专利名称：：一种直流无刷电机的模拟无级调速方法
技术领域：
：本发明涉及电动机的转速调节，尤其是涉及一种直流无刷电机的模拟无级调速方法。
背景技术：
：现有直流无刷电机的无级调速，有采用单片机检测转子的瞬时位置及速度，并通过控制MOSFET管的门极导通电压变化来实现的，即所谓压控调速方式。这种调速方式的实质是通过改变MOSEFT管在线性区域的阻抗控制直流无刷电机的转速，这是一段对于电压很敏感的线性区域，某个电路参数一旦改变，MOSFET管阻抗就会随之变化，电机的转速也随之改变，尤其是MOSFET管发热后的导通电流会发生变化，从而引起直流无刷电机的转速在不同的环境、场合中明显不一致。
发明内容本发明所要解决的技术问题是针对现有调速方法中MOSEFT管存在线性区域内电压过于敏感引起直流无刷电机的转速在不同的环境、场合中明显不一致的缺陷，提出一种直流无刷电机的模拟无级调速方法。本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。这种直流无刷电机的模拟无级调速方法的特点是依次有以下步骤(1)初始化开机时，将CPU处理部件的PWM调节输出限定为O，对CPU处理部件的PWM输出进行初始化，并由外部频率信号输入部件设定经过量化为至少两个档位的电机转速Ra，以及各个档位电机转速Ra相应的电机两端电压差基准值AVwft:所述量化为至少两个档位的电机转速Ra是，由外部频率信号输入部件所输入的不同频率脉冲信号来设定不同档位的电机转速Ra，即由外部频率信号输入部件是提供相应脉冲频率数据，所述脉冲频率数据与设定的档位转速一一对应，经过量化的每个档位的电机转速由CPU处理部件存储在非挥发性存储器内作为调速的基准转速。所述转速档位越多，转速的变化区间也就越小，以便实现接近无级调速的效果。所述各个档位电机转速Ra相应的电机两端电压差基准值AV^是，由电机两端电压采集部件对设定的电机每一转速档位所对应的稳定运行后的电机两端电压分别进行测试，由CPU处理部件内部的逐次逼近型模数转换器进行模数转换后计算出电机两端电压差基准值AVrefa，所计算的结果由CPU处理部件存储在非挥发性存储器内作为调速的基准电机两端电压差值。需要分别进行测试的原因是，直流无刷电机品种多样，性能不一，电机转速Ra与相应的电机两端电压差基准值AV^之间没有特定的对应关联。(2)外部输入档位判断所述模拟无级调速过程由外部频率信号输入部件输入设定的频率脉冲信号启动，即由其输入设定的频率脉冲信号提供CPU处理部件进行识别，控制直流无刷电机的模拟无级调速过程，如果CPU处理部件未采集到外部输入频率信号，就控制电机的转速为0;如果CPU处理部件采集到对应某档位转速的外部输入频率信号，就执行步骤(3)、(4)、(5)控制电机转速为相应的转速档位；(3)检测电机两端电压差当前值AV所述检测包括采集与计算，由电机两端电压采集部件对相应的转速档位所对应的电机两端电压分别进行采集，由CPU处理部件内部的逐次逼近型模数转换器进行模数转换后计算出电机两端电压差当前值AV，并与存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内的每一个设定档位所对应的电机两端电压差基准值AVref进行比较；(4)调节PWM输出如果电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值AV偏小，小于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值△Vref，即AV〈AV^，表明电机转速偏低，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比更大的PWM信号，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速增加，直至符合设定要求为止；如果电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值AV偏大，大于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值△Vref，即AV〉AV^，表明电机转速偏高，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比更小的PWM信号，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速降低，直至符合设定要求为止；(5)再检测电机两端电压差当前值AV是否和外部输入所要求的电机两端电压差基准值AVref近似相等，调速直至符合设定要求，如果未符合设定要求，差值偏小，表明电机转速偏低，需要增加，如果差值偏大，表明电机转速偏高，需要降低，返回步骤(4)再调节CPU处理部件的PWM输出，如果符合设定要求，调速完毕。