專利名稱：一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有刷直流電機調速控制領域，具體涉及一種有刷直流電機的補償反饋調速控制裝置及其方法，特別適用于汽車空調鼓風機與汽車發(fā)動機冷卻風扇的PWM調速控制。
背景技術：
為提高駕乘的舒適性與安全性，汽車電子化控制成為發(fā)展的趨勢，而控制的很多目標場合都以驅動直流電機作為執(zhí)行元件。有刷直流電機的調速本質是通過改變電機的端電壓，目前非常流行的控制方式是PWM開關控制?？紤]到成本因素，汽車電子系統(tǒng)(如空調系統(tǒng)的鼓風機、發(fā)動機冷卻風扇)中的有刷直流電機PWM調速一般采用開環(huán)控制，直接通過E⑶輸入的占空比信號，控制電機驅動的占空比來控制電機轉速，這種開環(huán)控制只是對電機調速的一種近似控制，不能達到穩(wěn)定的閉環(huán)控制效果；國外有些廠家，如西門子、VALEO 等廠家的產品方案中也加入了某種形式的電壓反饋，保證控制的期望電壓恒定，從而保證電機的調速性能，但這只是理想狀態(tài)，實際的電機是有內阻的，該部分也產生一定的電壓分量，并以熱的形式損耗掉，該損耗與通過電機的電流平方成正比，其中電流正比于電機轉軸上的負載，當電機的負載變化時，損耗也會變化，進而導致轉速的變化。
為了克服這種由電機電樞內阻引起的轉速變化，可以增加相應的速度傳感器，在電壓環(huán)外面再增加一個速度控制閉環(huán)，這種方法固然可以達到預期的控制效果，但需要增加額外的速度傳感器，利用轉速表來進行閉環(huán)控制，這樣不但增加了成本，提高了控制的復雜性，在有些應用場合可能沒有相應的安裝條件，所以在汽車空調鼓風機及發(fā)動機冷卻風扇的電機控制中很少采用這種控制策略。本發(fā)明在不增加任何速度、電流傳感器的基礎上， 提出一種簡單、可靠、成本低廉的帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置及其方法，可用于汽車電子中相關有刷直流電機控制系統(tǒng)中，尤其適合于汽車空調鼓風機與汽車發(fā)動機冷卻風扇等速度控制要求不是特別精確的PWM調速控制應用場合。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提供一種采用閉環(huán)PWM調速、通過電機的電壓反饋和電流反饋環(huán)節(jié)保證電機端電壓和轉速恒定的帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置及其方法。
本發(fā)明的方法中對有刷直流電機的調速控制是通過采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)和采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)的，其中速度增益環(huán)節(jié)提供電壓反饋，電流補償控制環(huán)節(jié)則提供用于補償電機電樞內阻引起損耗的電流反饋；本發(fā)明的裝置中的反饋控制器包含上述兩個環(huán)節(jié)，且本發(fā)明的裝置能夠用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法，因此本發(fā)明的裝置及其方法屬于一個總的發(fā)明構思。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的調速裝置所采用的技術方案為一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是包括與電機連接的反饋控制器，電機端電壓信號和電機電流信號分別接入反饋控制器的輸入端，反饋控制器的輸出端通過PI控制器連至電機。
作為對上述調速裝置采用的技術方案的進一步改進，PI控制器輸出PWM信號。
又進一步地，PI控制器通過開關功率器件MOSFET連接至電機，開關功率器件 MOSFET和PI控制器之間還設有預驅動單元。
更進一步地，開關功率器件MOSFET的漏極與供電電源連接，其源極連接電機正端，其柵極連接預驅動單元；電機與采樣電阻串聯(lián)，采樣電阻連接于電機負端。
作為對上述調速裝置采用的技術方案的進一步改進，電機兩端并聯(lián)一蓄流二極管。
