CN104481907B - 一种直流风机的启动控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机的控制领域，尤其涉及一种直流风机的启动控制方法和装置。本发明提供的直流风机的控制方法和装置，适用于所有无位置传感器的直流风扇电机的启动和控制，尤其适用于空调器室外机的直流风扇电机的启动控制。特别地，在直流风机的逆向启动时，使用先逆向闭环运行再切换到正向闭环运行的方式，使得启动过程中直流风机一直处于闭环控制状态，整个风机运行的状态都是确定的，避免了开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高直流风机逆风条件下运行的可靠性，具有很强的实用性和创新性。

Description

一种直流风机的启动控制方法和装置

技术领域

本发明属于电机的控制领域，尤其涉及一种直流风机的启动控制方法和控制装置。

背景技术

目前空调用的直流风扇电机，即永磁同步风扇电机，主要有两种，一种为内置位置传感器的电机，另一种为无位置传感器的电机。其中，无位置传感器的直流电机结构简单、可靠性高并且成本低，得到了越来越广泛的应用。由于空调用的风扇，特别是空调室外机的风扇，转动惯量大，在复杂的外界环境下常常受到各种扰动；而无位置传感器直流电机由于不能直接获得位置信号，控制难度较高，在各种外界扰动下往往会出现启动失败的情况。例如，在自然风的作用下，室外风扇在启动时可能是逆向旋转的，这个时候就需要直流电机驱动器使用恰当的制动方法以及启动方法，来保证风机的稳定启动。

针对逆风条件下的直流风扇电机驱动，现有的启动控制方法主要有以下几种：

一是向转子线圈注入固定幅值的正弦波电流，产生固定幅值的旋转磁场，其旋转方向与正在逆风旋转的风扇旋转方向相反，从而产生制动力矩，克服转子的逆向旋转动能，直到风扇停止下来，再进行正向的开环启动，继而进入转速闭环运行。该方法由于制动过程是转速开环状态，旋转磁场与转子之间的相位差是随机的，并且转子逆向旋转的转速也是未知的，其制动效果往往不能满足要求，在转子不能完全制动下来的时候，即容易导致启动失败。

二是向直流电机三相绕组输入零矢量，即等效于将三相绕组短路的效果，从而在绕组中产生制动电流，使风扇减速后再进行开环启动。这种方法的制动力矩是依靠风扇旋转产生的，其启动过程的电机电流波形如图1所示，一般可分为t1到t4四个阶段：

第一阶段t1：检测直流电机三相电流和电压，电机相电流峰峰值为0.5～1安培，判断直流电机的旋转方向；

第二阶段t2：若检测到风机反转，则对电机进行零矢量制动，电机相电流峰峰值为0.5～1安培；

第三阶段t3：注入固定幅值的正弦波电流，产生固定幅值的旋转磁场，其旋转方向与正在逆风旋转的风扇旋转方向相反，转速可为50rpm，电机相电流峰值为1.5～2安培；

第四阶段t4：切换到正向速度闭环运行，目标转速为400rpm，电机相电流峰峰值为0.5～1安培，启动过程结束。

由图1可知，从启动控制原理上不可能使风扇完全制动到停止状态，因此也容易导致启动失败。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的首先在于提供一种直流风机的启动控制方法，以解决现有直流风机的逆风启动不可靠、容易失败的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供的直流风机的启动控制方法包括以下步骤：

通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向；

当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行；

当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；

控制所述直流风机正向闭环运行，启动过程结束。

与此相应的，本发明的目的还在于提供一种直流风机的启动控制装置，所述装置包括：

方向获取模块，用于通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向；

逆向闭环控制模块，用于当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行；

方向切换模块，用于当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；

正向闭环控制模块，用于控制所述直流风机正向闭环运行，直到启动过程结束。

本发明提供的直流风机的控制方法和装置，可以适用于所有无位置传感器的直流风扇电机的启动和控制，尤其适用于空调器室外机的风扇电机启动控制。特别地，在直流风机的逆向启动时，使用先逆向闭环运行再切换到正向闭环运行的方式，使得启动过程中直流风机一直处于闭环控制状态，整个风机运行的状态都是确定的，避免了开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高直流风机逆风条件下运行的可靠性，具有很强的实用性和通用性。

