应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法

148 编辑：中冶有色技术网来源：中山大洋电机股份有限公司

2024-05-17 15:10:27

权利要求书： 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；

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：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。

3.根据权利要求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。

4.根据权利要求1或2或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：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。

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：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。

6.根据权利要求5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。

说明书：一种应用于风机系统的ECM电机的恒力矩控制方法技术领域[0001] 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[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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[0005] 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。

[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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[0014] 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[0015] 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。[0016] 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。

[0017] 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（ACINPUT）经过由二极管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bus,直流母线电压bus与输入交流电压有关，交流输入（ACINPUT）的电压确

定后，母线电压bus是恒定的，3相绕组的线电压m是PWM斩波输出电压，m=bus*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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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KpKi，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。

[0027] 本发明选择一款0.5HP230ECM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。