CN105529967A - 一种风机启动状态检测及启动控制方法 - Google Patents

一种风机启动状态检测及启动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种风机启动状态检测及启动控制方法，风机包括直流电机，直流电机包括MCU处理器和IGBT，该方法具体包括：首先进行直流电机启动状态检测，然后进行直流电机启动控制。本发明涉及的风机的启动状态检测及启动控制方法能够提高风机在各种复杂运用场合下电机启动的可靠性，提高风机启动的通用性，实现不同惯量风机负载的匹配。

Description

一种风机启动状态检测及启动控制方法
技术领域
本发明涉及状态检测及启动控制方法，特别地涉及一种风机启动状态检测及启动控制方法。
背景技术
永磁材料的普及,使得永磁同步直流电机控制系统得到了极大的关注与发展,再加上其在控制技术上的日趋成熟,控制系统具备了良好的调速性能,所以在工业自动化领域中的应用越来越广泛。目前空调用永磁同步直流风机主要有两种，一种为无位置传感器的直流电机，另一种为内置位置传感器的直流电机。其中，由于无位置传感器的直流电机装配简单、运用场合广、可靠性高并且成本低，得到了越来越广泛的运用。无位置传感器直流风机运用场合较为复杂，尤其是对于空调室外风机，在自然风影响下，直流风机启动前可能处于逆向转动、静止或正向转动状态，而无位置传感器直流风机由于不能直接获取电机位置信号，电机直接启动控制难度较高，且可靠性不高，在各种外界干扰下往往容易出现启动失败的情况。例如，在急停急起或受外力的情况下，直流风机启动前可能处于正向或逆向旋转状态，这种情况下就需要控制器使用恰当的启动检测方法及启动控制策略来保证风机的可靠启动。此外，现有技术中的直流电机启动检测方法也存在很多不足，如中国专利“永磁无刷直流电机位置及转速检测方法(201510122881.9)”公开了一种永磁无刷直流电机位置及转速检测方法，但该检测方法通过处理器产生50％的PWM波控制3相桥臂顺序导通，并需要3路运算放大器来对由3相反电动势产生的电流进行检测，此方法需要针对母线电压进行检测及处理以避免反电动势电压向母线电容充电导致母线电压抬升对功率模块的损坏，且由于运放的增加导致成本的增加；同时此方案还需对每个电气周期进行6次电流过零点检测，并需对每次电流过零点进行滤波以保证其检测的可靠，这样将导致过零点的误差增大，所能检测的转速范围较小。
在中国专利“室外风机启动控制方法(201510121733.5)”中，在通过所获取的3相反电动势U/V/W对其中性点N之间的相电压数值所得出的直流电机启动前状态的基础上，根据其当前状态对直流电机进行不同策略启动控制，其未能在原电流采样电路基础上直接利用当前启动状态检测方式直接执行逆风启动控制策略，浪费软、硬件资源，且其方案仅通过启动检测出的转速值fr来进行启动状态划分，当负载转动惯量较大、直流电机反电动势较小，并且直流电机处于定位方式控制时，直流电机启动较易失败，通用性不强。
发明内容
本发明提供一种风机启动状态检测及启动控制方法，以解决现有技术中存在的具有无位置传感器的风机的启动难度大，可靠性不高以及启动过程检测不准确等问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种风机启动状态检测及启动控制方法，所述风机包括直流电机，所述直流电机包括MCU处理器和IGBT，所述检测及启动控制方法包括：首先进行直流电机启动状态检测，然后进行直流电机启动控制。
作为优选，所述直流电机启动控制包括：通过所述直流电机启动状态检测判断得到所述直流电机当前转向，根据所述直流电机当前转向进行不同控制策略以实现直流电机的可靠启动。
作为优选，所述控制策略包括逆向启动控制策略、正向启动控制策略和静止启动控制策略。
作为优选，所述直流电机启动状态检测包括以下步骤：
(1)判断所述直流电机当前是否为运动状态；
(2)当所述直流电机当前为运动状态时，判断所述直流电机的当前转向；
(3)通过所述直流电机某相电流过零点情况，计算获得电气转动频率fr并确定对应的电气角度θ值；
(4)确定相电流对应幅值Ir。
作为优选，所述步骤(1)是通过所述MCU处理器控制所述IGBT同时导通，采集由反电动势电压所产生的电流；检测并采集其中一相电流状态，在固定时间t1内检测所述一相电流过零点情况，并判断出当前所述直流电机的运动状态。
作为优选，所述步骤(2)是根据所述一相电流过零点时另外一相的状态，判断出当前所述直流电机的转向。
作为优选，所述步骤(3)是获得所述一相电流相邻两次过零点的时间差ΔT180，由计算获得所述直流电机的所述电气转动频率fr。
作为优选，所述步骤(4)是在所述一相电流过零点时，检测出所述另外一相相电流值I，通过Ir＝2*I计算出此时3相相电流对应幅值Ir。
作为优选，逆向启动控制包括以下步骤：
