CN109441790A - 一种卤水结晶泵控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种卤水结晶泵控制装置及其控制方法，其中所述卤水结晶泵控制装置包括太阳能电池组件，所述太阳能电池组件的输出端与直流无刷电机控制器连接，所述直流无刷电机控制器的输出端与直流无刷电机连接，所述直流无刷电机的输出端通过弹性联轴器与带有高压喷水枪的高转速水泵连接，所述高转速水泵的进水端与储水罐连接。本发明可有效利用太阳能，不需要架设电网，安全，稳定，适合于无人区卤水结晶生产，能使产能成倍提高，有较大的经济效益。

Description

一种卤水结晶泵控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置及其控制方法。

背景技术

我国西部盐湖众多，内含丰富的矿藏，有众多的盐湖化工企业，目前主要还是靠阳光自然蒸发湖水结晶盐份，再进一步萃取提炼；同时西部海拔高，空气稀薄，晴朗天气多，日照时间长，阳光资源丰富。本发明目的是利用太阳能，通过电机驱动高转速水泵把湖里卤水喷向空中，射程50至60米远，使得卤水在空中充分接触阳光、雾化，在水分蒸发的同时，会产生微小结晶，循环往复，在湖表面就不断会产生结晶盐。该系统的优点是：不需要架设工业电网，节约能源，系统自动化程度高，易于操作，易于维护，对比传统的提炼方式，产量会成倍的提高，有着巨大的经济和社会效益。为增加系统可靠性，节约成本，无刷直流电机采用无位置传感器启动方式，但在使用过程中盐会结晶在泵体内，对于电机启动时会有一定的负载，传统的空载启动算法也将不再适合，本发明将使用一种新的带载启动算法，并且考虑到工作环境，整个系统都有防盐雾防潮措施。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，包括太阳能电池组件，所述太阳能电池组件的输出端与直流无刷电机控制器连接，所述直流无刷电机控制器的输出端与直流无刷电机连接，所述直流无刷电机的输出端通过弹性联轴器与带有高压喷水枪的高转速水泵连接，所述高转速水泵的进水端与储水罐连接。

进一步的，所述直流无刷电机控制器包括DC/DC降压电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述DC/DC降压电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动所述永磁直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述永磁直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法和ADC采样法来确定反电动势过零点，结合控制算法，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

进一步的，所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；所述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测电路；其中，所述太阳能电池组件的第一输出端与逆变电路连接，第二输出端与DC/DC降压电路连接；所述DC/DC降压电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接；所述反电动势过零检测电路的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测电路的输出端与所述MUC芯片连接。

进一步的，所述逆变电路包括一个带有六个开关管的IGBT功率驱动部件，该IGBT功率驱动部件分为三组开关管并构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接.

进一步的，还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。

一种直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制方法，包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；

第二步，恒电流三段式电机初始启动的步骤：给定预定的启动电流，任意两相绕组通电而另一相关断，电机定子合成磁势轴线在空间上有一定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，预设程序控制该过程延时一段时间，即可确定转子的初始位置；然后由MCU芯片产生PWM波形控制逆变电路，使逆变电路的换相频率从小到大逐渐增加，使电机的速度超到一个设定值，且整个加速过程持续0.5秒；最后，当系统检测电机转速达到设定转速时， 即可获得足够大的反电动势，再结合位置检测法确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，这时电机初始启动完成；

第三步，自控运行的步骤：采用增量PID控制方式，以速度环为外环，以电流环为内环对直流无刷电机进行双闭环控制。其中，速度环的控制方式为：速度环中，首先要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定，此时速度环控制结束；电流环中，首先根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数，实现对电流给定的跟踪，电流环控制结束；

第四步，直流无刷电机在运行过程中，通过电压传感器检测太阳能电池组件的电压，若电压低于500伏，系统启动欠压保护，若高于950伏，系统启动过压保护，此时系统停止运行；在停机过程中，每隔1分钟采集母线电压值，若电压回到工作范围内，控制器自动重启电机。

