CN102790568B - 一种高速无刷直流电动机软起动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高速无刷直流电动机软起动控制系统，主要由数字控制器、可控三相整流桥、直流斩波器、三相逆变桥、电流传感器和高速无刷直流电动机等部件组成。本发明针对高速无刷直流电动机起动电流大的问题，采用可控三相整流桥、直流斩波器进行两级电压调制，控制三相逆变桥直流母线电压。依据三相逆变桥直流母线电流反馈信号和电动机转速反馈信号，通过数字控制器调节五路PWM驱动信号占空比和六路换相逻辑信号，控制三相逆变桥直流母线电压和换相频率，实现无刷直流电动机降压变频软起动。本发明有效地解决了高速无刷直流电动机软起动问题，对高速无刷直流电动机软起动控制研究有重要的应用价值。

Description

一种高速无刷直流电动机软起动控制系统

技术领域

本发明涉及高速无刷直流电动机软起动控制系统，特别是采用无刷直流电动机位置传感器控制方式下的低电动机损耗的软起动控制系统，可作为分子泵、离心机、压缩机等大功率高速设备用大功率高速电动机的一种软起动控制系统。

背景技术

分子泵、离心机、压缩机等大功率高速设备用大功率高速无刷直流电动机通常具有小电枢电感的特点。小电枢电感无刷直流电动机容易出现起动电流大，谐波含量高的问题。大起动电流会造成电动机铜耗的增加，谐波含量高会导致电动机转子涡流损耗增大。过大的电动机损耗会在电动机内部快速形成发热源，导致电动机瞬间升温，影响电动机性能和寿命，甚至直接造成电动机定子绕组烧坏或者转子永磁体退磁。另外谐波含量高的大起动电流对电网冲击严重，形成电网污染，影响同一电网供电的其他用电设备的正常工作。因此，需要使用电动机起动装置实现电动机软起动。

目前，电动机的起动装置可以分为降压起动装置和变频起动装置两大类。降压起动装置不能完成无刷直流电动机的换相，只能作为无刷直流电动机控制器的辅助装置。变频起动装置主要有晶闸管电动机软起动器和变频调速器等。变频起动装置是现代控制理论、微控制器技术和电力电子变换技术的结合产物。晶闸管电动机软起动器可以使电动机端电压按照预先设置的控制方式从零开始逐渐上升到电源电压，具有输出电压范围宽的优点，但由于没有换相信号检测判断功能，不能保证无刷直流电动机正确换相，电动机反电动势无法正常建立，导致电动机起动电流大。变频调速器能同时改变输出电压和频率，具有起动转矩大，功率因数高的优点，但起动电流谐波含量高，会导致电动机定子涡流损耗增加，损伤电动机和电缆的绝缘。

因此，现有的电动机起动装置仍不能解决大功率高速无刷直流电动机起动电流大和起动电流谐波含量高的问题，不能满足大功率高速无刷直流电动机软起动的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：解决现有的大功率高速无刷直流电动机起动电流大、谐波含量高的问题；提出一种针对大功率高速无刷直流电动机的软起动控制系统，该系统具有起动电流小、起动电流谐波含量低的优点。

本发明的技术解决方案是：一种高速无刷直流电动机软起动控制系统，包括可控三相整流桥、电解电容组、直流斩波器、刹车电路、电流传感器、三相逆变桥、无刷直流电动机、线反电动势过零点信号检测电路、数字控制器、滤波电路、程控放大器、第一电压传感器、第二电压传感器。三相动力电经可控三相整流桥输出电压U1，U1经电解电容组滤波，并由第一电压传感器检测，然后送入直流斩波器，经调制输出直流电压U2，U2由第二电压传感器检测，两端并联刹车电路，U2串联电流传感器后输入到逻辑换相的三相逆变桥，驱动无刷直流电动机起动。在起动过程中，第一电压传感器输出信号和电流传感器输出信号经滤波电路进行滤波后送入程控放大器进行放大，这两路模拟信号和第二电压传感器输出模拟信号共三路信号送入数字控制器的AD转换接口。无刷直流电动机的线反电动势经线反电动势过零点信号检测电路处理后送入数字控制器的CAP捕获接口。在数字控制器的CAP接口捕获线反电动势过零点信号时，禁用直流斩波器减小高频斩波噪声干扰，并且使能刹车电路吸收斩波电路高频振荡噪声。在数字控制器的CAP接口捕获线反电动势过零点信号时，禁用直流斩波器用来减小高频斩波噪声干扰，并且使能刹车电路用于吸收斩波电路高频振荡噪声。