本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。所述由外部频率信号输入部件所输入的不同频率脉冲信号是，满足以下要求的脉冲信号(1)频率为f。的脉冲信号，对应零档电机转速RfO，即零档位转速为0;(2)频率为f;的脉冲信号，对应第a档电机转速Ra;其中fa=(1+P%)aXf0;式中P。/。是所述相邻两档位转速对应的脉冲频率的差额百分比数；(3)100《fa+Af《20000(Hz)，其中100《fa《1000(Hz)时，Af《5(Hz);1000<fa《10000(Hz)时，Af《50(Hz);10000<fa《20000(Hz)时，Af《500(Hz)。优选的是，fo是184Hz，Af=5Hz，零档位转速对应的脉冲频率为184X95%《fQ+Af《184X105%，即为174.8Hz193.2Hz。优选的是，所述相邻两档位转速对应的脉冲频率的差额百分比数P%是15%25%。优选的是，所述包括零档位转速的各个档位转速的相应脉冲频率数据划分的档位数n+l是125，所述档位转速的变化是以一定的步长渐变，不是直接跳变。例如在电机转速R为Or/min3000r/min，设定25档位转速，则每档位转速只相差3000r/min/25=120r/min，这样小的转速变化完全可以模拟无级调速的效果，当设定转速档位从Ra=1000r/min变化到Ra+l=1120r/min时，电机的转速是以IRa'—Ra+1I/2的步长从lOOOr/min平缓增加到1120r/min，其中.-Ra'是电机第a档位釆集计算的当前转速，由电机两端电压采集部件将电机当前两端电压值送到CPU处理部件，由CPU处理部件计算当前压差所对应的转速；Rw是电机第a+1档位初始设定的基准转速，所对应的电机两端电压差基准值AVref存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内。所述电机转速从第a档位调节到第a+1档位，按以下等式进行如果Ra'<Ra，AVa+1<AVref(a+l)，Ra+1'=Ra'+(Ra+1—Ra)X(AVref(a+1)—AVa+1)/2;如果Ra+Z>Ra+，AVa+1〉AVref(a+1)，Ra+1'=Ra'—(Ra+i—Ra)X(AVa+1—AVref(a+1))/2;等式中Ra'是电机第a档位采集计算的当前转速，由电机两端电压采集部件将电机当前两端电压值送到CPU处理部件，由CPU处理部件计算当前压差所对应的转速；Ra是电机第a档位初始设定的基准转速，经人工测试得到不同的基准转速，并测试不同的基准转速所对应的电机两端电压差基准值AVw，将测试得到的电机两端电压差基准值AVw存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内rAV^是电机第a档位转速电机两端电压差基准值，此基准值和初始设定的转速值是一一对应的，不同的电机转速，电机两端电压差值不一样，人工对电机不同转速下的压差进行测试，并将不同档位电机两端电压差基准值AV她存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内；AVa是电机第a档位转速电机两端电压差当前值。设定在调速时间区间t调节一次电机转速，所述调速时间区间t值根据不同直流无刷电机的本身状态进行调节。优选的是，所述调速时间区间t为0.2秒0.5秒，大多数直流无刷电机在0.2秒0.5秒内可以运行稳定。所述调速直至符合设定要求是，调速后的当前实际转速R/与设定基准转速Ra之间的误差范围为IRa'—RaI/Ra<l%，即IAVa—AVrefai/AVrefa<l%，。符合上述不等式的要求，电机转速调节停止，否则，电机运行不会稳定。AVa为电机第a档位当前两端电压差值；AVrefa为电机第a档位存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内人工设定并固化的电机两端电压差基准值。所述由CPU处理部件调整输出的PWM信号是，频率不变、占空比即正负脉宽比可变的脉冲信号。所述控制改变串联在电机回路中的线性阻抗是，改变功率开关管的输入端直流电压。与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果如下本发明方法对电机转速进行量化，对设定档位的电机转速以及所对应的电机两端电压差值进行测试，将测试结果存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内作为调速的基准，不断调节功率开关管的导通电压使电机两端电压差达到一致。即使电机长期运转而发热，功率开关管阻抗变化仍然很小，由于大幅度减小电机转速变化的阶梯，与逐次逼近型模数转换器件配套使用，能够模拟直流无刷电机无级调速，有效弥补现有调速方法中功率开关管存在线性区域内电压过于敏感引起直流无刷电机的转速在不同环境、场合中明显不一致的缺陷，具有无级调速一致性强、成本较低的优点，一般在5秒6秒内可以调速完毕，且速度变化是逐渐递增或递减的，不会有阶越性或跳跃性的变化。