附图说明

图1是现有技术中直流风机逆风启动过程中的电机电流波形图；

图2是本发明提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；

图3是本发明一优选实施例提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；

图4是本发明另一优选实施例提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；

图5是本发明一实施例提供的直流风机逆风启动过程中电机电流波形图；

图6是本发明一优选实施例提供的直流风机静止状态下的启动流程图；

图7是本发明实施例提供的直流风机启动控制装置的结构框图；

图8是本发明一优选实施例提供的直流风机启动控制装置的结构框图；

图9是图8提供的静止启动模块的一种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本发明提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，如图所示：

一种直流风机的启动控制方法，在“开始”步骤之后，包括：

步骤S11：通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向。

步骤S12：当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行。

步骤S13：当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz。

步骤S14：控制所述直流风机正向闭环运行，启动过程结束。

根据本发明实施例提供的直流风机的控制方法，在直流风机的逆向启动时，使用先逆向闭环减速运行再切换到正向闭环运行的方式，避免了现有技术中开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高了直流风机逆向条件下启动运行的可靠性，具有很强的实用性和通用性。与现有技术中的注入固定幅值的正弦波电流以控制正在逆风旋转的的风机反向相比，本发明实施例提供的直流风机的控制方法为控制直流风机逆向闭环减速到阈值以下。即逆向减速时输出给电机的控制电流是动态变化的，而不是如现有技术是一个固定幅值的正弦波电流。具体而言，是根据检测到的三相电流和电压，动态调整输出给直流电机的控制电流，实现逆向闭环运行，并且进行匀速减速。其可以适用于所有无位置传感器的直流风扇电机的启动和控制，尤其适用于空调器室外机的风扇电机启动控制。

图3是本发明一优选实施例提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；主要是对上述步骤S11的优化。同样的，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

步骤S111：通过检测直流风机的三相电流和电压，计算获取直流风机的磁通和转速。

步骤S112：比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL。

步骤S113：当所述磁通大于预设磁通阈值FL时，判断直流风机的旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。

步骤S22：当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行。

步骤S23：当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz。

步骤S24：控制所述直流风机正向闭环运行，启动过程结束。

其中，磁通阈值FL的取值可以是0.01韦伯至1韦伯之间的任一值；逆向转速阈值Fn的取值范围为0rpm至100rpm、目标转速Fz的取值范围为10rpm至1000rpm。在具体实施过程中，可以根据不同的使用环境作具体限定。

实际上，在具体实现时，直流风机的启动过程中还可能碰到风机正向旋转或者静止的状态。图4即是本发明又一优选实施例提供的直流风机启动控制方法的实现流程图；为了便于说明，也仅示出了与本优选实施例相关的部分。如图4所示，在“开始”之后：

步骤S31：通过检测直流风机的三相电流和电压，计算获取直流风机的磁通和转速。

在本步骤中，需要通过设置逆变器的目标相电流为零，检测直流风机的三相电流和电压，继而根据检测所得的电流和电压值计算出该直流风机的磁通、旋转方向和转速等参量。因根据电流和电压等参数获取直流风机的磁通和/或转速等状态量，是本领域技术人员的常用技术手段，故在此就不再赘述。实际上，根据本发明提供的启动控制方法，在启动之前对该直流风机的状态获取可以有多种方法，此处只示范性地列出了一种，并不用于限定或排除其他判断方法。

步骤S32：计时，直到经过预设的时长T1。

本步骤S32为非必要的、优选的步骤。作为一优选实施例，在此执行“计时，直到经过预设的时长T1”的步骤，是为了获取相对稳定的直流电机的状态，进一步提高可靠性。在具体实现时，T1的取值范围优选为0.1秒至10秒中的任意数值。

