基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，当电机在设定的转速和功率工作时，电机控制器中带提前角计算公式的自动运算软件模块启动，对提前角进行微调并记录相关数据；电机运行一段时间后，提前角进行微调的范围达到设定的范围后，对所有微调过程中的电机运行效率数据进行对比，获取最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中，以供电机以后运行中调用。它节省了大量资源和时间，得到的提前角计算公式可以确定为该电机在该条件下的最佳提前角公式，提高电机效率，增加产品竞争性。

权利要求

1.基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：

当电机在设定的转速和功率工作时，电机控制器中带提前角计算公式的自动运算软件模块启动，对提前角进行微调并记录相关数据；

电机运行一段时间后，提前角进行微调的范围达到设定的范围后，对所有微调过程中的电机运行效率数据进行对比，获取最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中，以供电机以后运行中调用；

提前角计算公式按一阶线性函数来设定：α=K×Idc+C，其中α是提前角，Idc是母线电流，K和C是常数；修正后的提前角计算公式的相关参数是指修正后的参数K和C；

提前角进行微调并记录相关数据是指微处理器向逆变电路输出PWM信号的占空比和母线电流。

2.根据权利要求1所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：设定的范围是指电机在最大提前角Amax与最小提前角Amin之间的范围。

3.根据权利要求2所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：所述的效率数据是电机控制器中微处理器向逆变电路输出PWM信号的占空比，占空比最小视为最高运行效率。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：电机出厂时，提前角计算公式的初始参数存储在可读取可擦写的存储器，当电机没有在设定的转速和功率工作时，电机运行时启动并调用初始参数K0和C0, 提前角的计算利用α=K0×Idc+C0进行计算并运行电机；当获取到最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数K和C进行更换替代初始参数K0和C0存储在可读取可擦写的存储器中。

5.根据权利要求4所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：初始参数K0和C0是这样获得的：将电机在空载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α1和母线电流Idc1，获得一个点（Idc1，α1）；将电机在额定负载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α2和母线电流Idc2，获得另一个点（Idc2，α2），将两个点（Idc1，α1）、（Idc2，α2）代入方程α=K0×Idc+C0可以求解到初始参数K0和C0。

6.根据权利要求5所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：当将修正后的提前角计算公式的相关参数K和C进行更换替代初始参数K0和C0存储在可读取可擦写的存储器中，并设置已经修正的标记，即使电机再次在设定的相同的转速和相同的功率工作时，也不再启动自动运算软件模块。

7.根据权利要求4所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：自动运算软件模块按如下步骤执行：

步骤1：电机正常运行；步骤2：判断电机是否处于设置的转速和功率，如果是，则进入步骤3，如果否，则返回步骤1；步骤3：判断是否已经按最佳提前角公式运行电机，如果是，则返回步骤1，如果否，则进入步骤4；步骤4：以电机现在运行的提前角为初始提前角α0，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步提升提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角大于最大提前角；然后，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步减少提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角小于最小提前角；步骤5:对记录的所有提前角对应的效率数据，进行大小比较和排列，选择出最合适的提前角α

3及母线电流Idc3；步骤6：利用选择的最合适的提前角α3及母线电流Idc3，对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中。

8.根据权利要求7所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：利用提前角α3及母线电流Idc3组成的一个点（Idc3，α3)和空载时设定的点（Idc1，α1）去求解线性方程α=K×Idc+C，获得修正后的参数K和C。

9.根据权利要求8所述的基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，其特征在于：可读取可擦写的存储器是一种非易失性存储器。

说明书

基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法。

背景技术

[0002] 直流无刷电机BLDC motor，由于节能环保及可控性高被广泛应用在各种电器设备中，直流无刷电机目前有2种控制方式，一种是带霍尔元件检测转子位置的有感无刷电机（采用标量控制技术）；另一种是检测线圈绕组的相电流来获取转子位置，即是无位置传感的无刷电机， 通常是采用矢量控制技术，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。