本发明的有益效果：将本发明的控制器应用到太阳能卤水结晶泵中后具有如下优点：

本发明可有效利用太阳能，不需要架设电网，安全，稳定，适合于无人区卤水结晶生产，能使产能成倍提高，有较大的经济效益；

本发明系统功率高，平均效率可达到95%以上，系统防护等级高，免维护；

本发明可根据实际使用情况自动设定工作转速，有自动保护，自动复位重启功能；

本发明采用新型的无位置启动算法，大大增加了系统的可靠性，降低了成本，提高了安全。

附图说明

图1：太阳能供电的卤水结晶泵系统结构图；

图2：无刷直流电机控制结构图；

图3：无刷直流电机三相逆变桥主电路图；

图4：反电动势过零检测电路；

图5：恒电流三段式无位置传感器的启动软件流程图；

图6：转速电流双闭环的PID控制框图；

图7：转速电流双闭环的软件流程图。

具体实施方式

图1至图7所示，涉及一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，包括太阳能电池组件1，所述太阳能电池组件1的输出端与直流无刷电机控制器2连接，所述直流无刷电机控制器2的输出端与直流无刷电机3连接，所述直流无刷电机3的输出端通过弹性联轴器4与带有高压喷水枪6的高转速水泵5连接，所述高转速水泵5的进水端与储水罐7连接。

设计思路如下：由于采用位置检测中点法（位置检测中点法理论上也可以称之为比较器法，只是在本设计中使用处理器芯片内置比较器，不需要外置的比较器，侧重点在于电机虚拟中点的构造，所以称之为位置检测中点法。）在电机低速和启动的时候对电机反电动势过零判断不精确，容易产生误判，在高速的时候能够精确的判断出反电动势过零点；而采用ADC采样法在低速的时候可以精确的判断出反电动势过零点，在高速的时候由于电机磁场的干扰，容易发生误判。因此本发明结合两种方法的优缺点，在低速的时候采用ADC采样法对反电动势过零进行检测，在高速的时候切换到位置检测中点法对反电动势过零进行检测，这样控制器就能够更加精确、稳定的控制电机转速，提高了工作效率。

具体电路设计方案如下，所述直流无刷电机控制器包括DC/DC降压电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述DC/DC降压电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动所述永磁直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述永磁直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法和ADC采样法来确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

进一步的方案是，所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；所述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测电路；其中，所述太阳能电池组件的第一输出端与逆变电路连接，第二输出端与DC/DC降压电路连接；所述DC/DC降压电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接；所述反电动势过零检测电路的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测电路的输出端与所述MUC芯片连接。

进一步的方案是，所述逆变电路包括一个带有六个开关管的IGBT功率驱动部件，该IGBT功率驱动部件分为三组开关管并构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接。

进一步的方案是，还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。本发明中设计的保护模块，当直流无刷电机正常运行时，保护模块不动作，控制器按照预定的程序控制直流无刷电机稳定运行，在直流无刷电机可加负载的范围内，能够根据实际的负载变化情况自行调节，无需人为参与。

当直流无刷电机运行异常时，如：当直流无刷电机供电电压过压、欠压或者过流情况下，直流无刷电机能够根据保护模块采集得到的参数做出相应的动作，切断电源，关闭控制器来对直流无刷电机和控制器进行保护。又如：当直流无刷电机负载过大的情况下，直流无刷电机被堵转，保护模块根据相过流电流信号，采取关闭控制器，切断电源来对电机进行保护，防止电机因为过载过流而烧坏电机。

本发明中直流无刷电机的设计原理是，根据直流无刷电机的特性可知电机的三相反电势为平顶宽为 120°电角度的梯形波，三相反电势之间互差 120°电角度，因此可以绘出三相反电势的波形，如附图4所示。定子绕组的反电势是由转子的旋转速度和位置决定的。因此，只要获得合理的反电势信号，既可以准确的获得位置信息。