步骤S33：比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL，是则执行步骤S35；否则执行步骤S34。

本步骤中“比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL”为实现该直流电机的启动控制方法的必要步骤。在这里，磁通阈值FL的取值可以是0.01韦伯至1韦伯之间的任一值，在具体实现时根据不同电机的类型和使用环境来设定。

步骤S34：执行直流风机静止状态下的正常启动流程。

在本步骤中，当磁通小于或等于预设磁通阈值FL时，就推定该直流风机为静止状态。在此情形下，可以执行直流风机静止状态下的正常启动流程。风机静止状态下的启动存在各种不同的方式方法，本实施例就不再一一阐述，后文中会例举一例进行说明。

步骤S35：判断所述旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。若为正向旋转，执行步骤S36；若为逆向旋转，执行步骤S37。

在本步骤中，根据步骤S31获取的“旋转方向”，要进一步判断旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。若为正向旋转，执行步骤S36；若为逆向旋转，执行步骤S37。

步骤S36：控制所述直流风机切换到正向闭环运行，并且其目标转速设置为Fz；然后进入步骤S39。

在本步骤中，当所述旋转方向为正向旋转时，控制所述直流风机直接切换到正向闭环运行的方式，并且其目标转速设置为Fz。同样的，正向闭环运行即是根据检测到的三相电流和电压，动态调整输出给直流电机的控制电流，实现正向闭环运行。进一步地，目标转速Fz的取值范围优选为10rpm至1000rpm，例如Fz＝400rpm。在直流风机的转速达到目标转速Fz后，进入步骤S39。

步骤S37：控制所述直流风机逆向闭环减速运行。

步骤S38：当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz。

在步骤S37和S38中，当旋转方向判定为逆向旋转时，就控制所述直流风机逆向闭环运行，并逐渐减小其转速。例如，可以10rpm每秒的速度进行匀速降速。当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz。其中，转速阈值Fn的取值范围为0rpm至100rpm，例如Fn＝50rpm。

步骤S39：控制所述直流风机正向闭环运行，启动过程结束。

在步骤S39中，当直流风机进入正向闭环运行后，启动过程至此就结束了。

为了进一步说明，图5示出了直流风机逆风启动时电机电流的一种波形图。参见图5，逆风启动的过程同样可以分为四个阶段：

第一阶段t1：检测直流电机三相电流和电压，电机相电流峰峰值0.5～1安培，判断直流风机的旋转方向。

第二阶段t2：检测到风机转向为反向，假设转速为400rpm，则先按反向闭环400rpm运行，并且以10rpm每秒的速度降速，逆向目标阈值为50rpm，电机相电流峰峰值0.5～1安培。

第三阶段t3：逆向转速降低到50rpm以下时，控制风机运行方向切换为正向，目标运行速度为400rpm，电机相电流峰峰值0.5～1安培。

第四阶段t4：电机进行正向速度闭环运行，运行速度400rpm，电机相电流峰峰值0.5～1安培，启动过程结束。

具体而言，上述处理步骤最突出的体现了本发明与现有技术的差别，即在直流风机的逆向启动时，使用先逆向闭环运行、转速降到阈值以下时，直接切换到正向闭环运行的方式，使得启动过程中直流风机一直处于闭环控制状态，整个风机运行的状态都是确定的，避免了开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高直流风机逆风条件下运行的可靠性。

图6示出了其中一种直流风机静止状态下的启动流程。为了方便，其也仅示出了与本优选实施例相关的部分。

直流风机静止状态下的正常启动流程，包括以下步骤：

步骤S341：向直流风机施加矢量角度为θ1、幅值为I1的定位电流。

步骤S342：经过第一时间t1后，继续向直流风机施加矢量角度为θ2、幅值为I2的定位电流。

步骤S343：经过第二时间t2后，向直流风机施加正向的正弦波启动电流，使直流风机以加速度ACC1向目标转速Fz加速；其中，所述正弦波启动电流的有效值为I3、频率从0开始；

