CN102497143A - 一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有刷直流电机调速控制领域，具体涉及一种有刷直流电机的补偿反馈调速控制装置及其方法，本发明的方法中对有刷直流电机的调速控制是通过采集并分析电机端电压信号的速度增益环节和采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节实现的，其中速度增益环节提供电压反馈，电流补偿控制环节则提供用于补偿电机电枢内阻引起损耗的电流反馈；本发明的装置中的反馈控制器包含上述两个环节，且本发明的装置能够用于实现本发明的方法，本发明所具有的有益效果为：通过速度增益环节实现电机转速的闭环控制，不需要增加额外的速度传感器，通过电流补偿控制环节纠正电机电枢内阻对负载变化所导致的转速偏差，控制简单，成本低廉，通用性强。

Description

一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法

技术领域

本发明涉及有刷直流电机调速控制领域，具体涉及一种有刷直流电机的补偿反馈调速控制装置及其方法，特别适用于汽车空调鼓风机与汽车发动机冷却风扇的PWM调速控制。

背景技术

为提高驾乘的舒适性与安全性，汽车电子化控制成为发展的趋势，而控制的很多目标场合都以驱动直流电机作为执行元件。有刷直流电机的调速本质是通过改变电机的端电压，目前非常流行的控制方式是PWM开关控制。考虑到成本因素，汽车电子系统(如空调系统的鼓风机、发动机冷却风扇)中的有刷直流电机PWM调速一般采用开环控制，直接通过ECU输入的占空比信号，控制电机驱动的占空比来控制电机转速，这种开环控制只是对电机调速的一种近似控制，不能达到稳定的闭环控制效果；国外有些厂家，如西门子、VALEO等厂家的产品方案中也加入了某种形式的电压反馈，保证控制的期望电压恒定，从而保证电机的调速性能，但这只是理想状态，实际的电机是有内阻的，该部分也产生一定的电压分量，并以热的形式损耗掉，该损耗与通过电机的电流平方成正比，其中电流正比于电机转轴上的负载，当电机的负载变化时，损耗也会变化，进而导致转速的变化。

为了克服这种由电机电枢内阻引起的转速变化，可以增加相应的速度传感器，在电压环外面再增加一个速度控制闭环，这种方法固然可以达到预期的控制效果，但需要增加额外的速度传感器，利用转速表来进行闭环控制，这样不但增加了成本，提高了控制的复杂性，在有些应用场合可能没有相应的安装条件，所以在汽车空调鼓风机及发动机冷却风扇的电机控制中很少采用这种控制策略。本发明在不增加任何速度、电流传感器的基础上，提出一种简单、可靠、成本低廉的带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法，可用于汽车电子中相关有刷直流电机控制系统中，尤其适合于汽车空调鼓风机与汽车发动机冷却风扇等速度控制要求不是特别精确的PWM调速控制应用场合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种采用闭环PWM调速、通过电机的电压反馈和电流反馈环节保证电机端电压和转速恒定的带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法。

本发明的方法中对有刷直流电机的调速控制是通过采集并分析电机端电压信号的速度增益环节和采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节实现的，其中速度增益环节提供电压反馈，电流补偿控制环节则提供用于补偿电机电枢内阻引起损耗的电流反馈；本发明的装置中的反馈控制器包含上述两个环节，且本发明的装置能够用于实现本发明的方法，因此本发明的装置及其方法属于一个总的发明构思。

为实现上述目的，本发明的调速装置所采用的技术方案为：一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：包括与电机连接的反馈控制器，电机端电压信号和电机电流信号分别接入反馈控制器的输入端，反馈控制器的输出端通过PI控制器连至电机。

作为对上述调速装置采用的技术方案的进一步改进，PI控制器输出PWM信号。

又进一步地，PI控制器通过开关功率器件MOSFET连接至电机，开关功率器件MOSFET和PI控制器之间还设有预驱动单元。

更进一步地，开关功率器件MOSFET的漏极与供电电源连接，其源极连接电机正端，其栅极连接预驱动单元；电机与采样电阻串联，采样电阻连接于电机负端。

作为对上述调速装置采用的技术方案的进一步改进，电机两端并联一蓄流二极管。

本装置的工作原理如下：由反馈控制器采集电机正端电压和电机工作电流，电机正端电压(电机输出实际转速)直接通过反馈控制器的速度增益环以负反馈的形式反馈至电机输出端(指电机和负载构成的回路)，电机工作电流通过采样电阻的形式采集，通过电流补偿控制环节同样以负反馈的形式反馈至电机输出端；反馈控制器预设的期望电机转速给定信号与速度增益环节、电流补偿控制环节两个负反馈组成闭环输出，其输出的误差信号通过一个PI控制器，输出不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET来调节电机的正端电压，从而保证电机的输出转速恒定。