a.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后控制直流电机从锁定位置进行加速控制，同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
b.当f1≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，保持检测时IGBT状态不变，并同时检测直流电机此时电气角度θ值，以及计算出当前旋转频率变化率Δω；通过控制直流电机从Δω到0变化及同时控制最大q轴起动电流实现直流电机转速从逆向旋转频率fr到停止变化；基于直流电机停止时的状态，同时控制d/q轴电流使直流电机从0到正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，最后进入正向闭环控制模式；
c.当I2<Ir时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足a和b的条件时，再进行相应的逆向启动控制策略，从而实现逆风启动功能；
其中，0<f1<f2，0<I1<I2，且f1、f2、I1、I2都是通过处理器直接设定。
作为优选，正向控制包括以下步骤：
d.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后再控制直流电机从锁定位置进行加速控制，同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
e.当f1≤|fr|<f2，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr及电气角度θ值，并通过正向闭环切换频率及当前转动频率fr计算出旋转速度变化率Δω；基于直流电机当前电气角度θ值，同时控制d/q轴电流使直流电机从当前直流电机转动频率fr以变化率Δω向正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，最后进入正向闭环控制模式；
f.当f2≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr、A相电流幅值Ir及电气角度θ值，并将此时的电流及电气角度作为控制器的初始参数值，直接衔接当前状态进行正向闭环控制策略；
g.当I2<Imax时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足d、e和f的条件时，再进行相应的正向启动控制策略，从而实现顺风启动功能，其中，0<f1<f2，0<I1<I2，且f1、f2、I1、I2都是通过处理器直接设定。
本发明涉及的直流电机启动状态的检测及启动控制方法能够在不增加相反电动势检测电路基础上，直接通过双电阻采样方式实现电机启动前逆向转动、静止及正向转动状态检测，并实现对电机运转状态下相电流幅值Ir、转动频率fr及当前电气角度θ的检测，提高风机在各种复杂运用场合下电机启动的可靠性，提高风机启动的通用性，实现不同惯量风机负载的匹配。
附图说明
图1是本发明涉及的一种风机启动状态检测及启动控制方法中启动状态检测的流程图；
图2是本发明涉及的一种风机启动状态检测及启动控制方法中启动过程控制的流程图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的意图，下面结合附图对本发明的内容做进一步说明。
本实施例涉及一种风机启动状态检测及启动控制方法，该风机包括直流电机，该直流电机一般包括MCU处理器并具有3只IGBT(绝缘栅双极晶体管)，在对直流电机的启动过程进行控制时，首先采用双电阻采样方式进行直流电机启动状态检测，这样不增加外电路检测，降低控制器成本，然后根据直流电机启动状态检测的情况，进行直流电机启动控制，其中，参照图1，首先进行的直流电机启动状态检测包括以下步骤：
(1)确定直流电机当前运动状态，具体是判断其处于静止状态或运行状态；其中，具体地通过MCU处理器控制3相下桥3只IGBT同时导通，采集由反电动势电压所产生的电流(步骤S1)；检测并采集其中一相电流(例如B相电流)状态，在固定时间t1内检测该相电流过零点情况，并判断出当前直流电机的运动状态(步骤S2)；
(2)根据该相电流(例如B相电流)过零点时另外一相的状态(例如A相的状态)，判断出当前直流电机的转向，例如正转(如顺时针转动)或反转(如逆时针转动)，转向具体可根据需要设定(步骤S3)；
(3)再次检测该相电流(例如B相电流)过零点情况，其中，获得该相电流(例如B相电流)相邻两次过零点的时间差为ΔT180，即为180°电气角度的时间，由计算获得直流电机的电气转动频率fr，即同时计算确定此时的对应电气度θ值(步骤S4)；