步骤S344：当直流风机的转速达到目标转速Fz后，控制所述直流风机正向闭环运行。

其中，θ1＞θ2，t1≤t2，定位电流的幅值I1、I2和I3分别为0.1安培到10安培之间的任一值。作为一优选实施方式，图5所示的上述步骤中的各参数变量的取值范围可以如下：

1、第一时间t1的取值范围是：1秒至10秒。

2、第二时间t2的取值范围是：1秒至20秒。

3、I1的取值范围是：0.1安培至10安培。

4、I2的取值范围是：0.1安培至10安培。

5、I3的取值范围是：0.1安培至10安培。

6、θ1的取值范围是：0至360度。

7、θ2的取值范围是：0至360度。

8、加速度ACC1的取值范围是：0.1rpm/s至100rpm/s。

9、目标转速Fz的取值范围是：10rpm至1000rpm。

同样的，在具体实现过程中，上述参数变量可以根据不同的使用环境作具体限定，在此就不再一一例举。

另一方面，本发明实施例还提供一种直流风机的启动控制装置，其结构框图如图7所示。

参见图7，本发明实施例提供的直流风机的启动控制装置包括：

方向获取模块41，用于通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向；

逆向闭环控制模块42，用于当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行；

方向切换模块43，用于当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；

正向闭环控制模块44，用于控制所述直流风机正向闭环运行，直到启动过程结束。

根据本发明实施例提供的直流风机的启动控制装置，方向获取模块41首先通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向，在判断旋转方向为逆向旋转时，逆向闭环控制模块42控制所述直流风机逆向闭环减速运行；当直流风机转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，方向切换模块43控制直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；最后由正向闭环控制模块44控制所述直流风机正向闭环运行，直到启动过程结束。

确切的说，使用该直流风机的启动控制装置，在直流风机逆风启动时，使用先逆向闭环运行再切换到正向闭环运行的方式，避免了现有技术中开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高了直流风机逆向条件下启动运行的可靠性。

图7进一步示出了方向获取模块41的组成结构框图。继续参见图7，方向获取模块41包括：

参数获取单元411，用于通过检测直流风机的三相电流和电压，计算获取直流风机的磁通和转速；

磁通比较单元412，用于比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL；

方向判断单元413，用于当所述磁通大于预设磁通阈值FL时，判断直流风机的旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。

进一步地，作为一优选实施例，该直流风机的启动控制装置还可以如图8所示。参见图8，该实施例提供的直流风机的启动控制装置除了包括上述必要的方向获取模块41、逆向闭环控制模块42、方向切换模块43和正向闭环控制模块44，还包括：

正向启动模块45，用于当所述旋转方向为正向旋转时，控制所述直流风机切换到正向闭环运行，并且其目标转速设置为Fz；以及

静止启动控制模块46，用于当所述磁通不大于预设磁通阈值FL时，执行直流风机静止状态下的正常启动流程；

根据本优选实施例提供的直流风机的启动控制装置，在方向获取模块41判断旋转方向为正向旋转时，由正向启动模块45控制直流风机切换到正向闭环运行，并且其目标转速设置为Fz；或者在所述磁通不大于预设磁通阈值FL时，由静止启动控制模块46执行直流风机静止状态下的正常启动流程；并且，作为优选的，还包括一计时器模块，用于计时，直到经过预设的时长T1，以便磁通比较单元412可以准确可靠地比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL。

进一步地，图9示出了图8中静止启动控制模块46的其中一种的结构示意图。此处仅为示例，并不用于限定静止启动控制模块的组成。如图6所示，静止启动控制模块46包括：

计时器单元461，用于统计第一时间t1和第二时间t2；

定位电流施加单元462，用于向直流风机施加矢量角度为θ1、幅值为I1的定位电流或者矢量角度为θ2、幅值为I2的定位电流；

启动电流施加单元463，用于向直流风机施加正向的正弦波启动电流，使直流风机以加速度ACC1向目标转速Fz加速；其中，所述正弦波启动电流的有效值为I3、频率从0开始；