[0003] 本发明正是针对有感无刷电机的控制进行方案设计，见专利号为CN201410033713.8、名称为一种扩展ECM电机转速范围的控制方法的发明专利中披露了提前角α的计算函数F（I，n) 是α=K1×I+K2+n×K3, 其中K1、K2和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。该发明主要解决的技术问题是，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。提前角α的计算算法是写在微处理器的软件程序中，而软件程序是固化在ROM存储器中，是不能更改的，因此，必须需要软件工程师耗费一天乃至更多的时间去测试不同的提前角的效率，然后再整合成公式并写进算法，见图1所示。而现如今对于一款新的系列的有感直流无刷电机的提前角公式，软件设计师至少需要花费小半天的时间去测试然后整合，而且简化过程后，我们所得到的并不能确保是最佳解的提前角公式。

[0004] 现有方案存在如下问题：

[0005] （1）耗费大量时间，并且需要占用稀有资源（测功机）才能完成测试；

[0006] （2）简化后的方式无法确保得到的公式为最佳提前角公式，因为客户应用的环境不同会导致提前角计算公式的差异；

[0007] （3）提前角α的计算函数F较为复杂，含有两个变量母线电流值I 和转速n,导致运算复杂。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种基于有感无刷电机的提前角计算的自适应控制方法，能解决现有技术中的有感无刷电机提前角计算公式需要耗费大量人工测试时间、整合时间，且占用测功机资源，无法确保得到的公式为最佳提前角公式的技术问题。

[0009] 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

[0010] 当电机在设定的转速和功率工作时，电机控制器中带提前角计算公式的自动运算软件模块启动，对提前角进行微调并记录相关数据；

[0011] 电机运行一段时间后，提前角进行微调的范围达到设定的范围后，对所有微调过程中的电机运行效率数据进行对比，获取最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中，以供电机以后运行中调用。

[0012] 上述的设定的范围是指电机在最大提前角Amax与最小提前角Amin之间的范围。

[0013] 上述所述的效率数据是电机控制器中微处理器向逆变电路输出PWM信号的占空比，占空比最小视为运行效率最高。

[0014] 上述的提前角计算公式按一阶线性函数来设定：α=K×Idc+C，其中α是提前角，Idc是母线电流，K和C是常数；修正后的提前角计算公式的相关参数是指修正后的参数K和C。

[0015] 上述的电机出厂时，提前角计算公式的初始参数存储在可读取可擦写的存储器，当电机没有在设定的转速和功率工作时，电机运行时启动并调用初始参数K0和C0, 提前角的计算利用α=K0×Idc+C0进行计算并运行电机；当获取到最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数K和C进行更换替代初始参数K0和C0存储在可读取可擦写的存储器中。

[0016] 初始参数K0和C0是这样获得的：将电机在空载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α1和母线电流Idc1，获得一个点（Idc1，α1）；将电机在额定负载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α2和母线电流Idc2，获得另一个点（Idc2，α2），将两个点（Idc1，α1）、（Idc2，α2）代入方程α=K0×Idc+C0可以求解到初始参数K0和C0。

[0017] 上述当将修正后的提前角计算公式的相关参数K和C进行更换替代初始参数K0和C0存储在可读取可擦写的存储器中，并设置已经修正的标记，即使电机在设定的相同的转速和相同的功率工作时，也不再启动自动运算软件模块。

[0018] 上述自动运算软件模块按如下步骤执行：

[0019] 步骤1：电机正常运行；

[0020] 步骤2：判断电机是否处于设置的转速和功率，如果是，则进入步骤3，如果否，则返回步骤1；

[0021] 步骤3：判断是否已经按最佳提前角公式运行电机，如果是，则返回步骤1，如果否，则进入步骤4；

[0022] 步骤4：以电机现在运行的提前角为初始提前角α0，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步提升提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角大于最大提前角；然后，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步减少提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角小于最小提前角；

[0023] 步骤5:对记录的所有提前角对应的效率数据，进行大小比较和排列，选择出最合适的提前角α3及母线电流Idc3；

[0024] 步骤6：利用选择出最合适的提前角及母线电流Idc，对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中。

[0025] 步骤7：结束断电。

[0026] 上述利用提前角α3及母线电流Idc3组成的一个点（Idc3，α3)和空载时设定的点（Idc1，α1）去求解线性方程α=K×Idc+C，获得修正后的参数K和C。