图5中，把一个电周期划分为六个 60°的电角度，并将 6 种导通方式均匀搁置在每一个区间。我们以AB两相导通为例分析。当AB两相导通时，C相悬空，C相反电动势在AB相开始导通时反电动势开始减小，经过30°的电角度，反电动势变为0，接着反电动势接着反向变大，再滞后30°的电角度，到达下一换相时刻，即AC相导通，B相悬空。对于检测无位置传感器直流无刷电机的反电势过零点，一般只需要对不导通相进行检测，即可得出有效的过零信号。在式(3)的直流无刷电机数学模型中，任取一相 C相作为不导通相，可以求得C相反电势为：

（1）

当C相不导通时，C 相电感电流会通过续流二极管瞬间放电，其后 =0，故可以认为：

（2）

由式（2）可以看出，可以根据电机非导通相端电压和中性点电压，就可以推导出反电动势的大小，并对反电动势过零信号进行判断，进而得出电机的换相时刻。

在电流闭环控制模式下，不断增加 PWM 的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期，使转子加速旋转，直到满足反电动势过零点的，检测反电动势过零点信号，并与逻辑换相表进行依次换相，电机切入到速度电流双闭环自控运行状态。

直流无刷电机启动前，需保证液体注满储水罐。考虑到现场盐雾环境，电机及其控制器防护等级是IP55。图2和图3是电机驱动系统控制框图，太阳能电池组件正常工作电压为500伏至950伏范围内，给逆变电路提供强电，并且通过DC/DC给MCU芯片提供弱电。在此需要说明的是，传统的无位置传感器启动是通过对无刷直流电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给MCU逆变控制驱动电路，由MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法结合ADC采样法来确定反电动势过零点进行适当延时换相，以驱动无刷直流电机进行缓慢加速直至达到预定转速，启动时采用开环控制，此方法适用于空载启动，电机在运行过程中，由于泵体内盐碱结晶，对于电机启动而言将不再是空载启动，而是带载启动，为了增加启动成功率和保护IGBT，本发明的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制方法，包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；

第二步，恒电流三段式电机初始启动的步骤：给定预定的启动电流，任意两相绕组通电而另一相关断，电机定子合成磁势轴线在空间上有一定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，预设程序控制该过程延时一段时间，即可确定转子的初始位置；然后由MCU芯片产生PWM波形控制逆变电路，使逆变电路的换相频率从小到大逐渐增加，使电机的速度超到一个设定值，且整个加速过程持续0.5秒；最后，当系统检测电机转速达到设定转速时， 即可获得足够大的反电动势，再结合位置检测法确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，这时电机初始启动完成；

第三步，为系统自运行步骤，电机在完成启动后系统将切换至转速电流双闭环模式，速度环是外环，用增量式PID算法，要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定；在电流环是内环，用增量式PID算法，根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数。在线调节这四组参数，使系统控制性能达到最优。

第四步，直流无刷电机在运行过程中，通过电压传感器检测太阳能电池组件的电压，若电压低于500伏，系统启动欠压保护，若高于950伏，系统启动过压保护，此时系统停止运行；在停机过程中，每隔1分钟采集母线电压值，若电压回到工作范围内，控制器自动重启电机。

传统的位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值，因此位置式PID控制的累积误差很大；而本发明采用的增量式的PID的控制，其输出只与当前拍和前两拍的误差有关，因此增量式PID控制的累积误差相对更小；且由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

第二步的恒电流三段式电机初始启动的步骤中：若实现电机正转，先导通AB两相，C相关断，程序控制这一过程延时一段时间，再导通AC两相，B相断开，再延时一段时间确保转子的初始位置，然后按电机正转换相逻辑BC->BA->CA->CB->AB->AC的换相顺序；若系统要求反转,先导通AB两相，C相关断，延时一段时间，再导通CB两相，A相断开，再延时一段时间，完成转子初始定位，然后再按反转换相逻辑CA->BA->BC->AC->AB->CB依次换相。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，其特征在于，包括太阳能电池组件，所述太阳能电池组件的输出端与直流无刷电机控制器连接，所述直流无刷电机控制器的输出端与直流无刷电机连接，所述直流无刷电机的输出端通过弹性联轴器与带有高压喷水枪的高转速水泵连接，所述高转速水泵的进水端与储水罐连接。