正向启动单元464，用于当直流风机的转速达到目标转速Fz后，控制所述直流风机正向闭环运行。

综上所述，根据本发明提供的直流风机的控制方法和装置，可以适用于所有无位置传感器的直流风扇电机的启动和控制。特别在直流风机的逆向启动时，使用先逆向闭环运行再切换到正向闭环运行的方式，使得启动过程中直流风机一直处于闭环控制状态，整个风机运行的状态都是确定的，避免了开环制动过程中风机状态的不确定性所带来的启动不可靠、容易启动失败的缺点，有效提高直流风机逆风条件下运行的可靠性，具有很强的实用性和创新性。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种直流风机的启动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向；

当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行；

当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；

控制所述直流风机正向闭环运行，启动过程结束。

2.如权利要求1所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，所述控制所述直流风机逆向闭环减速运行的步骤具体为：

根据检测到的三相电流和电压，动态调整输出给所述直流电机的控制电流，实现逆向闭环运行，并且进行匀速减速。

3.如权利要求1所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，所述通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向的步骤具体为：

通过检测直流风机的三相电流和电压，计算获取直流风机的磁通和转速；

比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL；

当所述磁通大于预设磁通阈值FL时，判断直流风机的旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。

4.如权利要求3所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，在所述比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL的步骤之后还包括：

当所述磁通不大于预设磁通阈值FL时，执行直流风机静止状态下的正常启动流程。

5.如权利要求3所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，在判断直流风机的旋转方向为正向旋转还是逆向旋转的步骤之后还包括：

当所述旋转方向为正向旋转时，控制所述直流风机切换到正向闭环运行，并且其目标转速设置为Fz。

6.如权利要求3所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，在所述比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL的步骤之前，还包括：

计时，直到经过预设的时长T1。

7.如权利要求4所述的直流风机的启动控制方法，其特征在于，所述执行直流风机静止状态下的正常启动流程，包括以下步骤：

向直流风机施加矢量角度为θ1、幅值为I1的定位电流；

经过第一时间t1后，继续向直流风机施加矢量角度为θ2、幅值为I2的定位电流；

经过第二时间t2后，向直流风机施加正向的正弦波启动电流，使直流风机以加速度ACC1向目标转速Fz加速；其中，所述正弦波启动电流的有效值为I3、频率从0开始；

当直流风机的转速达到目标转速Fz后，控制所述直流风机正向闭环运行；

其中，θ1＞θ2，t1≤t2，定位电流的幅值I1、I2和I3分别为0.1安培到10安培之间的任一值。

8.一种直流风机的启动控制装置，其特征在于，所述装置包括：

方向获取模块，用于通过检测直流风机的三相电流和电压判断直流风机的旋转方向；

逆向闭环控制模块，用于当所述旋转方向为逆向旋转时，控制所述直流风机逆向闭环减速运行；

方向切换模块，用于当转速降低到逆向转速阈值Fn以下时，控制所述直流风机切换到正向运行，并且其目标转速设置为Fz；

正向闭环控制模块，用于控制所述直流风机正向闭环运行，直到启动过程结束。

9.如权利要求8所述的直流风机的启动控制装置，其特征在于，所述方向获取模块包括：

参数获取单元，用于通过检测直流风机的三相电流和电压，计算获取直流风机的磁通和转速；

磁通比较单元，用于比较判断所述磁通是否大于预设磁通阈值FL；

方向判断单元，用于当所述磁通大于预设磁通阈值FL时，判断直流风机的旋转方向为正向旋转还是逆向旋转。

10.如权利要求9所述的直流风机的启动控制装置，其特征在于，所述装置还包括：

正向启动模块，用于当所述旋转方向为正向旋转时，控制所述直流风机切换到正向闭环运行，并且其目标转速设置为Fz；

静止启动控制模块，用于当所述磁通不大于预设磁通阈值FL时，执行直流风机静止状态下的正常启动流程。