CN110995073B - 一种永磁无刷直流风机启动方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁无刷直流风机启动方法，刹车前初始化数据，初始化的对象包括刹车占空比、刹车次数N_brk和刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref；预设刹车时间，预设开环定位拖动的转速频率阈值f_ref，动态获取三相电流实时值进行刹车占空比的控制；获取风机当前转速频率f，根据是否达到刹车时间和刹车次数N_brk，及当前转速频率f和转速频率阈值f_ref的大小关系进行风机控制。本发明能够获取风机转速频率，合理地根据启动前不同的转速进行刹车占空比配置，保证一定的制动效果以适应多变的室外工况环境；避免刹车时产生较大的电流失去控制导致炸功率管或者过压烧坏控制驱动板的供电电路和其他元器件，提高产品稳定性，节约维护成本。

Description

一种永磁无刷直流风机启动方法

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流风机启动方法，属于风机启动控制技术领域。

背景技术

永磁材料的普及使得永磁同步直流电机得到了极大的关注与发展，由于装配简单、运用场合广、成本较低、可靠性高，无位置传感器的外转子表贴式永磁直流电机在风机领域得到越来越广泛的运用。

目前，永磁无刷直流风机多采用无位置传感器的正弦矢量控制驱动方式。矢量控制的核心是获取运行过程中电机的转子位置和三相电流进行坐标变换，从而实现对电机转矩和磁通的单独控制。该驱动方式具有效率高、噪音低、电流脉动小、相电流谐波较小、成本低等优点和优势，应用越来越广泛。

永磁直流无刷风机的无传感器控制一般都需要一个转子开环定位和拖动的启动过程，即对电机三相通以直流电，使转子固定，然后通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度把电机转子强行带动并达到一定的初速度，再切入速度闭环控制。

然而，室外风机在启动过程中受外界风等影响，可能无法直接定位。室外风机常常需要在逆风或者顺风的环境下启动，在定位时风机具有一定的初始转速，转子常常难以固定，启动过程可能会出现过流故障、炸功率管、或者过压烧坏控制驱动板的供电电路。

此外，现有技术中的方法也存在一些不足，如公开号为CN104779845A的中国专利公开的永磁无刷直流电机位置及转速检测方法，该方法通过处理器产生50％的PWM波控制三相桥臂顺序导通，没有合理地根据启动前不同的转速进行刹车占空比设置，在不同工况下，制动的效果差别很大，不能适应多变的室外环境。

还有一些方法为给定零电流强拉转子定位并拖动，当风机叶片为铁质并且较重负载时转动惯量较大，大功率的直流电机反电动势较大，转子位置未知，有一定的概率会产生较大的电流，导致启动失败，通用性不强。最直接的是报过流故障，失去控制导致炸功率管或者过压烧坏控制驱动板的供电电路和其他元器件，产品稳定性差，维护成本高。另外产生的大电流容易造成电机转子退磁，影响使用寿命。综上，亟需一种新的永磁无刷直流风机启动技术方案。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种永磁无刷直流风机启动方法，通过启动前快速判定风机在外界风作用下的初始转速，并根据初始转速控制直流风机进入不同的动作模式，在确保直流风机的可靠启动的同时还能保护硬件电路。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种永磁无刷直流风机启动方法，包括以下步骤：

1)刹车前初始化数据，所述初始化的对象包括刹车占空比、刹车次数N_brk和刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref；

2)预设刹车时间，预设开环定位拖动的转速频率阈值f_ref，动态获取三相电流实时值进行刹车占空比的控制；

3)获取风机当前转速频率f，根据是否达到刹车时间和刹车次数N_brk，及当前转速频率f和转速频率阈值f_ref的大小关系进行风机控制。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，所述步骤3)中，当刹车计时开始，未达到刹车时间时：

a)若当前转速频率满足f<f_ref，进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子带动到预设的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时切入速度闭环控制；

b)若当前转速频率满足f≥f_ref，进行刹车制动，延时后由辅助中断流程查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；当步骤2)中检测到三相电流实时值未超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时，周期地加大刹车占空比至所述最大占空比数值DutyMax；

c)若当前转速频率满足f≥f_ref，进行刹车制动，延时后由辅助中断流程查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；当步骤2)中检测到三相电流实时值超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时，恢复刹车占空比至初始化状态。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，所述步骤3)中，当达到刹车时间后：

d)若当前转速频率满足f<f_ref，进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子带动到预设的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时切入速度闭环控制；

