一种风机电机测量风量的方法
【专利摘要】本发明公开了一种风机电机测量风量的方法，其特征在于：它包含如下步骤：A)在电机控制器的微处理器里面建立M个风量点CFMi对应的M个恒风量控制函数Qi＝F(n),其中Q可以是输入功率或者是直流母线电流或者是力矩，n是电机的转速；B)启动电机，进入稳态后，检测电机的实时转速n0和参数Q0,将参数Q0代入上述的若干个风量点CFMi对应的若干个恒风量控制函数Qi＝F(n)得到若干个转速ni，比较实时转速n0与对应若干个转速ni，确定实时检测风量CFM0处于那两个风量点CFMi和CFMi-1之间；C)利插值法计算出实时检测风量CFM0，它能准确判断为空气过滤网堵塞并输出信号报警，且数学模型简单，控制可靠，精度高。
【专利说明】一种风机电机测量风量的方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种风机电机测量风量的方法。
【背景技术】
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[0002]近几年，随着电器领域竞争日趋激烈，对产品技术要求不断提高，如要求产品节能环保、可控性智能化程度高、开发周期短、噪音小等。作为核心部件一电机，无疑成为解决上述技术问题的关键部件，传统的家用空调里面的电机普遍采用单相交流电机PSC，单相交流电机，效率低，比较耗能、噪音也大，可控性智能程度低。随着电机技术的发展，直流电机逐渐取代交流电机，直流电机带有电机控制器，利用电机控制器实现电流的电子换向的目的，所以行业里也有人简称ECM电机(electronically commutated motor)或者叫直流无刷电机(BLDC MOTOR)，它具有节能环保、可靠性和可控性都比较高、噪音小、容易实现智能化等特点，可以解决单相交流电机的不足，因此，现有的空调里面的单相交流电机逐渐被直流无刷电机或者ECM电机所取替。
[0003]中国国内或者亚洲其它国家空调，其直流电机控制板跟空调主板连接，设置有5路的连接信号，分别为=GND端口、VDC端口、VCC端口、VSP端口、FG端口，这种接口基本成为标准的接口，空调主板通过输出VSP电压端口向直流电机控制板输入目标转速，电机通过FG端口反馈电机实际速度，实现直流电机的转速闭环控制。当空调的进、出风口过滤网或风道被堵塞时，空调的出风口风量会下降，影响空调制冷或制热效果。这是空调系统不期望的，为此，在传统BLDC电机上实现恒风量或风量监控/报警功能是必要的。
[0004]现有的解决方案:有的在出风口或者风道内加装风压计来判断风量的大小，有的安装风量计来测算风量，但是这样都需要增加格外的硬件，安装布线麻烦，增加额外的成本。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是提供风机电机测量风量的方法，能准确判断为空气过滤网堵塞并输出信号报警，且数学模型简单，控制可靠，精度高。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0007]一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:它包含如下步骤:
[0008]A)在电机控制器的微处理器里面建立M个风量点CFMi对应的M个恒风量控制函数％ = F(η),其中Q可以是输入功率或者是直流母线电流或者是力矩，η是电机的转速；i是整数，由I开始到M ；
[0009]B)启动电机,进入稳态后,检测电机的实时转速nO和参数Q0,将参数QO代入上述的若干个风量点CFMi对应的若干个恒风量控制函数Qi = F(η)得到若干个转速ni;比较实时转速nO与若干个风量点CFMi对应若干个转速ni;确定实时检测风量CFMO处于那两个风量点CFMi和CFMp1之间；
[0010]C)利用确定的两个风量点CFMi和CFMh和转速叫和IV1通过插值法计算出实时检测风量CFMO。
[0011 ]检测风量 CFMO = CFMi+ (CFMi^1-CFMi) X (η-ηο) + (叫-叫勺)。
[0012]上述所述的函数Qi = F(η)是这样获得的:先采集原始数据，在风道设备中，针对M个目标风量，从低静压一直调节到高静压，这个静压要能涵盖应用的实际静压范围，在调节静压的过程中，让电机处于恒转速控制，并通过调节电机转速η和参数Q保持风量为目标风量，并记录此时的电机稳态转速η和对应的参数Q,这样,针对M个目标风量,都产生了一组转速η和参数Q,然后通过曲线拟合的方法产生M个目标风量中每一个目标风量对应一个函数 Qi = F (η)。
[0013]上述所述的若干个风量点CFMi包括最大的输出风量和最小的输出风量。
[0014]上述所述的Qi = F (η)是一个二阶函数，每个目标风量点对应的函数Q =Cj+Cg X n+C3 X η2。