(4)确定3相相电流对应幅值Ir，具体地，在该相电流(例如B相电流)过零点时，检测出此时另外一相(例如A相)相电流值I，由Ir＝2*I即可计算出此时3相相电流对应幅值Ir；
(5)在完成对直流电机转向、电气转动频率fr、电气角度θ值以及相电流幅值Ir的判断或计算后，完成直流电机启动状态检测，进入直流电机启动控制程序，这样实现电机正向、逆向启动前相电流幅值、转动频率及电气角度检测计算，提高电机启动可靠性
直流电机启动控制的具体流程参照图2，在直流电机启动控制步骤中，通过上述直流电机启动状态检测方法判断得到直流电机当前转向(S11)，根据直流电机当前转向进行不同控制策略以实现直流电机的可靠启动，其中，控制策略具体包括逆向启动控制策略(S12)、正向启动控制策略(S13)和静止启动控制策略(S14)，当完成不同的控制策略后，进入直流电机正常运行状态(S15)。也就是说，在已知直流电机转向、转动频率及角度θ的情况下，直流电机可以根据当前状态进行相应启动策略划分，并直接对接当前直流电机电流、转动频率及角度进行启动，并保证其启动可靠性。直流电机的正向、逆向启动以直流电机转速及相电流幅值作为启动控制策略的划分标准，充分考虑了不同反电动势电机及不同转动惯量负载情况，启动控制策略通用性强，并提高了启动可靠性。
具体地，逆向启动控制策略包括：
a.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后控制直流电机从锁定位置进行加速控制，同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
b.当f1≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，保持检测时IGBT状态不变，并同时检测直流电机此时电气角度θ值，以及计算出当前旋转频率变化率Δω；通过控制直流电机从Δω到0变化及同时控制最大q轴起动电流实现直流电机转速从逆向旋转频率f1到停止变化；基于直流电机停止时的状态，同时控制d/q轴电流使直流电机从0到正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，这样电机正向拖动过程采用加速控制，实现针对不同惯量负载拖动的通用性，能够有效提高启动可靠性，最后进入正向闭环控制模式；
c.当I2<Ir时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足a和b的条件时，再进行相应的逆向启动控制策略，从而实现逆风启动功能，这种直流电机逆向刹车过程，实时对直流电机相电流幅值、转动频率及电气角度重新检测计算，提高电机启动可靠性。
具体地，正向控制策略包括：
d.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后再控制直流电机从锁定位置进行加速控制，同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
e.当f1≤|fr|<f2，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr及电气角度θ值，并通过正向闭环切换频率及当前转动频率fr计算出旋转速度变化率Δω；基于直流电机当前电气角度θ值，同时控制d/q轴电流使直流电机从当前直流电机转动频率fr以变化率Δω向正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，最后进入正向闭环控制模式；
f.当f2≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr、A相电流幅值Ir及电气角度θ值，并将此时的电流及电气角度作为控制器的初始参数值，直接衔接当前状态进行正向闭环控制策略；
g.当I2<Imax时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足d、e和f的条件时，再进行相应的正向启动控制策略，从而实现顺风启动功能。其中，0<f1<f2，0<I1<I2，且f1、f2、I1、I2都是通过处理器直接设定的预设值。
本发明的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种风机启动状态检测及启动控制方法，所述风机包括直流电机，所述直流电机包括MCU处理器和IGBT，其特征在于，所述检测及启动控制方法包括：首先进行直流电机启动状态检测，然后进行直流电机启动控制。
2.根据权利要求1所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述直流电机启动控制包括：通过所述直流电机启动状态检测判断得到所述直流电机当前转向，根据所述直流电机当前转向进行不同控制策略以实现直流电机的可靠启动。
