CN112769357B - 一种直流电机软启动控制方法及*** - Google Patents

一种直流电机软启动控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流电机软启动控制方法及***，所述方法包括：将电机启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，驱动波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，驱动波形为高电平直流电压。采用本发明的技术方案，无需采用软启动电阻就可以实现电机软启动，实现方式简单。

Description

一种直流电机软启动控制方法及***
技术领域
本发明涉及直流电机控制领域，尤其涉及一种直流电机软启动控制方法及***。
背景技术
直流电机广泛应用于航空航天、冶金、新能源、纺织制造等领域，其具有结构简单，成本低，控制方便的优点。小型直流电机控制简单，仅通过提供直流电源即可启动工作，但部分情况下会存在启动电流大，启动困难等问题，常规的软启动控制方法都是通过增加软起电阻，抑制启动尖峰电流，实现电机软启动。该方法虽然可以在一定程度上解决电机启动问题，但软起电阻需求功耗较大，存在散热问题，且会降低***效率，增加***成本和体积。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的直流电机启动时采用软起电阻导致功耗大散热难的技术问题，本发明提出一种直流电机软启动控制方法及***的解决方案。
本发明实施例中，提供了一种直流电机软启动控制方法，其包括：
将电机启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，驱动波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，驱动波形为高电平直流电压。
本发明实施例中，所述PWM脉冲中，导通时间和关断时间ton、toff通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002888331050000011
Figure BDA0002888331050000021
其中，VDR为电机驱动电路输出电压，VC为电机端口滤波电路等效电容两端电压，RDR为电机驱动线路等效电阻，LDR为电机驱动线路等效电感，C为设置于电机与驱动电路之间的滤波电路等效电容，Rm为直流电机内阻，Lm为直流电机线圈电感，IDR为驱动电流，IC为电容电流，Im为电机电流。
本发明实施例中，所述PWM脉冲的频率通过如下方式获得：
将所述PWM脉冲设定为固定占空比，并设置初始频率，然后将初始频率增大一倍并判断是否会触发过流保护，来快速找到fx与fy，其中，fx为不会触发过流保护的频率值，fy为会触发过流保护的频率值，接下来将初始频率设置为(fx+fy)/2，继续判断是否会触发过流保护，通过多次迭代，得到最终的fx作为所述PWM脉冲的频率。
本发明实施例中，使用驱动电流峰值反馈值及驱动峰值电流指令值进行环路调节，来得到所述PWM脉冲的频率。
本发明实施例中，还提供了一种直流电机软启动控制***，其包括：控制单元、驱动电路及电机，所述控制单元用于控制所述驱动电路发出驱动信号，驱动所述电机工作，所述控制单元将所述电机的启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，所述驱动信号的波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，所述驱动信号的波形为高电平直流电压。
本发明实施例中，所述驱动电路和所述电机之间还设置有电机端口滤波电路，所述控制单元和所述电机驱动电路之间还设置有电流检测与保护电路。
本发明实施例中，所述PWM脉冲中，导通时间和关断时间ton、toff通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002888331050000022
Figure BDA0002888331050000031
其中，VDR为电机驱动电路输出电压，VC为电机端口滤波电路等效电容两端电压，RDR为电机驱动线路等效电阻，LDR为电机驱动线路等效电感，C为设置于电机与驱动电路之间的滤波电路等效电容，Rm为直流电机内阻，Lm为直流电机线圈电感，IDR为驱动电流，IC为电容电流，Im为电机电流。
本发明实施例中，所述控制单元通过如下方式获得所述PWM脉冲的频率：
将所述PWM脉冲设定为固定占空比，并设置初始频率，然后将初始频率增大一倍并判断是否会触发过流保护，来快速找到fx与fy，其中，fx为不会触发过流保护的频率值，fy为会触发过流保护的频率值，接下来将初始频率设置为(fx+fy)/2，继续判断是否会触发过流保护，通过多次迭代，得到最终的fx作为所述PWM脉冲的频率。
本发明实施例中，所述控制单元使用驱动电流峰值反馈值及驱动峰值电流指令值进行环路调节，来得到所述PWM脉冲的频率。
与现有技术相比较，采用本发明的直流电机软启动控制方法及***，将所述电机的启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，所述驱动信号的波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，所述驱动信号的波形为高电平直流电压，无需采用软启动电阻就可以实现电机软启动，实现方式简单，无需增加额外的器件和成本，可有效节省成本、体积，产品适应性强；另外，针对不同电机的特性，可采用二分法的方式进行开环调节，快速匹配参数，也可通过闭环调节方式，保证驱动峰值电流的稳定，实现电机的软启动。