[0027] 上述的可读取可擦写的存储器是一种非易失性存储器。

[0028] 本发明与现有技术相比，具有如下效果：

[0029] （1）节省了大量资源和时间，因为不需要再调试提前角公式，即不需要使用资源去调试，不需要花费时间去调试。

[0030] （2）通过自动运算软件模块，对其进行多次运算，得到的提前角计算公式可以确定为该电机在该条件下的最佳提前角公式，提高电机效率，增加产品竞争性。

[0031] （3）可同时自动运算出该条件下所有符合要求的提前角公式，供算法选择出适合这个型号或这个客户的最佳提前角计算公式。

[0032] （4）提前角的运算公式更加简化，节约电机微处理器的运算资源，从而可以用更廉价的微处理器MCU去降低成本。

[0033]  （5）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。

附图说明

[0034] 图1 是现有技术中有感无刷电机的提前角计算公式的获取流程图；

[0035] 图2 是本发明提供的有感无刷电机立体图；

[0036] 图3是本发明提供的有感无刷电机结构剖视图；

[0037] 图4是本发明提供的有感无刷电机的控制器的立体图；

[0038] 图5 是本发明有感无刷电机的电机控制器的电路方框图；

[0039] 图6 是图5 对应的电路图；

[0040] 图7是本发明的有感无刷电机的电机控制器的微处理器与各存储器的关系图；

[0041] 图8是本发明的有感无刷电机的自动运算软件模块的流程图。

具体实施方式

[0042] 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。

[0043] 实施例一：

[0044] 如图2、图3和图4所示，本实施例提供的有感无刷电机是由电机单体1和电机控制器2组成, 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，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MCU、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MCU，母线电流检测电路将检测的母线电流输入到微处理器MCU，微处理器MCU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。

[0045] 如图4、图5、图6所示，假设有感无刷电机是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*V_D，V_D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。

[0046] 电机的控制运行一般需要一个提前角，使电机性能更佳，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：

[0047]  Ua=Vbus×sin(θ+α)×V_D;

[0048]  Ub=Vbus×sin(θ+α+120)×V_D;

[0049]  Uc=Vbus×sin(θ+α+240)×V_D;

[0050]  其中Vbus 是直流母线电压，基本不变的，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，α是提前角，V_D是PWM信号的占空比，读取霍尔传感器的转子位置信号，更新转子角度可以得知电机转速n。PWM信号的占空比和提前角的控制成为一个关键因数，如何计算获取电机的最佳提前角称为提升电机性能得关键一环，提前角计算公式：α=K1×Idc+K2+n×K3，由于转速n变为定值，可用线性方程α=K×Idc+C来计算提前角。

[0051] 本发明的工作原理是：电机在设置的转速和功率工作，即在某个点要求提前角最优，因此可以简化提前角计算公式，采用一阶函数来运算，可用线性方程α=K×Idc+C来运算。

[0052] 如图7所示，本发明的技术方案中微处理器连接存储器ROM和缓存存储器RAM，微处理器还连接有可读取可擦写的存储器，电机运行的控制软件程序固化在存储器ROM，提前角计算的算法通过软件方式写入到电机控制器中形自动运算软件模块，自动运算软件模块也固化在存储器ROM，提前角计算公式按一阶线性函数来设定：α=K×Idc+C，其中α是提前角，Idc是母线电流，K和C是常数；修正后的提前角计算公式的相关参数是指修正后的参数K和C，提前角计算公式的相关参数K和C存储在可读取可擦写的存储器中，以供电机以后运行中调用。

[0053]  电机出厂时，提前角计算公式的初始参数存储在可读取可擦写的存储器，当电机没有在设定的转速和功率工作时，电机运行时启动并调用初始参数K0和C0, 提前角的计算利用α=K0×Idc+C0进行计算并运行电机，当获取到最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数K和C进行更换替代初始参数K0和C0存储在可读取可擦写的存储器中。

[0054] 初始参数K0和C0是这样获得的：将电机在空载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α1和母线电流Idc1，获得一个点（Idc1，α1）；将电机在额定负载时，不断更改提前角α，然后对所有提前角所对应的PWM控制的占空比进行比对，找到占空比V_D最小对应的提前角α2和母线电流Idc2，获得另一个点（Idc2，α2），将两个点（Idc1，α1）、（Idc2，α2）代入方程α=K0×Idc+C0可以求解到初始参数K0和C0。空载时可以设定空载转速和运行功率，至于额定负载，电机由明确的规定，包括额定转速和额定功率。电机在两个点处于最佳提前角的状态，并不代表α=K×Idc+C的直线上的所有点都处于最佳提前角的状态，因此，需要根据电机在运行环境的某个工作点来修正提前角的计算公式α=K0×Idc+C0，以使该公式适应在运行环境的某个工作点来获取最佳提前角。