3.根据权利要求2所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述控制策略包括逆向启动控制策略、正向启动控制策略和静止启动控制策略。
4.根据权利要求3所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述直流电机启动状态检测包括以下步骤：
(1)判断所述直流电机当前是否为运动状态；
(2)当所述直流电机当前为运动状态时，判断所述直流电机的当前转向；
(3)通过所述直流电机某相电流过零点情况，计算获得电气转动频率fr并确定对应的电气角度θ值；
(4)确定相电流对应幅值Ir。
5.根据权利要求4所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述步骤(1)是通过所述MCU处理器控制所述IGBT同时导通，采集由反电动势电压所产生的电流；检测并采集其中一相电流状态，在固定时间t1内检测所述一相电流过零点情况，并判断出当前所述直流电机的运动状态。
6.根据权利要求5所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)是根据所述一相电流过零点时另外一相的状态，判断出当前所述直流电机的转向。
7.根据权利要求6所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述步骤(3)是获得所述一相电流相邻两次过零点的时间差ΔT180，由计算获得所述直流电机的所述电气转动频率fr。
8.根据权利要求7所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述步骤(4)是在所述一相电流过零点时，检测出所述另外一相相电流值I，通过Ir＝2*I计算出此时3相相电流对应幅值Ir。
9.根据权利要求4所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述逆向启动控制包括以下步骤：
a.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后控制直流电机从锁定位置进行加速控制，并同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
b.当f1≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，保持检测时IGBT状态不变，并同时检测直流电机此时电气角度θ值，以及计算出当前旋转频率变化率Δω；通过控制直流电机从Δω到0变化及同时控制最大q轴起动电流实现直流电机转速从逆向旋转频率fr到停止变化；基于直流电机停止时的状态，同时控制d/q轴电流使直流电机从0到正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，最后进入正向闭环控制模式；
c.当I2<Ir时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足a和b的条件时，再进行相应的逆向启动控制策略，从而实现逆风启动功能；
其中，0<f1<f2，0<I1<I2，且f1、f2、I1、I2都是通过处理器直接设定的预设值。
10.根据权利要求4所述的检测及启动控制方法，其特征在于，所述正向控制包括以下步骤：
d.当0≤|fr|<f1，且Ir≤I1时，控制直流电机进入定位模式，然后再控制直流电机从锁定位置进行加速控制，同时控制d/q轴电流，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，直流电机切换到正向闭环控制模式；
e.当f1≤|fr|<f2，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr及电气角度θ值，并通过正向闭环切换频率及当前转动频率fr计算出旋转速度变化率Δω；基于直流电机当前电气角度θ值，同时控制d/q轴电流使直流电机从当前直流电机转动频率fr以变化率Δω向正向无位置传感器目标切换频率进行正向加速拖动，最后进入正向闭环控制模式；
f.当f2≤|fr|，且I1<Ir≤I2时，通过MCU处理器检测出当前直流电机转动频率fr、A相电流幅值Ir及电气角度θ值，并将此时的电流及电气角度作为控制器的初始参数值，直接衔接当前状态进行正向闭环控制策略；
g.当I2<Imax时，对直流电机运行暂时不进行控制，每隔固定时间Δt将对直流电机状态重新进行检测，直到直流电机满足d、e和f的条件时，再进行相应的正向启动控制策略，从而实现顺风启动功能，其中，0<f1<f2，0<I1<I2，且f1、f2、I1、I2都是通过处理器直接设定的预设值。
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