本发明方法的应用范围包括各种鼓风机、冷却风扇及散热风扇所采用的直流无刷电机的无级调速。下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。附图是本发明具体实施方式的模拟无级调速过程示意图。具体实施例方式一种比亚迪F3型汽车鼓风机用直流无刷电机的模拟无级调速方法采用的直流无刷电机由汽车蓄电池供电，额定电流为15A，额定电压12V。模拟无级调速方法依次有以下步骤(1)初始化开机时，将CPU处理部件的PWM调节输出限定为O，对CPU处理部件的PWM输出进行初始化，并由外部频率信号输入部件设定经过量化为至少两个档位的电机转速Ra，以及各个档位电机转速Ra相应的电机两端电压差基准值AV,^:为说明简洁，本具体实施方式设定电机转速量化为六个档位，第0档位至第5档位，第O档位电机未转动，转速Ro二Or/min，第5档位电机转速R5=2950r/min，脉冲信号发生器分六档提供外部输入信号的频率数据如表1所示，表1的量化结果存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内，与逐次逼近型模数转换器件配套使用。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>对以上设定档位的电机转速以及在设定调速时间区间t二0.3秒内所对应的电机两端电压差值进行实际测试，设定汽车鼓风机六档位转速所对应的电机两端电压差基准值如表2所示，并将表2测试结果存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2数据由人工测试提供。设定电机第一档位转速时，必须控制MOSFET的输入电压为2.0V，使电机两端的电压差值达到2.5V;设定电机第二档位转速时，必须控制MOSFET的输入电压为2.2V，使电机两端的电压差值达到4.1V;设定电机第三档位转速时，必须控制MOSFET的输入电压为2.5V，使电机两端的电压差值达到6.2V;设定电机第四档位转速时，必须控制MOSFET的输入电压为2.8V，使电机两端的电压差值达到9.0V;设定电机第三档位转速时，必须控制MOSFET的输入电压为3.1V，使电机两端的电压差值达到12.0V。(2)外部输入档位判断所述模拟无级调速过程由外部频率信号输入部件输入设定的频率脉冲信号启动，即由其输入设定的频率脉冲信号提供CPU处理部件进行识别，控制直流无刷电机的模拟无级调速过程，如果CPU处理部件未采集到外部输入频率信号，就控制电机的转速为0;如果CPU处理部件采集到对应某档位转速的外部输入频率信号，就执行步骤(3)、(4)、(5)控制电机转速为相应的转速档位；(3)检测电机两端电压差当前值AV所述检测包括采集与计算，由电机两端电压采集部件对相应的转速档位所对应的电机两端电压分别进行采集，由CPU处理部件内部的逐次逼近型模数转换器进行模数转换后计算出电机两端电压差当前值AV，并与存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内的每一个设定档位所对应的电机两端电压差基准值AVref进行比较；(4)调节PWM输出假设用户已设定外部频率信号输入部件输入第二档位转速的外部输入频率信号，使电机当前转速为第二档位转速，现在调节外部频率信号输入部件输入第三档位转速的外部输入频率信号，即要增加电机转速。再设定由CPU处理部件调整输出的PWM信号是，频率固定为450+20Hz、占空比即正负脉宽比为4:1可变的脉冲信号，经过积分、分压处理后输入至功率开关管的输入端的直流电压值为2.4V，电机两端电压差当前值AV3二5.1V〈AVref.3二6.2V，当前实际转速113'为1950r/min<R3二2100r/min，转速偏低，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比为5:1的PWM信号，经过积分、分压处理后输入至功率开关管的输入端的直流电压值为2.6V，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速增加为R3'=2090r/min，电机两端电压差当前值改变为6.1V，直至调速后的当前实际转速R3'与设定基准转速R3之间的误差范围为iR3'—R3I/R3=0.5%<1%，即符合控制转速的误差小于1%的要求为止，PWM首次调节完毕；以上是电机转速偏低，即电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值AV小于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值AVref，即AV<AVref时的PWM输出调节；至于电机转速偏高，即电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值AV大于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值AVref，即AV〉AVref时的PWM输出调节，与以上说明类似，只是改变相应的数据。