[0015]上述所述的风机电机采用BLDC电机或ECM电机，包括电机单体和电机控制器，所述的电机单体包括转轴、永磁转子组件、定子组件和机壳组件，永磁转子组件和定子组件形成磁藕合，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上线圈绕组，所述的电机控制器包括有微处理器、逆变电路和运行参数检测电路，逆变电路的输出端与线圈绕组连接，运行参数检测电路将检测的信号输入到微处理器，微处理器的输出端控制逆变电路，微处理器里面输入设定目标风量，当实时检测风量CFMO低于设定目标风量，输出信号报警。
[0016]上述所述的风机电机工作在恒风量控制模式，微处理器首先测量实际功率是否到达于额定功率，如果测量实际功率达到额定功率，且检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，进行报警；当检测到风量与设定风量有偏差在允许范围内，选择不报警。
[0017]上述所述的风机电机工作在恒力矩控制模式，当检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，判断为空气过滤网堵塞并报警。
[0018]上述所述的风机电机工作在恒转速控制模式，当检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，判断为空气过滤网堵塞并报警。
[0019]本发明与现有技术相比，具有如下效果:
[0020]I)本发明利用在电机控制器的微处理器里面建立M个风量点CFMi对应的M个恒风量控制函数Qi = F (η),检测电机的实时转速nO和参数Q0,将参数QO代入上述的若干个风量点CFMi对应的若干个恒风量控制函数Qi = F (η)得到若干个转速Iii,比较实时转速nO与若干个风量点CFMi对应若干个转速ni;确定实时检测风量CFMO处于那两个风量点CFMi和CFMp1之间，并利用插值法计算出实时检测风量CFM0，数学模型简单，控制可靠，精确度高。
[0021]2)利用风机电机作为检测风量的元件，当检测风量Ql与设定风量QO的偏差达到一定的值时，判断为空气过滤网堵塞并输出信号报警，无需增加任何硬件，安装简便，成本低；
[0022]3)风机电机工作在恒风量的控制模式，微处理器首先测量实际功率是否到达额定功率，如果测量实际功率达到额定功率，再判断检测风量Ql与设定风量QO的偏差，方案简单，微处理器运算量小，可行性高。
[0023]上述所述的函数Qi = F(η)是这样获得的:先采集原始数据，在风道设备中，针对M个目标风量，从低静压一直调节到高静压，这个静压要能涵盖应用的实际静压范围，在调节静压的过程中，让电机处于恒转速控制，并通过调节电机转速η和参数Q保持风量为目标风量，并记录此时的电机稳态转速η和对应的参数Q,这样,针对M个目标风量,都产生了一组转速η和参数Q,然后通过曲线拟合的方法产生M个目标风量中每一个目标风量对应一个函数Qi = F(η),上述M个风量点指至少有5个,可以有效保证测量的精度。
【专利附图】
【附图说明】
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[0024]图1是传统的空调风机系统的结构示意图；
[0025]图2是本发明风机电机的安装示意图；
[0026]图3是本发明风机电机的立体图；
[0027]图4是本发明风机电机的电机控制器的立体图；
[0028]图5是本发明风机电机的剖视图；
[0029]图6是本发明风机电机的电机控制器的一种实施电路方框图；
[0030]图7是图6对应的电路图；
[0031]图8是本发明风机电机的恒风量控制方法的控制流程图；
[0032]图9是本发明风机电机通过实验测得到得一族恒风量拟合曲线；
[0033]图10是本发明1/3ΗΡ的风机电机直接功率控制恒风量的实验数据拟合曲线图；
[0034]图11是本发明风机电机利用插值法求解任意输入风量实验数据拟合曲线图；
[0035]图12是本发明风机电机的恒风量控制方法的控制逻辑图；
[0036]图13是本发明风机电机的恒风量控制方法的一种控制过程示意图；
[0037]图14是本发明风机电机的恒风量控制方法的另一种控制过程示意图；
[0038]图15是本发明风机电机的恒风量控制方法的经过实验验证的测试结果图；
[0039]图16是本发明风机电机的风量测算示意图。
【具体实施方式】
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[0040]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。
[0041]实施例一:
[0042]下面先介绍本发明采用的风机电机的电路结构及风量的测量控制原理:
[0043]本发明是如图1所示，在一个典型的空调通风管道(简称风道)里，安装了一个鼓风系统(如燃气炉或空气处理机)，图中以“电机+风轮”代替，管道里还有空气过滤网，电机启动时开始鼓风，由于出风口和入风口的数量与房间数有关，管道的设计也没有统一的标准，同时空气过滤网也可能有不同的压降。导致搭载传统的单相交流电机---PSC电机的鼓风系统在不同的管道里，实际的风量会不同。发明采用的风机电机的是BLDC电机或ECM电机。
[0044]如图2所示，I)产品的控制是一个空调系统控制器，空调系统控制器控制所有产品操作装置和通过一个定制的接口的外围电路和协议设置信息发送到电机控制器。2)电机控制器包括一个微处理器--单片机或DSP电子板做电机控制,它有一个电源部分向控制器各部分电路提供电力，电源是设置一个直流母线电压和电流。因此，电机的控制将进行功率传输。低成本和批量生产的电机控制器通常采用并联电阻电路作为电流和电压传感硬件，作为系统的反馈来控制电机驱动执行电机控制，例如矢量控制，直接转矩控制，和其他类型的传感器或无传感器控制。众所周知，任何电子组件运行期的变化，这些变化是影响检测精度和持久性的原因。3)风机电机转子上有磁铁体和结构，在定子侧或槽中有多相绕组。当温度变化时，永磁体和绕组电阻会发生变化，这可能会导致电机控制不同的变化。电机制造过程通常产生也一定程度的变化，电机的老化，新的电机和旧电机，贡献的因素控制的准确性和持久性，在生活的时间等，从磁体的电动机的磁通会由于温度变化，退磁等。此外，电机轴失效的可能风险，系统的安全性，和要检测或实时监控。4)鼓风机:鼓风机安装在电机轴上，旋转产生的气流以一定的速度。安装的位置可能会影响操作，增加摩擦，低流量，甚至是错误的旋转方向。5)空气过滤网:空气过滤网应定期更换和维修服务。但这可能是失去了在很长一段时间的跟踪。这将增加摩擦影响气流压力。6)管道控制:管道系统可能会改变由于灰尘和管道破裂，区域控制和开/关风端口系统压力变化的原因。根据上面的实际情况如果做恒风量控制会产生很多不稳定因数。
[0045]如图3、图4、图5所示，风机电机通常由电机控制器2和电机单体1，所述的电机单体I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I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—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，母线电压检测电路将直流母线电压输入到微处理器，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。
[0046]如图6、图7所示，假设风机电机是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Cl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(ACINPUT)的电压确定后，3相绕组的线电压UP是PWM斩波输出电压，UP = 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UP可以改变直流母线电流Ibus，逆变电路由电子开关管01、02、03、04、05、06组成，电子开关管Ql、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Rl用于检测母线电流Ibus，母线电流检测电路将电阻Rl的检测母线电流Ibus转换后传送到微处理器。电机输入功率控制由电子开关管Q7控制,微处理器输出的I路PWM信号一即PO，来控制电子开关管Q7的导通时间，以控制电机输入功率。
[0047]如图8所示，空调系统中的风机电机直接功率控制的恒风量控制方法，所述的风机电机驱动风轮并具有定子组件、永磁转子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、转子位置测量电路、母线电流检测电路、母线电压检测电路和电机输入功率控制电路(图中未画出)，转子位置测量电路检测转子位置信号并输入到微处理器，微处理器根据转子位置信号计算出电机的实时转速n，母线电流检测电路将母线电流输入到微处理器，母线电压检测电路将直流母线电压输入到微处理器，微处理器控制逆变电路，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组的通断电，微处理器控制电机输入功率控制电路，其特征在于:它包括如下步骤:
[0048]步骤A)起动电机控制器，接收或预设的目标风量值IN-CFM ；
[0049]步骤B)根据目标风量值IN-CFM获得对应的函数P = f (η)，其中η是转速，P是电机的输入功率；
[0050]步骤C)进入直接功率控制恒风量控制模式:控制电机或电机速度为零时启动电机，使它沿着函数P = f (η)的控制轨迹到达一稳定的工作点(pt，nt) ;pt，nt是位于满足恒风量控制函数P = f(n)的轨迹上一对输入功率和转速；