所述的数字控制器依据电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器的反馈信号，采用电流闭环和速度闭环双闭环控制，保证三相逆变桥母线电流值不大于设定电流值，且三相逆变桥强制换相频率值等于无刷直流电动机线反电动过零点信号频率值，同时实时调节可控三相整流桥和直流斩波电路的调制信号占空比。

所述的三相逆变桥对无刷直流电动机只进行逻辑换相，不进行线电压调制。

本发明的原理是：本发明所述的高速无刷直流电动机软起动控制系统主要包括可控三相整流桥、电解电容组、直流斩波器、刹车电路、电流传感器、三相逆变桥、无刷直流电动机、线反电动势过零点信号检测电路、数字控制器、滤波电路、程控放大器、第一电压传感器、第二电压传感器。无刷直流电动机软起动过程包括控制系统初始化阶段、电动机起动加速阶段和同步切换阶段三个阶段。

在控制系统的初始化阶段，数字控制器完成程序和数据存储空间分配，并输出三路低频PWM信号控制可控三相整流桥输出直流电压U1，U1对电解电容组进行充电至给定电压；同时，数字控制器控制直流斩波器、刹车电路和三相逆变桥使得三者均处于禁用状态。无刷直流电动机软起动系统完成系统初始化以后，进入无刷直流电动机的起动加速阶段。

在无刷直流电动机的起动加速阶段，数字控制器输出一路高频PWM信号控制直流斩波器对直流电压U1进行第二级电压调制输出三相逆变桥直流母线电压U2；同时，数字控制器输出强制换相频率递增的六路逻辑信号，该变频换相信号控制三相逆变桥对无刷直流电动机进行从零速开始起动和加速控制。电动机的起动加速控制采用电流闭环和转速闭环双闭环控制实现。数字控制器实时调节直流斩波电路驱动信号占空比进行电动机电流闭环控制，实时调节可控三相整流桥驱动信号占空比和三相逆变桥换相频率进行电动机转速闭环控制。电动机电流闭环控制和转速闭环控制原理为：三相逆变桥直流母线电流经电流传感器实时检测并送入滤波电路进行低通滤波，然后送入程控放大器进行放大调理送入数字控制器的AD接口进行模数转换，转换后的数字信号作为电流闭环控制的反馈信号；数字控制器判断采样得到的电流反馈信号是否大于无刷直流电动机软起动电流设定值，如果大于设定值则依据电流反馈信号和电流设定值的误差值实时调节直流斩波器驱动信号的占空比控制三相逆变桥直流母线电压，形成无刷直流电动机软起动的电流闭环控制。如果电流采样值不大于设定值，则数字控制器的CAP接口实时获取无刷直流电动机反电动势过零点信号并计算其频率值，对比该频率值和三相逆变桥的强制换相频率值，如果两个频率值不相同，则表明电动机速度给定值和速度反馈值有误差，数字控制器依据速度误差和第一电压传感器反馈信号实时调节可控三相整流桥驱动信号的占空比，进行无刷直流电动机软起动的速度闭环控制；如果两个频率值相同，则进入无刷直流电动机软起动同步切换阶段。