具体说明如下假设用户已设定外部频率信号输入部件输入第二档位转速的外部输入频率信号，使电机当前转速为第二档位转速，现在调节外部频率信号输入部件输入第一档位转速的外部输入频率信号，即要降低电机转速。再设定由CPU处理部件调整输出的PWM信号是，频率固定为450+20Hz、占空比即正负脉宽比为3:1可变的脉冲信号，经过积分、分压处理后输入至功率开关管的输入端的直流电压值为2.4V，电机两端电压差当前值AV,二2.8V〉△Vref-,=2.5V，当前实际转速R,'为1250r/min〉R,=1150r/mm，转速偏高，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比为2:1的PWM.信号，经过积分、分压处理后输入至功率开关管的输入端的直流电压值为2.0V，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速降低为R,'=1149r/min，电机两端电压差当前值改变为2.5V，直至调速后的当前实际转速R,'与设定基准转速R,之间的误差范围为IR,'—R,I/R,=0.1%<1%，即符合控制转速的误差小于1%的要求，PWM首次调节完毕；(5)再检测电机两端电压差当前值AV是否和外部输入所要求的电机两端电压差基准值AVref近似相等，调速直至符合设定要求，如果未符合设定要求，差值偏小，表明电机转速偏低，需要增加，如果差值偏大，表明电机转速偏高，需要降低，返回步骤(4)再调节CPU处理部件的PWM输出，如果符合设定要求，调速完毕。例如CPU采集到外部输入频率信号的档位为第一档频率信号为184Hz，电机转速对应的电机两端的电压差值为2.5V，固化在CPU处理部件非挥发性存储区内的电机第一档的转速为1150转/分，CPU处理部件会不断获取从电机两端电压采集部件送来的电机两端电压并计算压差，如果压差达不到2.5V，CPU处理部件会调节PWM输出直至电机两端的压差达到2.5V，使电机转速调节为第一档位的转速1150转/分达到为止。试用表明，本模拟无级调速方法用于比亚迪F3型汽车鼓风机调速，在设定调速时间区间t=0.3秒的条件下，如果电机两端电压差当前值AV与同一档位端电压差基准值AV^差值很小，在1秒内可以调速完毕，如果AV=AVref，不必调节，如果AV与AV^差值很大，在5秒6秒内也可以调速完毕，且风速变化是逐渐递增或递减的，不会有阶越性或跳跃性的变化。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。权利要求1.一种直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于依次有以下步骤(1)初始化开机时，将CPU处理部件的PWM调节输出限定为0，对CPU处理部件的PWM输出进行初始化，并由外部频率信号输入部件设定经过量化为至少两个档位的电机转速Ra，以及各个档位电机转速Ra相应的电机两端电压差基准值ΔVrefa；(2)外部输入档位判断所述模拟无级调速过程由外部频率信号输入部件输入设定的频率脉冲信号启动，即由其输入设定的频率脉冲信号提供CPU处理部件进行识别，控制直流无刷电机的模拟无级调速过程，如果CPU处理部件未采集到外部输入频率信号，就控制电机的转速为0；如果CPU处理部件采集到对应某档位转速的外部输入频率信号，就执行步骤(3)、(4)、(5)控制电机转速为相应的转速档位；(3)检测电机两端电压差当前值ΔV所述检测包括采集与计算，由电机两端电压采集部件对相应的转速档位所对应的电机两端电压分别进行采集，由CPU处理部件内部的逐次逼近型模数转换器进行模数转换后计算出电机两端电压差当前值ΔV，并与存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内的每一个设定档位所对应的电机两端电压差基准值ΔVref进行比较；(4)调节PWM输出如果电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值ΔV偏小，小于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值ΔVref，即ΔV＜ΔVref，表明电机转速偏低，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比更大的PWM信号，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