为了实现上述目的，本发明的调速方法所采用的技术方案为：一种带补偿反馈的有刷直流电机调速方法，其特征是：在反馈控制器内设置用于采集并分析电机端电压信号的速度增益环节、用于采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节；反馈控制器分析电机端电压信号、电机工作电流信号和预设的期望电机转速给定信号，得出误差信号，上述的误差信号经过PI控制器的调节，生成所需的不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET，调节与MOSFET相连的电机的正端电压，从而保证电机的输出转速恒定。

作为对上述的调速方法的进一步改进，速度增益环节在采集的电机端电压信号与预设的期望电机转速给定信号之间建立其相应的耦合关系，并以适当的量反馈至电机输出端；所述的电流补偿控制环节通过采集电机工作电流，根据电机电枢内阻特性建立由电机电枢内阻对负载变化所引起的电机转速偏差之间的最优解耦关系，并以适当的量反馈至电机输出端。

本发明所具有的有益效果为：通过速度增益环节采集并分析电机正端电压，然后反馈至电机输出端，通过电流补偿控制环节纠正电机电枢内阻对负载变化所导致的转速偏差，实现电机转速的闭环控制，速度增益环节和电流补偿控制环节采用软件或模拟电路实现，不需要增加额外的速度、电流传感器，控制简单，成本低廉，通用性强；采用PWM调速技术，提高整个系统的效率，大大降低了损耗，节能环保；采用PI控制，保证系统具有良好的稳定性、误差精度与动态响应速度。

附图说明

图1为有刷直流电机供电及内部原理图；

图2为本发明的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置图；

图3为本发明的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1为有刷直流电机供电及内部原理图，从图中可以看出，一个有刷直流电机工作时主要电气部件由电枢内阻R、电感L及一个电压源V三个部分组成；电压源V为直流电机供电电源，表示施加在电机两端的电压，电压的大小决定了电机的转速；L表示电机中电枢的磁场，该部分使电机旋转做功，将电能转换为机械能；电枢内阻R是绕制电机线圈所需电线的内阻，当电流I流经电枢内阻R时将产生电压降并消耗功率转换为热量。为了克服这种由电机电枢内阻R引起的转速变化，可用两种补救措施，一个方法是利用转速反馈来调节输送到电机两端的电压，从而维持电机转速的恒定；另一种方法就是对这些损耗进行补偿。本发明采用的技术方案主要是后者的控制思想，来获得一种近似的转速控制方法，即所谓的电流补偿控制环节。

本发明的方法中对有刷直流电机M的调速控制是通过采集并分析电机端电压信号的速度增益环节H和采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节Ir实现的，其中速度增益环节H提供电压反馈，电流补偿控制环节Ir则提供用于补偿电机电枢内阻引起损耗的电流反馈；本发明的装置中的反馈控制器包含上述两个环节，且本发明的装置能够用于实现本发明的方法，因此本发明的装置及其方法属于一个总的发明构思。

根据图2，一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：包括与电机M连接的反馈控制器，电机端电压信号和电机工作电流信号分别接入反馈控制器的输入端，其中电机端电压信号输入速度增益环节H，电机工作电流信号输入电流补偿控制环节Ir；反馈控制器的输出端输出的信号进入PI控制器，经过PI调节后生成所需要的PWM信号，又PI控制器连至电机M，因此PWM信号能调节电机端电压；PI控制器通过开关功率器件MOSFET Q连接至电机M，开关功率器件MOSFET Q和PI控制器之间还设有与预驱动单元；开关功率器件MOSFET Q接于高端，其漏极D与供电电源Vb连接，其源极S连接电机M正端，其栅极G连接预驱动单元；电机M两端并联一蓄流二极管D1；采样电阻R串联在主回路中，一端接电机M负端，另一端接地。

本装置的工作原理如下：由反馈控制器采集电机M的正端电压U和电机工作电流I，电机M正端电压U(电机M输出实际转速)直接通过反馈控制器的速度增益环H以负反馈的形式反馈至电机M输出端(指电机M和负载构成的回路)，电机工作电流I通过采样电阻R的形式采集，通过电流补偿控制环节Ir同样以负反馈的形式反馈至电机M输出端；反馈控制器预设的期望电机转速给定信号Vs与速度增益环节H、电流补偿控制环节Ir两个负反馈组成闭环输出，其输出的误差信号Δerr通过一个PI控制器，输出不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动功率开关MOSFET Q，通过不断调节输出PWM信号的占空比，来调节电机M的正端电压，从而保证电机M的输出转速恒定。