在无刷直流电动机软起动同步切换阶段，线反电动势过零点信号检测电路检测无刷直流电动机的线反电动势过零点信号。数字控制器的CAP接口捕获过零点信号作为无刷直流电动机换相信号，并依据过零点信号频率计算无刷直流电动机当前转速。数字控制器控制可控三相整流桥、直流斩波电路和三相逆变桥达到无刷直流电动机的转速稳速控制。如果无刷直流电动机转速相对于设定转速值误差不大于0.1％，则表明无刷直流电动机软起动成功，否则数字控制器重新调节可控三相整流桥驱动信号占空比进行无刷直流电动机的转速调整。

在无刷直流电动机软起动控制系统中，数字控制器输出的六路逻辑信号控制三相逆变桥只进行逻辑换相，而不进行电动机线电压调制，降低了无刷直流电动机起动电流的谐波含量，便于减小三相逆变桥直流母线电流信号噪声幅值和无刷直流电动机线反电动势过零点信号噪声幅值。在数字控制器获取线反电动势过零点信号作为无刷直流电动机换相逻辑判断信号时，为减少线反电动势过零点信号采集时的高频斩波噪声干扰，数字控制器通常暂时禁用直流斩波器，并且使能刹车电路，增加电路阻尼，吸收噪声干扰。

本发明与现有技术相比的优点在于：（1）本发明采用闭环控制实时调节可控三相整流桥和直流斩波器的驱动信号占空比，实现了对三相逆变桥直流母线电压的两级电压调制，区别于传统变频软起动器只进行逆变桥电压调制的系统，减小了高速无刷直流电动机起动电流。（2）本发明中，三相逆变桥只进行无刷直流电动机变频换相，区别于传统变频软起动器逆变桥即进行电压调制又进行电动机变频换相的系统。降低了高速无刷直流电动机定子电流的谐波含量，减小了转子体涡流损耗，提高了高速无刷直流电动机的运行效率和寿命。

附图说明

图1为本发明所述的高速无刷直流电动机软起动控制系统图；

图2为本发明所述的高速无刷直流电动机控制系统的数字控制器图；

图3为本发明所述的高速无刷直流电动机控制系统的数字控制器软件流程图；

图4为本发明所述的高速无刷直流电动机控制系统的程控放大器图；

具体实施方式

如图1所示为一种高速无刷直流电动机软起动控制系统，包括可控三相整流桥1、电解电容组2、直流斩波器3、刹车电路4、电流传感器5、三相逆变桥6、无刷直流电动机7、线反电动势过零点信号检测电路8、数字控制器9、滤波电路10、程控放大器11、第二电压传感器12、第一电压传感器13。三相动力电经可控三相整流桥1后输出直流电压U1，U1并联电解电容组2进行滤波，电解电容组2两端并联第一电压传感器13进行电压检测，且该电压作为直流斩波器3输入电压，经过直流斩波器后，输出幅值更低的可控直流电压U2，U2两端并联第二电压传感器12进行电压检测，并串联电流传感器5到三相逆变桥6，检测三相逆变桥6直流母线电流。三相逆变桥6通过逻辑换相驱动无刷直流电动机7起动。无刷直流电动机7的线反电动势经过线反电动势过零点信号检测电路后输出三路过零点信号。第一电压传感器13输出一路电压模拟信号，第二电压传感器12输出一路电压模拟信号，电流传感器5输出一路电流模拟信号，后两路模拟信号先送入滤波电路10滤波降噪，然后送入程控放大器11调理放大输出两路模拟信号。数字控制器9的AD接口接收上述三路模拟信号并进行模数转换；数字控制器9的通用数字接口GPIO向程控放大器11发出增益选择信号，并接收增益选择信息反馈；数字控制器9的捕获接口CAP接收三路线反电动势过零点信号。数字控制器9根据AD采样得到的两路电压信号和一路电流信号，输出三路PWM信号控制可控三相整流桥1，调节直流电压U1；同时，输出一路PWM信号控制直流斩波器3，调节直流电压U2，限制三相逆变桥6的直流母线电压；输出一路PWM信号，控制刹车电路4的工作。数字控制器9根据线反电动势过零点信号进过内部软件控制代码运算，输出六路逻辑换相信号，控制三相逆变桥6的换相频率，对无刷直流电动机7进行换相和调速，并判断外同步和自同步切换点。