速增加，直至符合设定要求为止；如果电机两端电压采集部件采集的电机两端电压差当前值ΔV偏大，大于存储在CPU处理部件的非挥发性存储器内同一档位端电压差基准值ΔVref，即ΔV＞ΔVref，表明电机转速偏高，就由CPU处理部件调整内部定时器或内部的PWM模块输出占空比即正负脉宽比更小的PWM信号，控制改变串联在电机回路中的线性阻抗，使电机的转速降低，直至符合设定要求为止；(5)再检测电机两端电压差当前值ΔV是否和外部输入所要求的电机两端电压差基准值ΔVref近似相等，调速直至符合设定要求，如果未符合设定要求，差值偏小，表明电机转速偏低，需要增加，如果差值偏大，表明电机转速偏高，需要降低，返回步骤(4)再调节CPU处理部件的PWM输出，如果符合设定要求，调速完毕。2.根据权利要求1所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述量化为至少两个档位的电机转速Ra是，由外部频率信号输入部件所输入的不同频率脉冲信号来设定不同档位的电机转速Ra，即由外部频率信号输入部件是提供相应脉冲频率数据，所述脉冲频率数据与设定的档位转速一一对应，经过量化的每个档位的电机转速由CPU处理部件存储在非挥发性存储器内作为调速的基准转速。3.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述各个档位电机转速Ra相应的电机两端电压差基准值AV^是，由电机两端电压采集部件对设定的电机每一转速档位所对应的稳定运行后的电机两端电压分别进行测试，由CPU处理部件内部的逐次逼近型模数转换器进行模数转换后计算出电机两端电压差基准值AVrefa，所计算的结果由CPU处理部件存储在非挥发性存储器内作为调速的基准电机两端电压差值。4.根据权利要求3所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述由外部频率信号输入部件所输入的不同频率脉冲信号是，满足以下要求的脉冲信号(1)频率为fo的脉冲信号，对应零档电机转速RfO，即零档位转速为0;(2)频率为i;的脉冲信号，对应第a档电机转速Ra;其中fa=(1+P%)aXf0;式中Py。是所述相邻两档位转速对应的脉冲频率的差额百分比数；(3)100《fa+Af《20000(Hz)，其中100《fa《1000(Hz)时，Af《5(Hz);1000<fa《10000(Hz)时，Af《50(Hz);10000<fa《20000(Hz)时，Af《500(Hz)。5.根据权利要求4所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述相邻两档位转速对应的脉冲频率的差额百分比数PM是15%25%。6.根据权利要求5所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述包括零档位转速的各个档位转速的相应脉冲频率数据划分的档位数n+l是125，所述档位转速的变化是以一定的步长渐变，不是直接跳变。7.根据权利要求6所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述设定的调速时间区间t为0.2秒0.5秒。8.根据权利要求7所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述调速直至符合设定要求是，调速后的当前实际转速R/与设定基准转速Ra之间的误差范围为IRa'_RaI/Ra<l%。9.根据权利要求8所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述由CPU处理部件调整输出的PWM信号是，频率不变、占空比即正负脉宽比可变的脉冲信号。10.根据权利要求9所述的直流无刷电机的模拟无级调速方法，其特征在于所述控制改变串联在电机回路中的线性阻抗是，改变功率开关管的输入端直流电压。全文摘要一种直流无刷电机的模拟无级调速方法，依次有以下步骤(1)初始化；(2)外部输入档位判断；(3)检测电机两端电压差当前值；(4)调节PWM输出；(5)再检测电机两端电压差当前值是否和外部输入所要求的电机两端电压差基准值近似相等，调速直至符合设定要求。本发明对电机转速进行量化，对设定档位的电机转速以及所对应的电机两端电压差值进行测试，大幅度减小电机转速变化的阶梯，与逐次逼近型模数转换器件配套使用，有效弥补现有调速方法会引起直流无刷电机的转速在不同环境、场合中明显不一致的缺陷，具有无级调速一致性强、成本较低的优点。本发明方法的应用范围包括各种鼓风机、冷却风扇及散热风扇所采用的直流无刷电机的无级调速。文档编号H02P6/08GK101098116SQ20061006147公开日2008年1月2日申请日期2006年6月30日优先权日2006年6月30日发明者兰艺零,廖国新申请人:比亚迪股份有限公司