专利名称：一种相位闭环控制直流电动机调速方法
技术领域：
本发明涉及直流电动机调速方法，特别涉及一种应用于双向可控硅TRIAC 作为开关元件，在负载变化状态下，通过相位闭环控制的直流电动机调速方法。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，直流电动机驱动的方法越来越丰富，其中使用 双向可控硅TRIAC的功率控制电路具有结构简单，性能可靠，价格低廉的优点，在中、小功率电动机驱动中得到广泛的应用。由于采用双向可控硅TRIAC的直流电动机驱动电路多应用于低成本需求场 合，比如小功率人体按摩机、气血循环机等， 一般多采用开环控制的方法，即 通过调节双向可控硅TRIAC的导通角，来控制功率的输出比例，从而达到调节 直流电动机转速的要求。为了使导通角和供电波形同步，目前有两种方法其一为和供电电压波形 的过零点(Voltage Zero Crossing, VZC)同步；其二为和负载电流波形的过 零点(Current Zero Crossing, CZC)同步，采用哪种过零点同步取决于实际 应用。由于电压信号采样简单、可靠，大多数简单应用场合，多采用VZC同步 的方法；而在考虑到更好地配合双向可控硅TRIAC元件关断时序的要求，采用 CZC同步方法，性能会更好，但是由于电流采样较困难，将会增加一定的硬件成 本。但是不论VZC同步方法还是CZC同步方法，其反馈信号都不直接来自转速 信号，导通角相位都是事先固定在电路中，所以这两种方法在负载不变的应用 中(比如豆浆机)，不会出现转速不稳的情况，而在负载变化的应用中(比如人 体按摩机)，将会出现转速不稳的问题。转速闭环控制方法的关键在于转速反馈信号的采样，目前有两种方法其 一为直接物理测量转速，比如采用光电式编码盘、采用霍尔传感器，或者采用 直流测速发电机等方法，这类方法优点在于直接测量电机机械转速，测量精度 较高，反馈速度快，缺点在于需增加系统成本；其二为间接测量转速，由于直 流电动机的转速和其两端电压呈线性关系，所以可以通过测量两端电压来估测 转速，同样，也可以通过测量直流电动机负载电流来估测转速，这类方法测量 精度较低，而直流电动机驱动部分相对于控制部分为高压，所以采样信号需经 过电气转换以及电气隔离之后才能送往低压控制部分。一些低成本变负载应用，比如人体按摩机，反作用于人体按摩机的阻力矩 根据人体体重体质，以及人体位置及用力情况而发生变化，采用开环控制方式，就会出现阻力矩越大，转速反而越小，起不到按摩作用的问题；而对于人体按 摩机的应用，也不需要精确的转速控制，采用闭环方式，则需要增加硬件成本， 性价比不高。发明内容本发明的目标是提供一种直流电动机调速方法，使得在不高于开环控制方 式成本的基础上，针对变化负载应用，通过相位闭环控制，对双向可控硅TRIAC 导通角进行动态调节，以控制直流电动机的输出功率。为实现上述目的，本发明提出如下技术方案本发明相位闭环控制直流电动机调速方法，其电气结构主要包括交流市电、 双向可控硅TRIAC、 MCU、电压-相位转换器、直流电动机、整流桥堆。其中交流市电必须提供正弦波电源，采用双向可控硅TRIAC作为开关元件， 通过调节双向可控硅TRIAC的导通角控制功率输出，也可采用其他相位控制开 关元件，如可控硅、或晶闸管等；整流桥堆将正弦波电源整流成直流电源，用 以驱动直流电动机；电压-相位转换器将双向可控硅TRIAC两端电压转换为相位 脉冲，输出至MCU，由其计算延时时长后，向双向可控硅TRIAC的G极输出触发 脉冲，以控制双向可控硅TRIAC的导通角。直流电动机等效于一个等效电感和一个等效电阻串联而成，直流电动机是 将电能转化为动能做功的系统，由电机原理可知，其转速和加在两端的电压成 正比，也即转矩和电压成正比，在直流电动机受到负载阻力矩时，转速下降， 两端电压下降，等效电感两端压降下降，在电机停止转动的极端情况下，等效 电感两端压降为0，直流电动机等效于纯阻抗。在直流电动机和双向可控硅TRIAC组成的串联电路中，在受到负载阻力矩 时，直流电动机两端压降下降，则双向可控硅TRIAC两端压降上升，本发明通 过将双向可控硅TRIAC两端压降转化为相位，以此作为直流电动机的速度闭环 反馈信号。由此看出本发明的速度反馈信号并不是现有方法之从直流电动机两 端压降采集、或者从流经直流电动机的电流采集，更不是通过光电式编码盘等 直接物理测量得到。本发明中电压-相位转换器的电压转移特征函数为，输入电压大于门限电 压，则输出电压饱和至高电压，否则输出电压饱和至低电压。直流电动机转速越快，其两端压降越大，双向可控硅TRIAC两端压降越小， 电压-相位转换器输出相位脉宽越大；相反，直流电动机转速越慢，其两端压降 越小，双向可控硅TRIAC两端压降越小，电压-相位转换器输出相位脉宽越小。