[发明专利]一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及有刷直流电机调速控制领域，具体涉及一种有刷直流电机的补偿反馈调速控制装置及其方法，特别适用于汽车空调鼓风机与汽车发动机冷却风扇的PWM调速控制。

背景技术

为提高驾乘的舒适性与安全性，汽车电子化控制成为发展的趋势，而控制的很多目标场合都以驱动直流电机作为执行元件。有刷直流电机的调速本质是通过改变电机的端电压，目前非常流行的控制方式是PWM开关控制。考虑到成本因素，汽车电子系统(如空调系统的鼓风机、发动机冷却风扇)中的有刷直流电机PWM调速一般采用开环控制，直接通过ECU输入的占空比信号，控制电机驱动的占空比来控制电机转速，这种开环控制只是对电机调速的一种近似控制，不能达到稳定的闭环控制效果；国外有些厂家，如西门子、VALEO等厂家的产品方案中也加入了某种形式的电压反馈，保证控制的期望电压恒定，从而保证电机的调速性能，但这只是理想状态，实际的电机是有内阻的，该部分也产生一定的电压分量，并以热的形式损耗掉，该损耗与通过电机的电流平方成正比，其中电流正比于电机转轴上的负载，当电机的负载变化时，损耗也会变化，进而导致转速的变化。

为了克服这种由电机电枢内阻引起的转速变化，可以增加相应的速度传感器，在电压环外面再增加一个速度控制闭环，这种方法固然可以达到预期的控制效果，但需要增加额外的速度传感器，利用转速表来进行闭环控制，这样不但增加了成本，提高了控制的复杂性，在有些应用场合可能没有相应的安装条件，所以在汽车空调鼓风机及发动机冷却风扇的电机控制中很少采用这种控制策略。本发明在不增加任何速度、电流传感器的基础上，提出一种简单、可靠、成本低廉的带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法，可用于汽车电子中相关有刷直流电机控制系统中，尤其适合于汽车空调鼓风机与汽车发动机冷却风扇等速度控制要求不是特别精确的PWM调速控制应用场合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种采用闭环PWM调速、通过电机的电压反馈和电流反馈环节保证电机端电压和转速恒定的带补偿反馈的有刷直流电机调速装置及其方法。

本发明的方法中对有刷直流电机的调速控制是通过采集并分析电机端电压信号的速度增益环节和采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节实现的，其中速度增益环节提供电压反馈，电流补偿控制环节则提供用于补偿电机电枢内阻引起损耗的电流反馈；本发明的装置中的反馈控制器包含上述两个环节，且本发明的装置能够用于实现本发明的方法，因此本发明的装置及其方法属于一个总的发明构思。

为实现上述目的，本发明的调速装置所采用的技术方案为：一种带补偿反馈的有刷直流电机调速装置，其特征是：包括与电机连接的反馈控制器，电机端电压信号和电机电流信号分别接入反馈控制器的输入端，反馈控制器的输出端通过PI控制器连至电机。

作为对上述调速装置采用的技术方案的进一步改进，PI控制器输出PWM信号。

又进一步地，PI控制器通过开关功率器件MOSFET连接至电机，开关功率器件MOSFET和PI控制器之间还设有预驱动单元。

更进一步地，开关功率器件MOSFET的漏极与供电电源连接，其源极连接电机正端，其栅极连接预驱动单元；电机与采样电阻串联，采样电阻连接于电机负端。

作为对上述调速装置采用的技术方案的进一步改进，电机两端并联一蓄流二极管。

本装置的工作原理如下：由反馈控制器采集电机正端电压和电机工作电流，电机正端电压(电机输出实际转速)直接通过反馈控制器的速度增益环以负反馈的形式反馈至电机输出端(指电机和负载构成的回路)，电机工作电流通过采样电阻的形式采集，通过电流补偿控制环节同样以负反馈的形式反馈至电机输出端；反馈控制器预设的期望电机转速给定信号与速度增益环节、电流补偿控制环节两个负反馈组成闭环输出，其输出的误差信号通过一个PI控制器，输出不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET来调节电机的正端电压，从而保证电机的输出转速恒定。

为了实现上述目的，本发明的调速方法所采用的技术方案为：一种带补偿反馈的有刷直流电机调速方法，其特征是：在反馈控制器内设置用于采集并分析电机端电压信号的速度增益环节、用于采集并分析电机工作电流信号的电流补偿控制环节；反馈控制器分析电机端电压信号、电机工作电流信号和预设的期望电机转速给定信号，得出误差信号，上述的误差信号经过PI控制器的调节，生成所需的不断改变占空比的PWM信号，PWM信号通过预驱动单元驱动开关功率器件MOSFET，调节与MOSFET相连的电机的正端电压，从而保证电机的输出转速恒定。