如图2所示，数字控制器9采用DSP芯片TMS320F28335，主要由CPU、A/D模块、PWM模块和通用数字接口（GPIO）等组成。CPU为控制器的中央处理单元。A/D模块对第一电压传感器输出的电压模拟信号、第二电压传感器输出的电压模拟信号和电流传感器输出的电流模拟信号进行模数变换，模数变换后的数据经CPU读取寄存器获取后作为代码计算的数据。PWM模块经CPU寄存器设置和代码运算，受控产生五路PWM信号，其中三路低频PWM信号用于可控三相整流桥1的控制、其中一路10kHz高频PWM信号用于直流斩波器3的控制、另外一路1kHz频率小占空比PWM信号用于刹车电路4的控制。PWM模块还产生六路换相逻辑信号用于无刷直流电动机7的换相和调速。GPIO可由CPU任意配置为输入输出接口，输出两路数字信号，输入两路数字信号，前者用作程控放大器11的增益选择信号，后者是程控放大器11反馈给数字控制器9的增益选择反馈信号。

所述的数字控制器9依据电流传感器5、第一电压传感器13、第二电压传感器12的反馈信号，采用电流闭环和速度闭环双闭环控制，保证三相逆变桥母线电流值不大于设定电流值，且三相逆变桥强制换相频率值等于无刷直流电动机线反电动过零点信号频率值，同时实时调节可控三相整流桥1和直流斩波电路3的调制占空比。

所述的三相逆变桥6对无刷直流电动机7只进行逻辑换相，不进行线电压调制。

如图3所示，软件流程包括系统初始化模块、起动加速模块和同步切换模块。系统初始化模块进行主控制器初始化，即完成程序和数据存储器空间的分配，并对电解电容组2预充电至给定电压，同时，数字控制器9控制直流斩波器3、刹车电路4和三相逆变桥6使得三者均处于禁用状态。在起动加速模块中，数字控制器9使能并实时控制直流斩波器3输入电压和三相逆变桥6直流母线电压。数字控制器9输出六路强制换相逻辑信号驱动三相逆变桥6强制换相，强制换相频率值为f1。三相逆变桥6直流母线电流经实时检测和判断其是否大于电动机运行额定电流值的1.5倍，如果大于电动机运行额定电流值的1.5倍，则减小直流斩波器3驱动信号占空比控制三相逆变桥6直流母线电压，形成无刷直流电动机7软起动的电流闭环控制。如果不大于电动机运行额定电流值的1.5倍，则数字控制器9实时获取无刷直流电动机7反电动势过零点信号并计算其频率值f2，和三相逆变桥6强制换相频率值f1对比。如果频率值f1大于频率值f2，则减小可控三相整流桥驱动信号占空比，如果频率值f1小于频率值f2，则增大可控三相整流桥驱动信号占空比，进行无刷直流电动机7软起动速度闭环控制。如果两个频率值f1和f2相同，则进入同步切换模块，检测无刷直流电动机7线反电动势过零点信号作为换相信号。在无刷直流电动机线反电动势过零点信号检测过程中，禁止直流斩波器3，打开刹车电路4，保证过零点信号采集的准确性。如果无刷直流电动机7转速相对于设定转速值误差不大于0.1％，则表明无刷直流电动机软起动成功，否则数字控制器9重新调节可控三相整流桥1驱动信号占空比进入起动加速模块和同步切换模块进行电动机转速调整。