转速的相位反馈信号送往MCU进行处理，本发明提出两种相位闭环反馈算法固定时长延时(相对于下降沿)算法和可变时长延时(相对于过零点)算 法。(1) 固定时长延时(相对于下降沿)算法双向可控硅TRIAC两端压降经过电压-相位转换器后，输出相位脉冲，MCU 检测输出相位下降沿，MCU延时固定时长后，在相对于下降沿相位发出TRIAC触 发脉冲。现有VZC同步算法是和电压过零点同步，而CZC同步算法虽然和电流过零 点同步，但在时序上十分接近电压过零点，由于电压过零点并不随直流电动机 转速的变化而变化，所以采用相对于电压过零点的固定时长延时的算法只是开 环控制，双向可控硅TRIAC导通角固定，不随负载的变化而变化。由于电压-相位转换器的作用，电压-相位转换器输出相位下降沿随负载的 变化而变化，负载阻力矩越大，其相对于电压过零点距离越短，采用固定时长 延时的相对于下降沿相位的导通角越大，输出功率越大；反之，负载阻力矩越 小，其相对于电压过零点距离越长，采用固定时长延时的相对于下降沿相位的 导通角越小，输出功率越小。从而实现了相位闭环控制。(2) 可变时长延时(相对于过零点)算法双向可控硅TRIAC两端压降经过电压-相位转换器后，输出相位脉冲，MCU 对相位脉冲进行计时，并检测电压过零点，据此调节相对于过零点的延时时长。 负载阻力矩越大，脉宽越窄，需要增加输出功率，增加导通角；反之，负载阻 力矩越小，脉宽越宽，需要减少输出功率，减少导通角。将空载时测得的延时时长作为目标时长，可以通过各种负反馈算法，比如 PID算法等，实现动态调节相对于过零点的延时时长，从而控制相对于过零点相 位，最终MCU发出TRIAC触发脉冲。固定时长延时(相对于下降沿)算法，由于反馈深度有限，所以最终输出 力矩虽然有所增加，但机械特性偏软，适合人体按摩机等应用；而可变时长延 时(相对于过零点)算法，则反馈深度深，输出力矩随负载阻力矩变化而变化， 机械特性较硬，适合气血循环机等应用。
图1是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的电气原理图； 图2是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的直流电机等效电路图； 图3是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的电压-相位转换器之电压 转移特征函数图；图4是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的电压-相位转换器之电压-相位关系图；图5是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的电压-相位转换器实施例 的半周相位检测电路图；图6是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的两种相位闭环控制算法 原理图；图7是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的固定时长延时(相对于 下降沿)相位闭环控制算法流程图；图8是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的可变时长延时(相对于 过零点)相位闭环控制算法流程图；图9是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的负载测试原理图；图10是本发明相位闭环控制直流电动机调速方法的两种相位控制算法的负 载-转速关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明相位闭环控制直流电动机调速方法，其电气结构主要 包括交流市电(10)、双向可控硅TRIAC (20)、 MCU (30)、电压-相位转换器(40)、 直流电动机(50)、整流桥堆(60)。交流市电(10)提供230V/50Hz正弦波电源，也可采用其他参数的正弦波 电源，电路电气参数需据此调整；双向可控硅TRIAC (20)为开关元件，根据直 流电动机(50)的额定功率的不同，选择相应的双向可控硅TRIAC (20)开关元 件，如针对200V/100W的直流电动机(50)，优选BTA06-600C双向可控硅TRIAC 器件；整流桥堆(60)将正弦波电源整流成直流电源，用以驱动直流电动机(50); 电压-相位转换器(40)将双向可控硅TRIAC (20)两端电压转换为相位脉冲， 输出至MCU (30)，由其计算延时时长后，向双向可控硅TRIAC (20)的G极输 出触发脉冲，以控制双向可控硅TRIAC (20)的导通角。