附图说明
图1是一种典型的直流电机控制***架构图。
图2是一种典型的直流电机及其控制***框图。
图3为直流电机驱动电路简化电路图。
图4是未增加缓起策略的电机启动部分电压电流波形。
图5是本发明实施例的直流电机的软启动控制方法中电机启动部分电压电流波形。
图6是本发明实施例的采用二分法计算所述PWM脉冲频率的流程图。
图7是本发明实施例的可使用驱动电流峰值反馈闭环来动态调节PWM频率的控制闭环的框图。
具体实施方式
图1是一种典型的直流电机控制***架构图。所示直流电机控制***包括电机驱动单元、控制单元及直流电机单元。所述控制单元用于检测电机工作状态，并根据***需求及算法控制驱动单元动作。所述电机驱动单元用于接收所述控制单元的控制信号，驱动电机工作。
图2是一种典型的直流电机控制***框图，为图1的进一步分解。其中，所述控制单元包含控制芯片和位置检测电路。所述控制芯片用来实现电机控制算法、提供驱动逻辑信号。所述位置检测电路用来检测电机运行状态。所述电机驱动单元包含驱动电路和电流检测与保护电路，其中，驱动电路可以是带电流保护的驱动芯片，也可以是分立开关器件搭建的开关电路。所述电流检测与保护电路用于检测所述驱动电路的驱动电流，并将检测到的电流信号传递给所述控制芯片，通过所述控制芯片实现过流保护。所述直流电机单元包含直流电机、位置检测开关装置及滤波电路。所述位置检测开关装置用来反馈电机运行状态。所述滤波电路设置于所述驱动电路和直流电机之间，用来增强***的抗电磁干扰能力。
图3为图2中直流电机驱动电路的简化电路图。其中，VDR为电机驱动电路输出电压，VC为电机端口滤波电路等效电容两端电压，RDR为电机驱动线路等效电阻，LDR为电机驱动线路等效电感，C为设置于电机与驱动电路之间的滤波电路等效电容，Rm为直流电机内阻，Lm为直流电机线圈电感，IDR为驱动电流，IC为电容电流，Im为电机电流。
图4是未增加缓起策略的电机启动部分电压电流波形。其中VDR为驱动电路输出电压波形，直接高电平方式驱动，VC为电机端口滤波电路等效电容两端电压波形，IDR为驱动电路输出电流波形。电机软启动分为电容充电阶段和电机启动阶段，电容充电阶段，VDR会通过驱动线路阻抗给端口电容充电，由于线路阻抗很小，其冲击电流很大，假设最大冲击电流为Ipk1，Ipk1与电容大小和线路阻抗相关；电机启动阶段，待电容充满电后，VDR驱动电机软起，其最大启动电流为Ipkm，Ipkm跟电机本身特性相关，通常Ipk1会远远大于Ipkm，为Ipkm的5～10倍。通常设计电机驱动电路时，仅根据Ipkm考量其最大驱动电流能力和保护阈值Ipro，Ipro通常设为Ipkm的1.5～2倍，显然Ipk1会大于Ipro，所述驱动单元会在电容充电阶段报过流故障，关闭直流供电，电机未能成功启动。若设计驱动时考量最大驱动电流能力大于Ipk1，会导致驱动电路成本直线上升，且不同直流电机，针对不同应用场景下，其滤波电路参数差异较大，即Ipk1差异较大，通过硬件增大驱动电流，***适应性较差。
图5是采用本发明实施例的直流电机软启动方法的电机启动部分电压电流波形。其中VDR为驱动电路输出电压波形，VC为电机端口滤波电路等效电容两端电压波形，IDR为驱动电路输出电流波形。本发明实施例中，所述电机软启动控制方法包括：将电机启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，驱动波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，驱动波形为高电平直流电压。
采用本发明实施例的电机软启动控制方法，通过增加软起脉冲驱动的控制方式，来给电容预充电，可降低电容充电导致的过电流，具体工作波形如图5所示。通过增加PWM脉冲进行软启动，可有效降低驱动电流IDR的峰值，其峰值电流Ipk2的大小可通过升高PWM发波频率或者降低PWM导通占空比来实现。但PWM导通占空比不能无限降低，因为PWM关断期间，电容两端电压会处于放电状态，需确保一个PWM周期内，电容的充电电压要大于放电电压。PWM的频率及导通占空比需要配合驱动回路阻抗RDR、直流电机内阻Rm、滤波电路电容C等参数进行匹配，下面将根据图3所示电机驱动***简化电路图，给出具体的PWM频率及占空比设计思路。
对于导通时间ton内：
Figure BDA0002888331050000061
对于关断时间toff内：
Figure BDA0002888331050000062
由于驱动线路等效电阻RDR远小于电机内阻Rm，同时，电机绕组感量Lm相对较大，且在启动时Im基本从零电流开始上升。因此，在PWM发波软起阶段，实际可近似为对于滤波电路的电容C进行充放电，驱动线路等效电阻RDR为充电电阻，直流电机内阻Rm为放电电阻。因此，公式(3.1)可简化成：
Figure BDA0002888331050000063
公式(3.2)可简化成：
Figure BDA0002888331050000064
针对确定厂家型号的电机，Rm、Lm、C均可通过实际测试得到，RDR、LDR可通过驱动线线径、长短进行理论计算，在已知以上参数的情况下，通过式(3.3)和式(3.4)可以很容易的确定出合适的PWM脉冲的参数范围。