如图4所示，程控放大器11包括仪用放大器、可编程放大器。仪用放大器将滤波电路10输出的一路电压采样模拟信号和一路电流采样模拟信号共两路采样模拟信号进行隔离，然后送入可编程放大器进行放大。可编程放大器接收数字控制器9输出的两路增益选择信号，可编程放大器依据该信号对放大增益编程。可编程放大器向数字控制器9反馈两路当前增益值，数字控制器9依据该信号辨别可编程放大器的放大增益。程控放大器11输出一路电压信号模拟量和一路电流信号模拟量，前者为三相逆变桥直流母线电压信号模拟量，后者为三相逆变桥直流母线电流信号模拟量。

Claims (1)

1.一种高速无刷直流电动机软起动控制系统，其特征在于，包括可控三相整流桥(1)、电解电容组(2)、直流斩波器(3)、刹车电路(4)、电流传感器(5)、三相逆变桥(6)、无刷直流电动机(7)、线反电动势过零点信号检测电路(8)、数字控制器(9)、滤波电路(10)、程控放大器(11)、第二电压传感器(12)、第一电压传感器(13)，三相动力电经可控三相整流桥(1)整流输出电压U1，U1经电解电容组(2)滤波，并由第一电压传感器(13)检测，然后送入直流斩波器(3)，经高频调制输出直流电压U2，U2由第二电压传感器(12)检测，并经电流传感器(5)后输入到三相逆变桥(6)，驱动无刷直流电动机(7)起动；第二电压传感器(12)输出电压模拟信号和电流传感器(5)输出电流模拟信号经滤波电路(10)进行滤波后送入程控放大器(11)进行放大，这两路模拟信号和第一电压传感器(13)输出模拟信号共三路信号送入数字控制器(9)的AD转换接口进行模数转换；无刷直流电动机(7)的线反电动势经线反电动势过零点信号检测电路(8)处理后得到线反电动势过零点信号，作为无刷直流电动机(7)的逻辑换相判断信号；在数字控制器(9)的CAP接口捕获线反电动势过零点信号时，禁用直流斩波器(3)减小高频斩波噪声干扰，并且使能刹车电路(4)吸收斩波电路高频振荡噪声；系统初始化模块进行主控制器初始化，即完成程序和数据存储器空间的分配，并对电解电容组(2)预充电至给定电压，同时，数字控制器(9)控制直流斩波器(3)、刹车电路(4)和三相逆变桥(6)使得三者均处于禁用状态；在起动加速模块中，数字控制器(9)使能并实时控制直流斩波器(3)输入电压和三相逆变桥(6)直流母线电压；数字控制器(9)输出六路强制换相逻辑信号驱动三相逆变桥(6)强制换相，强制换相频率值为f1；三相逆变桥(6)直流母线电流经实时检测和判断其是否大于电动机运行额定电流值的1.5倍，如果大于电动机运行额定电流值的1.5倍，则减小直流斩波器(3)驱动信号占空比控制三相逆变桥(6)直流母线电压，形成无刷直流电动机(7)软起动的电流闭环控制，如果不大于电动机运行额定电流值的1.5倍，则数字控制器(9)实时获取无刷直流电动机(7)反电动势过零点信号并计算其频率值f2，和三相逆变桥(6)强制换相频率值f1对比，如果频率值f1大于频率值f2，则减小可控三相整流桥驱动信号占空比，如果频率值f1小于频率值f2，则增大可控三相整流桥驱动信号占空比，进行无刷直流电动机7软起动速度闭环控制，如果两个频率值f1和f2相同，则进入同步切换模块，检测无刷直流电动机(7)线反电动势过零点信号作为换相信号；在无刷直流电动机线反电动势过零点信号检测过程中，禁止直流斩波器(3)，打开刹车电路(4)，保证过零点信号采集的准确性；如果无刷直流电动机(7)转速相对于设定转速值误差不大于0.1％，则表明无刷直流电动机软起动成功，否则数字控制器(9)重新调节可控三相整流桥(1)驱动信号占空比进入起动加速模块和同步切换模块进行电动机转速调整。