如图2所示，直流电动机(50)的等效电路为一个等效电感L (51)和一个 等效电阻R (52)串联而成。其中等效电感L (51)具有感抗W，而等效电阻R (52)具有阻抗i 。直流电动机(50)是将电能转化为动能做功的系统，而且由 电机原理可知，其转速和加在两端的电压成正比，也就是可以认为其转矩和电 压成正比。在直流电动机(50)受到负载阻力矩时，转速下降，两端电压下降， 等效电感L(51)两端压降下降，在电机停止转动的极端情况下，等效电感L(51) 两端压降为0，直流电动机(50)等效于纯阻抗。在直流电动机(50)和双向可控硅TRIAC (20)组成的串联电路中，在受到 负载阻力矩时，直流电动机(50)两端压降下降，则双向可控硅TRIAC (20)两端压降上升，本发明通过将双向可控硅TRIAC (20)两端压降转化为相位，以此 作为直流电动机(50)的速度闭环反馈信号。由此看出本发明的速度反馈信号 并不是现有方法之从直流电动机(50)两端压降采集、或者从流经直流电动机 (50)的电流采集，更不是通过光电式编码盘等直接物理测量得到。本发明中电压-相位转换器(40 ) —个采用如图3所示的电压转移特征函数， 其输入电压^为双向可控硅TRIAC (20)两端电压，r^为门限电压，如K》r^， 则输出电压饱和至^，如^.<^^，则输出电压饱和至^，而满足此种要求的低 成本元件很多。如图4所示，针对两个不同的双向可控硅TRIAC (20)两端电压^.:电压-相位转换器输入电压波形A (100)，和电压-相位转换器输入电压波形B (101)， 在两个半周上，选择土r^门限电压，分别得到电压-相位转换器输出相位A (102)，以及电压-相位转换器输出相位B (103)。双向可控硅TRIAC (20)两端压降R越大，输出相位越窄。至此，通过电压 -相位转换器(40)，本发明将直流电动机(50)的转速和相位联系起来，即直 流电动机(50)转速越快，其两端压降越大，双向可控硅TRIAC (20)两端压降 越小，电压-相位转换器(40)输出相位脉宽越大；相反，直流电动机(50)转 速越慢，其两端压降越小，双向可控硅TRIAC (20)两端压降越小，电压-相位 转换器(40)输出相位脉宽越小。图5显示本发明电压-相位转换器(40)的一种实施方式，该电路只实现了 正弦波半周的相位检测，由开关管T (41)、电阻R1 (42)，以及电阻R2 (43) 组成，对于230V/50Hz的交流市电(10)，以及220V/100W的直流电动机(50)， 开关管T (41)优选8050,电阻R1 (42)优选3. 3mq/1W，电阻R2 (43)优选 10KQ;双向可控硅TRIAC (20)的两端压降^输入后，经电阻R1 (42)的限流 分压后，由开关管T (41)的b-e极的PN结转换，其电压转移特征类似图3所 示要求，输出相位电压经过上拉电阻Rl (42)在开关管T (41)的c极输出， 开关管T (41)既实现了电压-相位转换，同时也实现了电气隔离。转速的相位反馈信号送往MCU (30)进行处理，图7为本发明提出的固定时 长延时(相对于下降沿)算法的实施方式的流程图，图8为本发明提出的可变 时长延时(相对于过零点)算法的实施方式的流程图。如图6所示，电压-相位转换器输入电压波形(110)经过电压-相位转换器 (40)后，输出相位脉冲，MCU (30)不难实现检测电压-相位转换器输出相位 下降沿(111)， MCU (30)延时固定时长后，在相对于下降沿相位(113)发出 TRIAC触发脉冲(115)。所以如图7所示，首先检测过零相位下降沿(200)，然 后延时固定时长(201)，最后触发TRIAC (202)，延时的时长是固定的，其值根据空载时动力矩要求确定，然后固化在MCU (30)中，针对50Hz的正弦波电源， 完成一次流程应为10ms，和半周周期正好吻合。该实施例可以用于人体按摩机 应用，因其反馈深度不深，机械特性较软，较安全，在加上人体负载后，不会 始终保持一定动力矩输出，从而在某些特殊场合下，给使用者带来伤害。如图6所示，MCU (30)不难实现检测电压过零点(112)，并且不难实现对 相位脉冲进行计时，据此调节相对于过零点的延时时长。将空载时测得的延时 时长作为目标时长，可以通过各种负反馈算法，比如PID算法等，实现动态调 节相对于过零点的延时时长，从而控制相对于过零点相位(114)，最终MCU(30) 发出TRIAC触发脉冲(115)。