一种直流电机的速度控制方法与流程

本发明涉及直流电机技术领域，尤其涉及一种直流电机的速度控制方法。

背景技术：

焊接设备中，送丝系统的稳定性直接影响焊接电流的稳定和熔滴过渡过程,从而影响焊缝成形和焊接质量，因此,实际使用过程中会对送丝系统的直流电机进行调速，保证焊接过程的稳定。

送丝系统的直流电机工作时，在供电电源切断期间，直流电机会产生感应电动势，且该感应电动势与直流电机的转速成线性关系，因此，准确地采样直流电机的感应电动势，作为直流电机旋转速度的反馈量，依据此反馈量即可对直流电机的旋转速度进行调整。

在傅强等人的“基于感应电压负反馈的数字化送丝系统”(焊接学报，2010年8月，第31卷第8期)中提到，如图1所示，在t_d～T时间段内(取T时刻超前5s时进行采样,精度较高),完成感应电压的采样。该系统通过采样电流为零期间的电枢感应电压并控制感应电压恒定，由于感应电压与旋转频率成正比,从而保证旋转频率恒定不变，从而实现送丝速度的稳定。

在中国发明专利“送丝调速方法和送丝调速系统”(200610073317.3)中提到，如图2所示，t_d为送丝电机电枢绕组储存能量释放时间，在此时间段，送丝电机两端的电压接近于零，理论上，在采样时，应避免采样值包括此时间段的电压。t_e时间段为送丝电机的感应电动势段，理论上，反馈采样在此时间段内进行。

由于电机本身和线路中存在电感，关闭PWM后电流有续流的过程，一般续流的时间大约在50us-150us左右的时间，所以上述两类传统的PWM控制方式的PWM频率最大限制在3K左右。而人的听觉对1K-3K左右的频率产生的高频噪音非常敏感，所以传统控制方法通常采用控制频率在100HZ左右，而在此频率下，电机产生的噪音虽然没有高频尖锐的声音，但其非常沉闷，另外频率过低也降低了控制精度。因此，需要对现有的控制方法进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种直流电机的速度控制方法，能够精确地控制直流电机的转速，还能有效降低电机的噪音，使电机在工作时保持在较好的状态。

本发明采用的技术方案是：一种直流电机的转速控制方法，其特征在于，该转速控制方法包括以下步骤：

1)主控制器根据直流电机的预设转速，计算出驱动电压的脉宽值并输出指令到脉冲发生器；

2)脉冲发生器根据指令输出高频脉冲的驱动电压，经功率电路放大后驱动直流电机转动；

3)高频脉冲保持一段时间后停止，直流电机进入续流状态，此时电枢两端的电压为驱动电压，电压值为零；当电枢电流降低到零时续流结束，此时电枢两端的电压为电枢的感应电压，该感应电压的电压值与转速成正比；

4)电枢电流为零期间，采样电路采集感应电压的电压值至少一次，采样结果与预设转速对应的电压值相比较，比较结果输出到主控制器；

5)主控制器根据比较结果，计算出高频脉冲的脉宽值，输出指令到脉冲发生器；

6)重复步骤2)～5)，直到直流电机工作完成。

作为优选，所述步骤4)中，采样电路与直流电机之间设有低通滤波器，电枢两端的电压经低通滤波后输送到采样电路。

作为优选，所述步骤2)中，高频脉冲的驱动电压频率为10k～50k Hz。

作为优选，所述主控制器为PID控制器。

作为优选，所述步骤4)中，采样结果与预设转速对应的电压值在比较器内完成比较。

作为优选，所述步骤3)中，感应电压为低频脉冲，低频脉冲频率为50～2000Hz。

本发明的有益效果是：本发明采用低频脉冲的感应电压叠加高频脉冲的驱动电压的控制方法，高频脉冲的频率高达10k～50k Hz，根据实验，正常情况一般人无法感知这一频率，可以有效降低噪音。本发明采用的高频脉冲提高了控制精度，而且有效降低电枢峰值电流，如图1所示，传统的控制方法，由于脉冲宽度较大，在PWM开通条件下，电枢电流一直会往上增加，而本发明由于采用高频脉冲控制，如图4所示，当电流上升一小段后，关闭PWM，其电流会下降一小段，在增加与下降间循环，从而降低峰值电流。

附图说明

图1是现有控制方法之一的电压及电流波形图。

图2是现有控制方法之二的电压波形图。

图3是本发明的控制流程图。

图4是本发明的电压及电流波形图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图3、图4所示，本发明提供的直流电机的转速控制方法，包括以下步骤：

1)主控制器3(采用PID控制器)根据直流电机的预设转速1，计算出驱动电压的脉宽值并输出指令到脉冲发生器4；

2)脉冲发生器根据指令输出高频脉冲的驱动电压(频率为10k～50k Hz，推荐20K Hz)，经功率电路5放大后驱动直流电机6转动；

3)高频脉冲保持一段时间后停止，直流电机进入续流状态，此时电枢两端的电压为驱动电压，电压值为零；当电枢电流降低到零时续流结束，此时电枢两端的电压为电枢的感应电压，该感应电压的电压值与转速成正比，感应电压为低频脉冲，低频脉冲频率为50～2000Hz；

4)电枢电流为零期间，采样电路8采集感应电压的电压值至少一次，采样结果与预设转速对应的电压值在比较器2内进行比较，比较结果输出到主控制器，采样电路与直流电机之间设有低通滤波器7，电枢两端的电压经低通滤波后输送到采样电路；

5)主控制器根据比较结果，计算出高频脉冲的脉宽值，输出指令到脉冲发生器；

6)重复步骤2)～5)，直到直流电机工作完成。

本发明的工作原理是：

本发明采用直流电机电枢反电动势感应电压反馈，低频感应电压叠加高频PWM脉宽调制(驱动电压)的方式控制电机的速度。其控制流程如图3，直流电机的电枢电压通过低通滤波器后形成如图4的曲线，采样电路在T1时刻采集其感应电压值(T1时刻位于电枢电流为零期间，推荐采集感应电压稳定状态下的电压值)，与预设转速在比较器内相比较，比较结果进入PID控制器计算出高频脉冲(驱动电压)的脉宽值，然后PID控制器发出指令，在T1-T2时刻脉冲发生器输出其高频脉冲，在T2时刻停止脉冲输出(T1-T2时间段之间的时长由PID控制器根据比较结果确定)，直流电机进入续流状态，此时电枢电压为0，T3时刻当电流降低到0时，续流结束，此时电枢电压为与速度成正比，在T4时刻，采样电路继续采集感应电压的电压值，然后重复上述过程。T1-T4时间段为感应电压的低频脉冲周期，低频脉冲的频率为50Hz到2000Hz，其脉冲频率和脉冲宽度是固定的。T1-T2时间段为高频脉冲阶段，高频脉冲的频率为10K-50K Hz(推荐采用20K Hz的频率)，其脉冲频率是固定的，但其脉冲宽度是根据反电动势电压进行调整的。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。