2.如权利要求1所述的一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，其特征在于，所述直流无刷电机控制器包括DC/DC降压电路、MCU逆变控制驱动电路以及无传感检测电路；所述DC/DC降压电路给所述MCU逆变控制驱动电路供电，并通过所述MCU逆变控制驱动电路驱动所述永磁直流无刷电机工作；所述无传感检测电路通过对所述永磁直流无刷电机的工作电压以及工作电流进行检测，并将检测结果发送给所述MCU逆变控制驱动电路，由所述MCU逆变控制驱动电路根据位置检测中点法和ADC采样法来确定反电动势过零点，结合电流闭环控制，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，以驱动直流无刷电机进行缓慢加速直至达到预定转速。

3.如权利要求2所述的一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，其特征在于，所述MCU逆变控制驱动电路包括MCU芯片、驱动电路和逆变电路；所述无传感检测电路包括电流采集模块、电压采集模块和反电动势过零检测电路；其中，所述太阳能电池组件的第一输出端与逆变电路连接，第二输出端与DC/DC降压电路连接；所述DC/DC降压电路的输出端分别与MCU芯片以及驱动电路连接；所述反电动势过零检测电路的输入端分别通过电流采集模块和电压采集模块与直流无刷电机连接，所述反电动势过零检测电路的输出端与所述MUC芯片连接。

4.如权利要求3所述的一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，其特征在于，所述逆变电路包括一个带有六个开关管的IGBT功率驱动部件，该IGBT功率驱动部件分为三组开关管并构成三相桥，每组开关管又分为上管和下管，每组开关管中间引出抽头，构成U-V-W三相动力，并与直流无刷电机的三相绕组相连接。

5.如权利要求4所述的一种基于太阳能供电的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制装置，其特征在于，还包括用于对直流无刷电机进行过载保护的保护模块，其信号输入端分别与驱动电路和逆变电路连接，其信号输出端与MCU芯片连接。

6.一种基于权利要求2所述的直流无刷电机驱动式卤水结晶泵控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

第一步，系统初始化的步骤：系统通电，使控制器的各个模块完成上电动作，为控制器的后续动作完成准备工作；

第二步，恒电流三段式电机初始启动的步骤：给定预定的启动电流，任意两相绕组通电而另一相关断，电机定子合成磁势轴线在空间上有一定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，预设程序控制该过程延时一段时间，即可确定转子的初始位置；然后由MCU芯片产生PWM波形控制逆变电路，使逆变电路的换相频率从小到大逐渐增加，使电机的速度超到一个设定值，且整个加速过程持续0.5秒；最后，当系统检测电机转速达到设定转速时， 即可获得足够大的反电动势，再结合位置检测法确定反电动势过零点，进而再延迟转子30°电角度来确定电机的换相时刻，这时电机初始启动完成；

第三步，自控运行的步骤：采用增量PID控制方式，以速度环为外环，以电流环为内环对直流无刷电机进行双闭环控制；其中，速度环的控制方式为：速度环中，首先要读取速度的给定的转速，并将其和实际的转速进行比较，计算偏差，根据速度环中的比例Kp和积分Ki的参数计算出电流环的给定值，然后更新电流环的给定，此时速度环控制结束；其中电流环中，首先根据速度环的输出即为电流环的给定，跟实际的电流反馈值进行比较，计算偏差，根据电流环中的比例Kp和积分Ki的参数计算PWM的占空比，然后更新PWM的参数，实现电流的跟踪给定，电流环控制结束；

第四步，直流无刷电机在运行过程中，通过电压传感器检测太阳能电池组件的电压，若电压低于500伏，系统启动欠压保护，若高于950伏，系统启动过压保护，此时系统停止运行；在停机过程中，每隔1分钟采集母线电压值，若电压回到工作范围内，控制器自动重启电机。