)当微处理器读取直流母线电流I和电机转速n后,若直流母线电流I大于最大直流母线电流I-max,或者电机转速n大于最高转速n-max,则停机,可以有效保护电机;
附图说明:
图1是本发明ECM电机的立体图;
图2是本发明ECM电机的电机控制器的立体图;
图3是本发明ECM电机的剖视图;
图4是本发明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是本发明的流程图;
图7是本发明通过实验手段获得提前角的实验原理图;
具体实施方式:
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、逆变电路和霍尔传感器14,电源电路为各部分电路供电,霍尔传感器14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流输入到微处理器,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。
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假设ECM电机是3相无刷直流永磁同步电机,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P是PWM斩波输出电压,P=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I,直流母线电流I通过电阻R1来检测,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I,母线电流检测电路将电阻R1的检测母线电流I转换后传送到微处理器。
如图6所示,一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,所述的ECM电机具有定子组件、转子组件以及电机控制器,所述的电机控制器包括电源电路、微处理器、逆变电路、母线电流检测电路和霍尔传感器,电源电路为各部分电路供电,母线电流检测电路将直流母线电流I输入微处理器,霍尔传感器将转子位置信号输入微处理器并换算出转子的实际转速n,微处理器控制逆变电路驱动定子组件,其特征在于:它包括如下步骤:
步骤1)电机上电,初始化参数;
步骤2)微处理器读取霍尔传感器的转子位置信号,更新转子角度;
步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n;
步骤4)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S-电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D;
步骤5)微处理器根据直流母线电流I和电机转速n计算提前角α=F(I,n),微处理器计算转子的实时角度θ=ω×t,其中ω是角速度,可以通过电机转速n换算,t是时间;
步骤6)微处理器计算输入到逆变电路的PWM信号,逆变电路输出到各相绕组的PWM斩波电压U=F(V_D,θ+α),然后跳回步骤2)。
上述所述的电机是三相电机,具有a、b、c三相绕组,逆变电路输出到各相绕组的PWM信号斩波电压分别为:
Ua=Vbus×sin(θ+α)×V_D;
Ub=Vbus×sin(θ+α+1200)×V_D;
Uc=Vbus×sin(θ+α+2400)×V_D;
其中Vbus是直流母线电压,基本不变的 。
上述所述的步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n后,若直流母线电流I大于最大直流母线电流I-max,或者电机转速n大于最高转速n-max,则停机,以保护电机。
上述所述的步骤1的初始化参数是将直流母线电流I、电机转速n、调节参数V_D和提前角α全部归零。
如图7所示,一般的电机名牌上标称额定转速,电机运行的速度不能超过电机额定转速,但实际应用中经常需要宽展电机的转速(即提高最高转速,以满足要求),以适应更多的负载。
通过如下实验步骤获得的:将电机的输出轴连接加载器,并通过实时通信手段将电机的运行参数传送到电脑,电脑也可以将控制指令发送到电 机。
A)首先给定电机最高转速命令n-max,电机设定为恒转速模式,实时增大提前角θ,使电机转速达到高转速命令n-max,使用加载器逐渐给电机加载,直到电机输出功率满足要求,此时调整提前角α,保证电机输出功率最高,记录此时电机的直流母线电流I-max和提前角α1;
B)给定电机的额定转速n-rate,设定为恒转速模式,实时增大提前角θ,使转速达到n-rate,使用加载器逐渐给电机加载,直到电机输出功率满足要求,此时调整提前角θ,保证电机输出功率为最大功率时的直流母线电流I2和提前角α2;
C)给定电机的额定转速n-rate,设定为恒转速模式,实时增大提前角θ,使转速达到n-rate,使用加载器逐渐给电机加载,保证电机输出功率为等于最大功率的1/2时,记录母线电流电流I3和提前角α3;
D)按照如下公式:α=K1×I+K2+n×K3;
保证n=n-rate,I=I2时,α=α2;n=n-max,I=I-max时,α=α1;n=n-rate,I=I3时,α=α3;由上述的3元一次方程,求解的K1K2K3,I为电机实时测得的直流母线电流值,n为实时转速,得到函数α=F(I,n)。
上述的步骤4)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S-电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D,关于转速PI调节器可以使纯硬件或者软件的PI调节器,其输出调节参数V_D=Kp×e+∫Ki×e×dt,其中Kp是放大系数,Ki是积分系数,这些参数与PI调节器性能有关,转速PI调节器输出调节参数V_D的取值范围0.1至1,当目标转速S与实测转速相差巨大时,V_D=1,使电机尽快达到目标转速S;PI调节器是现有的技术,在此不在叙述。

Claims (6)

1.一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,所述的ECM电机具有定子组件、转子组件以及电机控制器,所述的电机控制器包括电源电路、微处理器、逆变电路、母线电流检测电路和霍尔传感器,电源电路为各部分电路供电,母线电流检测电路将直流母线电流I输入微处理器,霍尔传感器将转子位置信号输入微处理器并换算出转子的实际转速n,微处理器控制逆变电路驱动定子组件,其特征在于:它包括如下步骤:
步骤1)电机上电,初始化参数;
步骤2)微处理器读取霍尔传感器的转子位置信号,更新转子角度;
步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n;
步骤4)微处理器获取外部输入目标转速S,计算转速差e=目标转速S-电机转速n,利用转速PI调节器输出调节参数V_D;
步骤5)微处理器根据直流母线电流I和电机转速n计算提前角α=F(I,n),微处理器计算转子的实时角度θ=ω×t,其中ω是角速度,可以通过电机转速n换算,t是时间;
步骤6)微处理器计算输入到逆变电路的PWM信号,逆变电路输出到各相绕组的PWM斩波电压U=F(V_D,θ+α),然后跳回步骤2)。
2.根据权利要求1所述的一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,其特征在于:所述的电机是三相电机,具有a、b、c三相绕组,逆变电路输出到各相绕组的PWM信号斩波电压分别为:
Ua=Vbus×sin(θ+α)×V_D;
Ub=Vbus×sin(θ+α+1200)×V_D;
Uc=Vbus×sin(θ+α+2400)×V_D;
其中Vbus是直流母线电压,基本不变的 。
3.根据权利要求1或2所述的一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,其特征在于:步骤5计算提前角α的函数F(I,n)是α=K1×I+K2+n×K3,其中K1、K2、K3是系数,I为电机实时测得的直流母线电流值,n为电机实时转速。
4.根据权利要求1或2所述的一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,其特征在于:V_D的取值范围0.1至1。
5.根据权利要求1或2所述的一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,其特征在于:步骤3)微处理器读取直流母线电流I和电机转速n后,若直流母线电流I大于最大直流母线电流I-max,或者电机转速n大于最高转速n-max,则停机。
6.根据权利要求1或2所述的一种扩展ECM电机转速范围的控制方法,其特征在于:步骤1的初始化参数是将直流母线电流I、电机转速n、调节参数V_D和提前角α全部归零。
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