e)若当前转速频率满足f≥f_ref，则再判断是否超过所述步骤1)中的刹车次数N_brk，若刹车次数未到则重新进入步骤1)再次刹车，若超过了刹车次数则进行刹车前的恢复，关闭驱动等待手动复位启动。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，所述步骤c)中，于下一个周期到来时，当步骤2)中检测到三相电流实时值未超过刹车制动时允许的三相电流最大值Iref时，跳转回到步骤b)。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，所述刹车占空比的初始化为三相悬空不刹车状态。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，获取母线电压最大值，在三相悬空不刹车状态时采集UVW三相的端电压；将采集到的U相端电压减去V相端电压获取UV线电压，再根据风机的线反电动势常数K_e获得估算的转速频率。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，实时监控母线电压并控制母线泻放电阻的功率泻放，阻止线反电动势电压向母线电容充电导致母线电压抬升和对功率模块的损坏。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，还包括主控芯片的外设初始化，所述外设初始化中将主控芯片的上桥功率管全部关断，将主控芯片的下桥控制功率管的控制信号引脚设置为三个PWM模块全比较互补输出的端口并用于三相同时短路时的风机刹车制动。

作为永磁无刷直流风机启动方法的优选方案，用于具有初速度的室外风机，所述室外风机的初速度来源于外界气流环境，所述刹车指对具有初速度的室外风机进行制动。

本发明针对负载转动惯量较大、反电动势较大、大功率的永磁无刷直流风机的控制，能够获取风机转速频率，合理地根据启动前不同的转速进行刹车占空比配置，保证一定的制动效果以适应多变的室外工况环境；同时避免了刹车时产生较大的电流失去控制导致炸功率管或者过压烧坏控制驱动板的供电电路和其他元器件，提高产品稳定性，节约维护成本；另外也避免产生的大电流容易造成电机转子退磁，影响使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例中提供的一种永磁无刷直流风机启动方法主中断流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种永磁无刷直流风机启动方法中辅助中断流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，提供一种永磁无刷直流风机启动方法，用于具有初速度的室外风机，所述室外风机的初速度来源于外界气流环境，所述刹车指对具有初速度的室外风机进行制动。可在启动前快速判定风机在外界风作用下的初始转速，并根据初始转速控制直流风机进入不同的动作模式，在确保直流风机的可靠启动的同时还能保护硬件电路，具体包括以下步骤：

S100：主要进行刹车前的初始化。如软件设定刹车时间，计时清零和刹车次数N_brk；刹车占空比初始化为不刹车即三相悬空，这个要与开关频率以及主控芯片主频相对应，以便于采集端电压从而计算出线电压用于当前转速频率的确认；主控芯片的外设初始化，把上桥功率管全部关断，下桥控制功率管的控制信号引脚设置为三个PWM模块全比较互补输出的端口，用于三相同时短路从而刹车制动；设置刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref，在线监测进行硬件保护。

S101：在线实时监测三相电流。当风机叶片为铁质，较重负载转动惯量较大、大功率的直流电机反电动势较大，转子位置未知，有一定的概率会产生较大的电流，启动失败。最直接的是报过流故障或者失去控制导致炸功率管和损坏控制驱动板的其他元器件，产品稳定性差，维护成本高。另外产生的大电流容易造成电机转子退磁，影响使用寿命。针对这种情况，有必要在线实时监测三相电流，动态获取三相电流的最大值，以便于在S104流程进行刹车占空比的控制。

S102：通过软件外部设定刹车时间，一般在半分钟左右，具体实施取决于母线泻放电阻的功率。

S103：通过软件外部设定可开环定位拖动的转速频率阈值f_ref。具体地，当刹车计时开始，未达到刹车时间时，分为三种情形：

a)若当前转速频率满足f<f_ref，直接切入S105流程进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子强行带动并达到一定的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时，再切入速度闭环控制；

b)若当前转速频率满足f≥f_ref，进入S104流程进行刹车制动，延时后由辅助中断流程S202查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；当S101中检测到三相电流实时值未超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时(即I＜I_ref)，开始周期性地加大到由辅助中断的S202查表得出的最大占空比数值Duty_Max，即逐步加强刹车，给启动控制留有一定的过渡反应时间；

c)若当前转速频率满足f≥f_ref，进入S104流程进行刹车制动，延时后由辅助中断S202流程查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；若在S101流程中检测三相电流最大值已经超过刹车制动时允许的三相电流最大值即I≥I_ref时，刹车占空比立即恢复到初始化数值即恢复到不刹车状态，当步骤2)中检测到三相电流实时值超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时，恢复刹车占空比至初始化状态，从而防止报过流故障或者失去控制导致炸功率管和损坏控制驱动板的其他元器件，达到了保护硬件的目的。但在下一个周期开始又周期性地加大到由辅助中断的S202查表得出的最大占空比数值Duty_Max，即逐步加强刹车，也给启动控制留有一定的过渡反应时间。

具体的，辅助中断流程包括S200：启动刹车策略；S201：根据线反电动势常数估算当前转速；S202：状态切换等待；S203：判断是否达到0.5s；S204：达到0.5s，根据当前转速配置刹车占空比；S205：未达到0.5s，配置不刹车的占空比。