[0051]步骤D)保持直接功率控制恒风量控制模式:根据电机运行参数计算出电机实时输入功率Pi ;计算ΛΡ= Pt-Pi ；
[0052]步骤E)若功率增量值Λ P小于设定值Psrt,保持现有工作点；
[0053]步骤F)若功率增量值Λ P大于等于设定值Psrt ;功率/转速控制逻辑将计算速度环的操作时间是否达到；如果速度环的操作时间没有达到，保持现有工作点；
[0054]步骤G)如果速度环的操作时间已经达到，进入速度控制回路按Λ n = | n1-nt |调节速度，ni是实时转速,实现轨迹上的新工作点(Pi, ni),即令Pt = Pi, nt = ni,回到步骤C。
[0055]上述所述的上述所述的函数P = f (η)是这样获得的:先采集原始数据，针对若干个目标风量，从低静压一直调节到高静压，这个静压要能涵盖应用的实际静压范围，在调节静压的过程中，让电机处于恒转速控制，并通过调节电机转速η和电机实时输入功率Pi保持风量为目标风量，并记录此时的电机稳态转速η和对应的电机实时输入功率Pi,这样,针对若干个目标风量，都产生了一组转速η和电机实时输入功率Pi，然后通过曲线拟合的方法产生若干个目标风量中每一个目标风量对应一个函数P = f (η) ο
[0056]上述所述如果外部输入目标风量值IN-CFM都不等于上述测定的若干个目标风量的其中一个，可以通过插值法，拟合计算与任何外部输入目标风量值IN-CFM相对应的函数P = f(n)。实现了全程任意目标风量的恒风量控制。
[0057]上述所述的函数关系式P = f (η)是一个多项式函数:P = CjC2Xn+...+CmXnm-1,其中CpC2,…，Cm是系数，η是电机转速值，每一个目标风量对应一组C1, C2,…，Cm系数并储存起来，微处理器根据输入的目标风量值IN-CFM通过查表法或者插值法获得对应的一组C1, C2,…，Cm系数，从而得到函数关系式P = f (η)。
[0058]述所述函数关系式P = f (η)是一个二阶函数:P = CjC2Xr^C3Xη2。
[0059]本发明的直接功率控制恒风量的控制方法(Direct P Control for ConstantAirflow Control Apparatus Method)开发和数学模型建立是这样的:一般来说，在一个通风系统，风机由风机电机驱动的驱动在一个稳定的状态产生的气流空气。一个恒定的风量控制通过在一个静态的压力条件下的速度、功率控制实现，见如下关系式=CFM =F(P, speed, pressure),其中CFM是风量，P是功率，speed,是速度，pressure是静压。当静态压力的变化，用功率和速度的控制维持该恒风量。随着静态压力增加，功率与速度随之变化。一簇恒风量CFM曲线可以测试出，如图9所示的。基于这些恒风量CFM曲线，开发控制模型，当产品控制确定风量要求，通过控制功率和速度在特定的静态压力提供一个恒定风量CFM。在图9中，特性曲线代表保持控制功率和速度的的恒风量物理特性，所有电机的额定功率范围内，对任何类型的设计的气流系统的空调厂家，基于功率的测试结果与速度曲线，可以得出结论，一个典型的二次函数可以很好地用于开发建模作为一种典型的函数，P = CAC2Xr^C3Xn2，通过在曲线上选者三个待定点(A，B和C)，其对应的坐标上的数据是(ρ?,η?), (ρ2,η2), (ρ3, η3)取得系数 Cl、C2、C3，见如下公式:
[0060]F(A,B,O^Σ;(Yi—(α+0*η+0*?2)Γ ’ 通过 3F16A = O5 SFIdB = O,and Q F":..C = O,通过求解方程，m = 3。
[0061]曲线拟合的过程是选择多项式描述曲线，多项式的系数可以通过最小二乘法求出。理论上可以用P = C1+C2Xn+C3Xn2+...+CmXrT1，实际上选择二项式就可以满足一般的需要。函数关系式P = f(n)是一个二阶函数:P = Ci+QXn+QXn2，其中Q、C2和C3是系数，η是电机转速值，在测试的若干个目标风量中任何一个目标风量对应一组Cp C2和C3系数并储存起来，微处理器根据输入的目标风量值IN-CFM通过查表法获得对应的一组CpC2和C3系数，从而得到函数关系式P = f (η)，在某负载中每一个目标风量对应一组C1X2和C3系数具体如下表I所示:
[0062]表I
[0063]
CFM EEE3
ΤδΟ0.338 —0.1510.0458
3000.4423 —0.21130.0765
450OOOOOOOOO
600OOOOOOOOO
750OOOOOOOOO
900OOOOOOOOO
[0064]
[0065]图10是1/3ΗΡ的风机电机在小型管道的空调系统的直接功率控制恒风量的实验数据拟合曲线图，对于一个给定的目标气流，系统选择某些典型的风量CFM作为测试点建立一个数据库为建立数学模型之用。这些典型的点包括最小和最大风量值，附加一些中间点根据产品规格，典型的风量CFM作为测试点有5个，分别为150/300/450/600和750CFM。