下面根据图2和图3说明一种带补偿反馈的有刷直流电机调速方法：在反馈控制器内设置用于采集并分析电机端电压信号的速度增益环节H、用于采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节Ir；反馈控制器分析电机端电压信号、电机工作电流信号和预设的期望电机转速给定信号Vs，得出误差信号Δerr，上述的误差信号Δerr经过PI控制器的调节，生成所需的不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET Q，调节与MOSFET Q相连的电机M的正端电压，从而保证电机M的输出转速恒定。

为实现电机调速的闭环反馈控制，需要两个采样信号即电机正端电压U与电机工作电流I。对于有刷直流电机来说，电机正端电压U的大小与其转速成正比，因此可以用采集电机端电压的方式来取代转速传感器，即速度增益环节H来近似代替转速控制环；采集电机工作电流的作用有两个，一是用作电机控制系统中堵转、短路及电机过载的过流保护，二是构成电流补偿控制环节Ir，用来消除由于电机电枢内阻R对负载变化引起电机转速的变化。

速度增益环节H在采样的电机端电压信号与期望电机转速给定信号之间建立起相应的解耦关系，并以适当的量以负反馈的形式反馈至电机输出端，速度增益环节H是整个电机闭环调速系统的主体，其设计是否合理至关重要，直接决定了该调速系统是否稳定。速度增益环节H的解耦关系如下式所示：

C_V＝H·IP(1)

式中C_V为速度反馈输入量，R为采样电阻阻值，I为电机工作电流，H为速度反馈环节增益量，速度反馈环节增益量H为电机端电压(实际为电机实际转速)与期望电机转速之间的差值。

电流补偿控制环节Ir通过采样电机工作电流I，并针对具体的电机电枢内阻特性，通过适当的处理，建立由于电机电枢内阻对负载变化所引起的转速偏差之间的，并以适当的量反馈至电机输出端，电流补偿控制环节Ir是保证电机调速系统不受负载变化，维持转速稳定的重要环节。Ir补偿控制环节通过负反馈的形式反馈到输入端，反馈量通过以下函数关系来实现解耦：

C_Ir＝f(Ir)    (2)

式中C_Ir为反馈输入量，r为电机电枢内阻，I为电机工作电流，f为解耦函数的对应法则。式(1)所示的具体函数映射关系与具体的有刷电机特性及调速应用场合决定，一般情况下该映射关系为线性函数，具体参数设定可先根据电机的参数及负载情况进行计算，并通过具体的试验数据进行修正完善，从而实现最优解耦。速度反馈输入量C_V和反馈输入量C_Ir叠加构成上述的误差信号Δerr。

参与系统反馈控制的两个采样信号与期望电机转速给定信号一起构成负反馈控制，输出的误差信号Δerr通过一个PI控制器，经过PI调节后生成所需要的PWM信号。根据不同的电机系统特征，通过设定适当的比例系数，来调节系统的响应调节转速；通过设定恰当的积分系数，来调节系统的静态稳定误差。PI参数的设定是否合理是保证整个电机调速系统稳定性、误差精度及动态响应转速的决定因素。上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：包括与电机连接的反馈控制器，电机端电压信号和电机电流信号分别接入反馈控制器的输入端，反馈控制器的输出端通过PI控制器连至电机。

2.根据权利要求1所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：所述的PI控制器输出PWM信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：所述的PI控制器通过开关功率器件MOSFET连接至电机，开关功率器件MOSFET和PI控制器之间还设有预驱动单元。

4.根据权利要求3所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：所述的开关功率器件MOSFET的漏极与供电电源连接，其源极连接电机正端，其栅极连接预驱动单元。

5.根据权利要求3所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：所述的电机与采样电阻串联，采样电阻连接于电机负端。

6.根据权利要求1所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：所述的电机两端并联一蓄流二极管。  

7.一种带补偿反馈的有刷直流电机调速方法，其特征是：在反馈控制器内设置用于采集并分析电机端电压信号的速度增益环节、用于采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节；反馈控制器分析电机端电压信号、电机工作电流信号和预设的期望电机转速给定信号，得出误差信号，上述的误差信号经过PI控制器的调节，生成所需的不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET，调节与MOSFET相连的电机的正端电压，从而保证电机的输出转速恒定。

8.根据权利要求7所述的一种带补偿反馈的有刷直流电机调速方法，其特征是：所述的速度增益环节在采集的电机端电压信号与预设的期望电机转速给定信号之间建立其相应的耦合关系，并以适当的量反馈至电机输出端；所述的电流补偿控制环节通过采集电机工作电流，根据电机电枢内阻特性建立由电机电枢内阻对负载变化所引起的电机转速偏差之间的最优解耦关系，并以适当的量反馈至电机输出端。

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