本裝置的工作原理如下由反饋控制器采集電機正端電壓和電機工作電流，電機正端電壓(電機輸出實際轉速)直接通過反饋控制器的速度增益環(huán)以負反饋的形式反饋至電機輸出端(指電機和負載構成的回路)，電機工作電流通過采樣電阻的形式采集，通過電流補償控制環(huán)節(jié)同樣以負反饋的形式反饋至電機輸出端；反饋控制器預設的期望電機轉速給定信號與速度增益環(huán)節(jié)、電流補償控制環(huán)節(jié)兩個負反饋組成閉環(huán)輸出，其輸出的誤差信號通過一個PI控制器，輸出不斷改變占空比的PWM信號，PWM信號通過預驅動單元驅動開關功率器件MOSFET來調節(jié)電機的正端電壓，從而保證電機的輸出轉速恒定。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的調速方法所采用的技術方案為一種帶補償反饋的有刷直流電機調速方法，其特征是在反饋控制器內設置用于采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)、用于采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)；反饋控制器分析電機端電壓信號、電機工作電流信號和預設的期望電機轉速給定信號，得出誤差信號，上述的誤差信號經(jīng)過PI控制器的調節(jié)，生成所需的不斷改變占空比的PWM信號，PWM信號通過預驅動單元驅動開關功率器件M0SFET，調節(jié)與MOSFET相連的電機的正端電壓，從而保證電機的輸出轉速恒定。
作為對上述的調速方法的進一步改進，速度增益環(huán)節(jié)在采集的電機端電壓信號與預設的期望電機轉速給定信號之間建立其相應的耦合關系，并以適當?shù)牧糠答佒岭姍C輸出端；所述的電流補償控制環(huán)節(jié)通過采集電機工作電流，根據(jù)電機電樞內阻特性建立由電機電樞內阻對負載變化所引起的電機轉速偏差之間的最優(yōu)解耦關系，并以適當?shù)牧糠答佒岭姍C輸出端。
本發(fā)明所具有的有益效果為通過速度增益環(huán)節(jié)采集并分析電機正端電壓，然后反饋至電機輸出端，通過電流補償控制環(huán)節(jié)糾正電機電樞內阻對負載變化所導致的轉速偏差，實現(xiàn)電機轉速的閉環(huán)控制，速度增益環(huán)節(jié)和電流補償控制環(huán)節(jié)采用軟件或模擬電路實現(xiàn)，不需要增加額外的速度、電流傳感器，控制簡單，成本低廉，通用性強；采用PWM調速技術，提高整個系統(tǒng)的效率，大大降低了損耗，節(jié)能環(huán)保；采用PI控制，保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、誤差精度與動態(tài)響應速度。


圖1為有刷直流電機供電及內部原理圖2為本發(fā)明的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置圖3為本發(fā)明的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速流程圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
圖1為有刷直流電機供電及內部原理圖，從圖中可以看出，一個有刷直流電機工作時主要電氣部件由電樞內阻R、電感L及一個電壓源V三個部分組成；電壓源V為直流電機供電電源，表示施加在電機兩端的電壓，電壓的大小決定了電機的轉速；L表示電機中電樞的磁場，該部分使電機旋轉做功，將電能轉換為機械能；電樞內阻R是繞制電機線圈所需電線的內阻，當電流I流經(jīng)電樞內阻R時將產生電壓降并消耗功率轉換為熱量。為了克服這種由電機電樞內阻R引起的轉速變化，可用兩種補救措施，一個方法是利用轉速反饋來調節(jié)輸送到電機兩端的電壓，從而維持電機轉速的恒定；另一種方法就是對這些損耗進行補償。本發(fā)明采用的技術方案主要是后者的控制思想，來獲得一種近似的轉速控制方法，即所謂的電流補償控制環(huán)節(jié)。
本發(fā)明的方法中對有刷直流電機M的調速控制是通過采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)H和采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)Ir實現(xiàn)的，其中速度增益環(huán)節(jié)H提供電壓反饋，電流補償控制環(huán)節(jié)Ir則提供用于補償電機電樞內阻弓丨起損耗的電流反饋；本發(fā)明的裝置中的反饋控制器包含上述兩個環(huán)節(jié)，且本發(fā)明的裝置能夠用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法，因此本發(fā)明的裝置及其方法屬于一個總的發(fā)明構思。