[0066]表2显示测试数据结果的一个例子。电机的转速的范围是从200到1400rpm ;系统的静态压力从0.1到1H20。保持预设恒风量CCFM输出，获得一个对应图10的电机输入功率标么值，形成一个数据库。
[0067]表2
[0068]
【权利要求】
1.一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:它包含如下步骤: A)在电机控制器的微处理器里面建立M个风量点CFMi对应的M个恒风量控制函数Qi=F(η),其中Q可以是输入功率或者是直流母线电流或者是力矩，η是电机的转速；i是整数，由I开始到M ； B)启动电机，进入稳态后，检测电机的实时转速nO和参数Q0，将参数QO代入上述的若干个风量点CFMi对应的若干个恒风量控制函数Qi = F (η)得到若干个转速ni;比较实时转速nO与若干个风量点CFMi对应若干个转速ni;确定实时检测风量CFMO处于那两个风量点CFMi和CFMh之间； C)利用确定的两个风量点CFMi和CFMp1和转速Iii和Iv1通过插值法计算出实时检测风量CFMO。
2.根据权利要求1所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:检测风量CFMO=CFMi+ (CFMi^1-CFMi) X (η「ηο) + (叫-叫勺)。
3.根据权利要求1或2所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:上述所述的函数Qi =F(n)是这样获得的:先采集原始数据，在风道设备中，针对M个目标风量，从低静压一直调节到高静压，这个静压要能涵盖应用的实际静压范围，在调节静压的过程中，让电机处于恒转速控制，并通过调节电机转速η和参数Q保持风量为目标风量，并记录此时的电机稳态转速η和对应的参数Q,这样,针对M个目标风量,都产生了一组转速η和参数Q,然后通过曲线拟合的方法产生M个目标风量中每一个目标风量对应一个函数Qi = F (η) ο
4.根据权利要求1或2所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:若干个风量点CFMi包括最大的输出风量和最小的输出风量。
5.根据权利要求1或2所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于=Qi= F (η)是一个二阶函数，每个目标风量点对应的函数Q = (^+C2XrrHC3Xη2。
6.根据权利要求1或2所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:所述的风机电机采用BLDC电机或ECM电机，包括电机单体和电机控制器，所述的电机单体包括转轴、永磁转子组件、定子组件和机壳组件，永磁转子组件和定子组件形成磁藕合，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上线圈绕组，所述的电机控制器包括有微处理器、逆变电路和运行参数检测电路，逆变电路的输出端与线圈绕组连接，运行参数检测电路将检测的信号输入到微处理器，微处理器的输出端控制逆变电路，微处理器里面输入设定目标风量，当实时检测风量CFMO低于设定目标风量，输出信号报警。
7.根据权利要求6所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:风机电机工作在恒风量控制模式，检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，进行报警；当检测到风量与设定风量有偏差在允许范围内，选择不报警。
8.根据权利要求6所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:风机电机工作在恒力矩控制模式，当检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，判断为空气过滤网堵塞并手艮?。
9.根据权利要求6所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:风机电机工作在恒转速控制模式，当检测风量与设定风量的偏差达到一定的值时，判断为空气过滤网堵塞并手艮?。
10.根据权利要求1或2所述的一种风机电机测量风量的方法，其特征在于:Μ个风量点指至少有5个。
【文档编号】G01F1/00GK104180858SQ201410353753
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】王继忠, 周一桥, 张政, 赵勇, 张先胜, 孙海荣 申请人:中山大洋电机股份有限公司