图7给出了该算法的一个负反馈算法的实施方式，该实施方式首先检测过 零相位上升沿(210)，然后开始计数(211)，然后一直等待，检测过零相位下 降沿(212)后，停止计数(213)，然后判断计数〉设定值？ (214)条件，如果 满足则计算新时长=原时长-计数差值(216)，否则计算新时长=原时长+计数差 值(215)， MCU (30)延时新时长(217)，最终触发TRIAC (218)。该实施例实际上是采用了一阶微分负反馈，MCU (30)中只存储空载时的延 时时长，具体每个半周的延时时长都是根据当前转速动态计算得到，针对50Hz 的正弦波电源，完成一次流程应为10ms，和半周周期正好吻合。反馈深度较深， 动力矩输出较稳定，可以用于气血循环机应用。上述实施例的机械特性可以用图9所示的装置测试，直流电动机(50)通 过偏心轴(300)和定滑轮(301)相连，定滑轮(301)上悬挂负载(302)，直 流电动机(50)旋转后，带动偏心轴(300)上的定滑轮(301)作振动，而悬 挂负载(302)产生一个阻力矩，在人体按摩机应用中相当于人体负载。如图10所示，对于额定功率100W，额定电压220V，额定转速3000转/分 的直流电动机(50)，设定目标转速600转/分，分别改变悬挂负载(302)的质 量，现有的VZC同步方法或CZC同步方法，其机械特性为固定时长延时(相对 于过零点)负载-转速关系曲线(312)，可以看到机械特性最软，转速随着悬挂 负载(302)的增加迅速下降，并最终在停止转动；而固定时长延时(相对于下 降沿)算法的实施方式，其机械特性为固定时长延时(相对于下降沿)负载-转 速关系曲线(311)，可以看到机械特性较上一种方式更硬一点，虽然最终还是 停止转动，但是负载能力较强一些，可应用于人体按摩机，较安全；而可变时 长延时(相对于过零点)算法的实施方式，其机械特性为可变时长延时(相对 于过零点)负载-转速关系曲线(310)，可以看到转速不随悬挂负载(302)的 增加而减小，机械特性最硬，可应用于气血循环机。
权利要求
1、一种相位闭环控制直流电动机调速方法，其电气结构主要包括交流市电、双向可控硅TRIAC、MCU、电压-相位转换器、直流电动机、整流桥堆，其特征在于采用电压-相位转换器将直流电动机的转速转化为相位信号，使得可以采用闭环负反馈控制方法实现在负载变化状态下直流电动机的调速。
2、 如权利要求1所述的相位闭环控制直流电动机调速方法，其特征在于输入 电压-相位转换器的电压取自双向可控硅TRIAC两端压降。
3、 如权利要求l所述的相位闭环控制直流电动机调速方法，其特征在于交流 市电、双向可控硅TRIAC，以及直流电动机串联，在负载阻力矩增大时，直流电 动机转速降低，直流电动机两端压降下降，而双向可控硅TRIAC两端压降上升， 经电压-相位转换器转换后，相位脉宽增加；反之，在负载阻力矩减小时，直流 电动机转速上升，直流电动机两端压降上升，而双向可控硅TRIAC两端压降下 降，经电压-相位转换器转换后，相位脉宽减小。
4、 如权利要求1所述的相位闭环控制直流电动机调速方法，其特征在于采用 的电压-相位转换器的电压转移特征函数为输入电压大于门限电压则输出电压 饱和至高电平；反之，输入电压小于门限电压则输出电压饱和至低电平。
5、 如权利要求1所述的相位闭环控制直流电动机调速方法，其特征在于采用 固定时长延时(相对于下降沿)负反馈闭环控制算法，负载阻力矩越大，相位 下降沿相对于电压过零点距离越短，固定时长延时的导通角越大，输出功率越 大；反之，负载阻力矩越小，其相对于电压过零点距离越长，固定时长延时的 导通角越小，输出功率越小。
6、 如权利要求1所述的相位闭环控制直流电动机调速方法，其特征在于采用 可变时长延时(相对于过零点)负反馈闭环控制算法，对相位脉冲计时，并检 测电压过零点，负载阻力矩越大，脉宽越窄，则增加导通角，增加输出功率； 反之，负载阻力矩越小，脉宽越宽，则减少导通角，减少输出功率。
全文摘要
本发明涉及一种相位闭环控制直流电动机调速方法，采用电压-相位转换器将和直流电动机串联的双向可控硅TRIAC两端压降转换为相位脉冲，通过测量相位脉宽，获得直流电动机转速信号，并通过同步于相位下降沿的固定时长延时控制算法，或者同步于过零点的可变时长延时控制算法，实现负反馈闭环控制。本发明提供的调速方法，适用于负载变化状态下，中小功率直流电动机的调速，如人体按摩机、气血循环机等，具有成本低，控制灵活，转速控制稳定可靠的优点。
文档编号H02P7/28GK101599733SQ20091010051
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者厉小军, 朱安定, 邢建国 申请人:浙江工商大学