根據(jù)圖2，一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是包括與電機M連接的反饋控制器，電機端電壓信號和電機工作電流信號分別接入反饋控制器的輸入端，其中電機端電壓信號輸入速度增益環(huán)節(jié)H，電機工作電流信號輸入電流補償控制環(huán)節(jié)Ir ；反饋控制器的輸出端輸出的信號進入PI控制器，經(jīng)過PI調節(jié)后生成所需要的PWM信號，又PI 控制器連至電機M，因此PWM信號能調節(jié)電機端電壓；PI控制器通過開關功率器件MOSFET Q連接至電機M,開關功率器件MOSFET Q和PI控制器之間還設有與預驅動單元；開關功率器件MOSFET Q接于高端，其漏極D與供電電源Vb連接，其源極S連接電機M正端，其柵極 G連接預驅動單元；電機M兩端并聯(lián)一蓄流二極管Dl ；采樣電阻R串聯(lián)在主回路中，一端接電機M負端，另一端接地。
本裝置的工作原理如下由反饋控制器采集電機M的正端電壓U和電機工作電流 I，電機M正端電壓U(電機M輸出實際轉速)直接通過反饋控制器的速度增益環(huán)H以負反饋的形式反饋至電機M輸出端(指電機M和負載構成的回路)，電機工作電流I通過采樣電阻R的形式采集，通過電流補償控制環(huán)節(jié)Ir同樣以負反饋的形式反饋至電機M輸出端；反饋控制器預設的期望電機轉速給定信號Vs與速度增益環(huán)節(jié)H、電流補償控制環(huán)節(jié)Ir兩個負反饋組成閉環(huán)輸出，其輸出的誤差信號Δ err通過一個PI控制器，輸出不斷改變占空比的 PWM信號，PWM信號通過預驅動單元驅動功率開關MOSFET Q，通過不斷調節(jié)輸出PWM信號的占空比，來調節(jié)電機M的正端電壓，從而保證電機M的輸出轉速恒定。
下面根據(jù)圖2和圖3說明一種帶補償反饋的有刷直流電機調速方法在反饋控制器內設置用于采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)H、用于采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)Ir ；反饋控制器分析電機端電壓信號、電機工作電流信號和預設的期望電機轉速給定信號Vs，得出誤差信號Aerr,上述的誤差信號Δ err經(jīng)過PI控制器的調節(jié)，生成所需的不斷改變占空比的PWM信號，PWM信號通過預驅動單元驅動開關功率器件MOSFET Q，調節(jié)與MOSFET Q相連的電機M的正端電壓，從而保證電機M的輸出轉速恒定。
為實現(xiàn)電機調速的閉環(huán)反饋控制，需要兩個采樣信號即電機正端電壓U與電機工作電流I。對于有刷直流電機來說，電機正端電壓U的大小與其轉速成正比，因此可以用采集電機端電壓的方式來取代轉速傳感器，即速度增益環(huán)節(jié)H來近似代替轉速控制環(huán)；采集電機工作電流的作用有兩個，一是用作電機控制系統(tǒng)中堵轉、短路及電機過載的過流保護， 二是構成電流補償控制環(huán)節(jié)Ir，用來消除由于電機電樞內阻R對負載變化引起電機轉速的變化。
速度增益環(huán)節(jié)H在采樣的電機端電壓信號與期望電機轉速給定信號之間建立起相應的解耦關系，并以適當?shù)牧恳载摲答伒男问椒答佒岭姍C輸出端，速度增益環(huán)節(jié)H是整個電機閉環(huán)調速系統(tǒng)的主體，其設計是否合理至關重要，直接決定了該調速系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 速度增益環(huán)節(jié)H的解耦關系如下式所示
Cv = H· IP(I)
式中Cv為速度反饋輸入量，R為采樣電阻阻值，I為電機工作電流，H為速度反饋環(huán)節(jié)增益量，速度反饋環(huán)節(jié)增益量H為電機端電壓(實際為電機實際轉速)與期望電機轉速之間的差值。
電流補償控制環(huán)節(jié)Ir通過采樣電機工作電流I，并針對具體的電機電樞內阻特性，通過適當?shù)奶幚?，建立由于電機電樞內阻對負載變化所引起的轉速偏差之間的，并以適當?shù)牧糠答佒岭姍C輸出端，電流補償控制環(huán)節(jié)Ir是保證電機調速系統(tǒng)不受負載變化，維持轉速穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。Ir補償控制環(huán)節(jié)通過負反饋的形式反饋到輸入端，反饋量通過以下函數(shù)關系來實現(xiàn)解耦
Clr = f(Ir) (2)
式中C^為反饋輸入量，r為電機電樞內阻，I為電機工作電流，f為解耦函數(shù)的對應法則。式(1)所示的具體函數(shù)映射關系與具體的有刷電機特性及調速應用場合決定，一般情況下該映射關系為線性函數(shù)，具體參數(shù)設定可先根據(jù)電機的參數(shù)及負載情況進行計算， 并通過具體的試驗數(shù)據(jù)進行修正完善，從而實現(xiàn)最優(yōu)解耦。速度反饋輸入量Cv和反饋輸入量C^疊加構成上述的誤差信號Δ err。