具体的，步骤S102流程到达刹车时间后，需要再次判定，具体地分为两个情况：

d)若当前转速频率满足f<f_ref，直接切入S105流程进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子带动到预设的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时切入速度闭环控制；

e)若当前转速频率满足f≥f_ref，执行步骤S106，再判断是否超过所述S100中的刹车次数N_brk，若刹车次数未到则重新进入S100流程再次刹车，根据上述判断条件进入a)、b)和c)三个不同的情形。若超过了刹车次数执行步骤S107进行刹车前的恢复，关闭驱动等待手动复位启动。

具体的，还包括S108，获取母线电压最大值，在三相悬空不刹车状态时采集UVW三相的端电压；将采集到的U相端电压减去V相端电压获取UV线电压，再根据风机的线反电动势常数K_e获得估算的转速频率。还包括步骤S109，实时监控母线电压并控制母线泻放电阻的功率泻放，阻止线反电动势电压向母线电容充电导致母线电压抬升和对功率模块的损坏。

本发明针对负载转动惯量较大、反电动势较大、大功率的永磁无刷直流风机的控制，能够获取风机转速频率，合理地根据启动前不同的转速进行刹车占空比配置，保证一定的制动效果以适应多变的室外工况环境；同时避免了刹车时产生较大的电流失去控制导致炸功率管或者过压烧坏控制驱动板的供电电路和其他元器件，提高产品稳定性，节约维护成本；另外也避免产生的大电流容易造成电机转子退磁，影响使用寿命。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种永磁无刷直流风机启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)刹车前初始化数据，所述初始化的对象包括刹车占空比、刹车次数N_brk和刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref；

2)预设刹车时间，预设开环定位拖动的转速频率阈值f_ref，动态获取三相电流实时值进行刹车占空比的控制；

3)获取风机当前转速频率f，根据是否达到刹车时间和刹车次数N_brk，及当前转速频率f和转速频率阈值f_ref的大小关系进行风机控制；

所述步骤3)中，当刹车计时开始，未达到刹车时间时：

a)若当前转速频率满足f<f_ref，进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子带动到预设的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时切入速度闭环控制；

b)若当前转速频率满足f≥f_ref，进行刹车制动，延时后由辅助中断流程查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；当步骤2)中检测到三相电流实时值未超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时，周期地加大刹车占空比至所述最大占空比数值DutyMax；

c)若当前转速频率满足f≥f_ref，进行刹车制动，延时后由辅助中断流程查表获得当前转速下刹车的最大占空比数值Duty_Max；当步骤2)中检测到三相电流实时值超过刹车制动时允许的三相电流最大值I_ref时，恢复刹车占空比至初始化状态；

所述步骤3)中，当达到刹车时间后：

d)若当前转速频率满足f<f_ref，进行开环定位拖动，对风机三相通以直流电使转子固定，通过加入预设的d-q轴电流和虚拟电角度将风机转子带动到预设的初速度，当达到正向无位置传感器目标切换频率时切入速度闭环控制；

e)若当前转速频率满足f≥f_ref，则再判断是否超过所述步骤1)中的刹车次数N_brk，若刹车次数未到则重新进入步骤1)再次刹车，若超过了刹车次数则进行刹车前的恢复，关闭驱动等待手动复位启动；

所述刹车占空比的初始化为三相悬空不刹车状态；获取母线电压最大值，在三相悬空不刹车状态时采集UVW三相的端电压；将采集到的U相端电压减去V相端电压获取UV线电压，再根据风机的线反电动势常数K_e获得估算的转速频率；

辅助中断流程包括：启动刹车策略；根据线反电动势常数估算当前转速；状态切换等待；判断是否达到0.5s；达到0.5s，根据当前转速配置刹车占空比；未达到0.5s，配置不刹车的占空比。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流风机启动方法，其特征在于，所述步骤c)中，于下一个周期到来时，当步骤2)中检测到三相电流实时值未超过刹车制动时允许的三相电流最大值Iref时，跳转回到步骤b)。

3.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流风机启动方法，其特征在于，实时监控母线电压并控制母线泻放电阻的功率泻放，阻止线反电动势电压向母线电容充电导致母线电压抬升和对功率模块的损坏。

4.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流风机启动方法，其特征在于，还包括主控芯片的外设初始化，所述外设初始化中将主控芯片的上桥功率管全部关断，将主控芯片的下桥控制功率管的控制信号引脚设置为三个PWM模块全比较互补输出的端口并用于三相同时短路时的风机刹车制动。

5.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流风机启动方法，其特征在于，用于具有初速度的室外风机，所述室外风机的初速度来源于外界气流环境，所述刹车指对具有初速度的室外风机进行制动。

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