[0055] 举例：一台3相有感无刷电机，其空载转速（600转/分和空载运行功率30瓦，其额定负载下的额定转速1050转/分和额定功率800瓦，利用以上数据分别得到两个点（Idc1，α1）、（Idc2，α2），将两个点（Idc1，α1）、（Idc2，α2）代入方程α=K0×Idc+C0可以求解到初始参数K0和C0， 客户将该电机安装在一个风机设备中，该风机设备要求的工作点要求是：转速在900转/份，功率是720瓦，那么将提前角计算的算法通过软件方式写入到电机控制器中形自动运算软件模块时，设定电机在900转/份转速和720瓦的功率工作时，即当电机在设定的转速和功率工作时，电机控制器中带提前角计算公式的自动运算软件模块启动，对提前角进行微调并记录相关数据；电机运行一段时间后，提前角进行微调的范围达到设定的范围后，对所有微调过程中的电机运行效率数据进行对比，获取最高运行效率对应的提前角对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中，以供电机以后运行中调用。

[0056] 如图8所示，自动运算软件模块具体按如下步骤执行：

[0057] 步骤1：开始通电，电机正常运行；

[0058] 步骤2：判断电机是否处于设置的转速和功率，如果是，则进入步骤3，如果否，则返回步骤1；

[0059] 步骤3：判断是否已经按最佳提前角公式运行电机，如果是，则返回步骤1，如果否，则进入步骤4；

[0060] 步骤4：以电机现在运行的提前角为初始提前角α0，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步提升提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角大于最大提前角；然后，以初始提前角α0为起点、以△α为步距逐步减少提前角，记录不同提前角对应的效率数据及母线电流Idc，直到提前角小于最小提前角；

[0061] 步骤5:对记录的所有提前角对应的效率数据，进行大小比较和排列，选择出最合适的提前角α3及母线电流Idc3；

[0062] 步骤6：利用选择出最合适的提前角及母线电流Idc，对提前角计算公式进行修正，并将修正后的提前角计算公式的相关参数存储在可读取可擦写的存储器中。

[0063] 步骤7：结束断电。

[0064] 利用提前角α3及母线电流Idc3组成的一个点（Idc3，α3)和空载时设定的点（Idc1，α1）去求解线性方程α=K×Idc+C，获得修正后的参数K和C,并存储在可读取可擦写的存储器中，同时写入一个标记数据到可读取可擦写的存储器，以表示目前参数K和C是在设置的转速和功率的环境下最优提前角的计算公式使用的参数，以方便上述步骤3的判断。可读取可擦写的存储器也称为非易失性存储器，非易失性存储器技术是在关闭计算机或者突然性、意外性关闭计算机的时候数据不会丢失的技术。

[0065] 上述设定的范围是指电机在最大提前角Amax与最小提前角Amin之间的范围。

[0066] 上述所述的效率数据是电机控制器中微处理器向逆变电路输出PWM信号的占空比，占空比最小视为运行效率最高。

[0067] 上述的提前角计算公式按一阶线性函数来设定：α=K×Idc+C，其中α是提前角，Idc是母线电流，K和C是常数；修正后的提前角计算公式的相关参数是指修正后的参数K和C，即用修正后的参数K和C替换初始参数K0和C0，通过表1的记录的所有提前角对应的效率数据（即占空比），进行大小比较和排列，选择出最合适的提前角α3及母线电流Idc3；占空比最小视为运行效率最高。

[0068]

[0069] 本发明与现有技术相比，具有如下效果：

[0070] 1、节省了大量资源和时间，因为不需要再调试提前角公式，即不需要使用资源去调试，不需要花费时间去调试。

[0071] 2、通过自动运算软件模块，对其进行多次运算，得到的提前角公式可以确定为该电机在该条件下的最佳提前角公式，提高电机效率，增加产品竞争性。

[0072] 3、可同时自动运算出该条件下所有符合要求的提前角公式，供算法选择出适合这个型号或这个客户的最佳提前角计算公式。

[0073] 4、提前角的运算公式更加简化，节约电机微处理器的运算资源，从而可以用更廉价的微处理器MCU去降低成本。

[0074] 以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。