如图6所示，在本发明实施例中，可在初始设置PWM脉冲频率及占空比方式下，使用二分法来不断尝试变换PWM脉冲频率，测试驱动电路是否会报过流保护，来快速得到匹配***的PWM脉冲频率。所述方法具体包括：将所述PWM脉冲设定为固定占空比，并设置初始频率，然后将初始频率增大一倍并判断是否会触发过流保护，来快速找到fx与fy，其中，fx为不会触发过流保护的频率值，fy为会触发过流保护的频率值，接下来将初始频率设置为(fx+fy)/2，继续判断是否会触发过流保护，通过多次迭代，得到最终的fx作为所述PWM脉冲的频率。
如图7所示，在本发明实施例中，可使用驱动电流峰值反馈值及驱动峰值电流指令值进行环路调节，来得到所述PWM脉冲的频率。其中，Ipro_set为驱动峰值电流指令，Ipro_set需小于驱动峰值电流阈值Ipro，并留有一定的裕量，IDR_pk为驱动电流峰值反馈，Gi(s)为环路调节器，典型环路调节器如PI调节器。软起阶段采用峰值电流闭环控制，调节PWM驱动频率，稳定驱动电流峰值，确保电机可正常启动工作。
综上所述，采用本发明的直流电机软启动控制方法及***，将所述电机的启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，所述驱动信号的波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，所述驱动信号的波形为高电平直流电压，无需采用软启动电阻就可以实现电机软启动，实现方式简单，无需增加额外的器件和成本，可有效节省成本、体积，产品适应性强；另外，针对不同电机的特性，可采用二分法的方式进行开环调节，快速匹配参数，也可通过闭环调节方式，保证驱动峰值电流的稳定，实现电机的软启动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流电机软启动控制方法，所述电机和用于驱动所述电机的驱动电路之间设置一与所述电机并联的滤波电路，所述滤波电路具有一等效电容，其特征在于，包括：
将电机启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，驱动波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，驱动波形为高电平直流电压，
所述PWM脉冲中，导通时间和关断时间ton、toff通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003815937680000011
Figure FDA0003815937680000012
其中，VDR为电机驱动电路输出电压，VC为所述滤波电路的等效电容的两端电压，RDR为电机驱动线路等效电阻，LDR为电机驱动线路等效电感，C为所述滤波电路的等效电容，Rm为直流电机内阻，Lm为直流电机线圈电感，IDR为驱动电流，IC为电容电流，Im为电机电流，
所述PWM脉冲的频率通过如下方式获得：
将所述PWM脉冲设定为固定占空比，并设置初始频率，然后将初始频率增大一倍并判断是否会触发过流保护，来快速找到fx与fy，其中，fx为不会触发过流保护的频率值，fy为会触发过流保护的频率值，接下来将初始频率设置为(fx+fy)/2，继续判断是否会触发过流保护，通过多次迭代，得到最终的fx作为所述PWM脉冲的频率。
2.如权利要求1所述的直流电机软启动控制方法，其特征在于，使用驱动电流峰值反馈值及驱动峰值电流指令值进行环路调节，来得到所述PWM脉冲的频率。
3.一种直流电机软启动控制***，其特征在于，包括：控制单元、驱动电路及电机，所述控制单元用于控制所述驱动电路发出驱动信号，所述驱动电路用于根据所述驱动信号驱动所述电机工作，所述驱动电路和所述电机之间设置一与所述电机并联的滤波电路，所述滤波电路具有一等效电容，所述控制单元将所述电机的启动过程分为电容充电阶段和位于电容充电阶段后的电机启动阶段，在电容充电阶段，所述驱动信号的波形为PWM脉冲，在电机启动阶段，所述驱动信号的波形为高电平直流电压，
所述PWM脉冲中，导通时间和关断时间ton、toff通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003815937680000021
Figure FDA0003815937680000022
其中，VDR为电机驱动电路输出电压，VC为所述滤波电路等效电容的两端电压，RDR为电机驱动线路等效电阻，LDR为电机驱动线路等效电感，C为所述滤波电路的等效电容，Rm为直流电机内阻，Lm为直流电机线圈电感，IDR为驱动电流，IC为电容电流，Im为电机电流，
所述PWM脉冲的频率通过如下方式获得：
将所述PWM脉冲设定为固定占空比，并设置初始频率，然后将初始频率增大一倍并判断是否会触发过流保护，来快速找到fx与fy，其中，fx为不会触发过流保护的频率值，fy为会触发过流保护的频率值，接下来将初始频率设置为(fx+fy)/2，继续判断是否会触发过流保护，通过多次迭代，得到最终的fx作为所述PWM脉冲的频率。
4.如权利要求3所述的直流电机软启动控制***，其特征在于，所述控制单元和所述电机驱动电路之间还设置有电流检测与保护电路。
5.如权利要求3所述的直流电机软启动控制***，其特征在于，所述控制单元使用驱动电流峰值反馈值及驱动峰值电流指令值进行环路调节，来得到所述PWM脉冲的频率。
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