參與系統(tǒng)反饋控制的兩個采樣信號與期望電機轉速給定信號一起構成負反饋控制，輸出的誤差信號Δ err通過一個PI控制器，經(jīng)過PI調節(jié)后生成所需要的PWM信號。根據(jù)不同的電機系統(tǒng)特征，通過設定適當?shù)谋壤禂?shù)，來調節(jié)系統(tǒng)的響應調節(jié)轉速；通過設定恰當?shù)姆e分系數(shù)，來調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定誤差。PI參數(shù)的設定是否合理是保證整個電機調速系統(tǒng)穩(wěn)定性、誤差精度及動態(tài)響應轉速的決定因素。上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是包括與電機連接的反饋控制器，電機端電壓信號和電機電流信號分別接入反饋控制器的輸入端，反饋控制器的輸出端通過PI控制器連至電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是所述的PI控制器輸出PWM信號。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是 所述的PI控制器通過開關功率器件MOSFET連接至電機，開關功率器件MOSFET和PI控制器之間還設有預驅動單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是所述的開關功率器件MOSFET的漏極與供電電源連接，其源極連接電機正端，其柵極連接預驅動單元。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是所述的電機與采樣電阻串聯(lián)，采樣電阻連接于電機負端。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速裝置，其特征是所述的電機兩端并聯(lián)一蓄流二極管。
7.一種帶補償反饋的有刷直流電機調速方法，其特征是在反饋控制器內設置用于采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)、用于采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)；反饋控制器分析電機端電壓信號、電機工作電流信號和預設的期望電機轉速給定信號，得出誤差信號，上述的誤差信號經(jīng)過PI控制器的調節(jié)，生成所需的不斷改變占空比的PWM信號，PWM信號通過預驅動單元驅動開關功率器件M0SFET，調節(jié)與MOSFET相連的電機的正端電壓，從而保證電機的輸出轉速恒定。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種帶補償反饋的有刷直流電機調速方法，其特征是所述的速度增益環(huán)節(jié)在采集的電機端電壓信號與預設的期望電機轉速給定信號之間建立其相應的耦合關系，并以適當?shù)牧糠答佒岭姍C輸出端；所述的電流補償控制環(huán)節(jié)通過采集電機工作電流，根據(jù)電機電樞內阻特性建立由電機電樞內阻對負載變化所引起的電機轉速偏差之間的最優(yōu)解耦關系，并以適當?shù)牧糠答佒岭姍C輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及有刷直流電機調速控制領域，具體涉及一種有刷直流電機的補償反饋調速控制裝置及其方法，本發(fā)明的方法中對有刷直流電機的調速控制是通過采集并分析電機端電壓信號的速度增益環(huán)節(jié)和采集并分析電機工作電流信號的電流補償控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)的，其中速度增益環(huán)節(jié)提供電壓反饋，電流補償控制環(huán)節(jié)則提供用于補償電機電樞內阻引起損耗的電流反饋；本發(fā)明的裝置中的反饋控制器包含上述兩個環(huán)節(jié)，且本發(fā)明的裝置能夠用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法，本發(fā)明所具有的有益效果為通過速度增益環(huán)節(jié)實現(xiàn)電機轉速的閉環(huán)控制，不需要增加額外的速度傳感器，通過電流補償控制環(huán)節(jié)糾正電機電樞內阻對負載變化所導致的轉速偏差，控制簡單，成本低廉，通用性強。
文檔編號H02P7/28GK102497143SQ201110357909
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權日2011年11月11日
發(fā)明者伍春生, 朱建方 申請人:江蘇浩峰汽車附件有限公司