2024年5月1日发(作者：小米平板官网商城)

第

54

卷第

4

期

2021

年

4

月

微电机

MICROMOTORS

Vol.

54.

No.4

Apo.2021

一种抑制永磁直流无刷电机泵类负载停机反转的方法

唐煌

生

，

张

朝晖

，

祝恒洋

(西安微电机研究所

，

西安

710077

)

摘

要

：

介

绍

一种抑制永磁直流无刷电机泵类负载停机反转的方法

。

永磁直流无刷电机泵类负载在停机后发生反转

会产生高电压

，

该电

对控

供电电

$

本文通过

对

流无刷电机泵类负载反转进行抑

的方案进行了

关键词

：

析

。

文献标志码

：

A

流无刷电机

；

抑制

；

泵类负载停机反转

中图分类号

：

TM36

+

1

；

TP273

文章编号

：

1001-6848

(

2021

)

04-0099-04

Method

of

Restraining

Geverse

Rotation

of

Permanent

Magnet

Brushless

Dc

Motor

After

Pump

Load

Shutdown

TANG

Huangsheng

,

ZHANG

Zhaohui

,

ZHU

Hengyang

(

XV

-

an

Micromo0s

Researct

Instit*t0

,

XV

-

an

710077

,

China

)

Abstract

:

This

paper

introduced

the

method

of

suppossing

the

load

oversat

of

pump

type

by

peoianent

magnetboushee

s

thepump

typeeoad

oPpeomanentmagnetboushee

s

DCmotoooeeeoses

ateopoweoaoeuoe

,

otwo

e

pooducehogh

eoetage

,

whoch

wo

e

damagethecontoo

e

oand

thos

papeo

,

theschemeosanaeyeed

on

h

the

case

oPpe

omanen

tmagne

tb

oush

ee

s

DC

mo

to

opump

typeeoad

oneeosoon

suppoe

s

oon

theschemewasanaeyeed

on

detaoe.

Key

wordt

:

PM

Boushees

DCmoteo

；

Suppee

s

oen

；

Pump

typeeoad

oneeosoon

0

引

O

近年来

，

随着电力电子器件及控制理论的迅速

展

，

流无刷电机及控制系统以其高效性

，

良好的调速性⑴

，

性而得到

的使用

，

且在航天

、

航空

、

武器装备

、

军

事

等领域得到了

从转子施加驱动力矩

，

使泵

完成吸气

、

压缩

、

排气

,

实

从进口向

空的功能

。

在随着

泵

的

运转

，

进

的压力

，

泵

，

在出

用下

，

此时若电

通过转子侧面

、

顶面及转子间隙与进

口压力大于进口压力的

机

(

工作

(

即未施加驱动力矩

)

，

)

在气

.差

用

$

的力矩大于主从动轴系摩擦力矩

，

流无刷电机及控制系统对

泵

类负载进行

进而使轴系

转的可能性

，

也就

力而作用在转子上的气动力足以克

控制时

，

系统停机后

进

残存的气压使

使负载

转

高

压力大于进

增大

，

本文通过实际

服轴系摩擦力时

，

泵

就

转现象

。

电压导致供电电

的

$

对

流无刷电机

泵

类负

析

。

例为

1.

1

工作原理

大功率泵用无刷电机控制系统的供电电压为

100

Vdc

,

主

载反转进行

目

系统

$

的方案进行了

的一款大

泵

用无刷电机控制

控制模块

、

转速

1

所示

$

模块

、

逆变

电路

、

DC/DC

模块

、

及

EMC

滤波模

[

1

反转的产生机理

大

成

[

2

]

$

控

件

控

工作原理如下

，

控制模块中的逻辑分配

泵

用无

电机控

系统控

的

一

气

电路根

的转子位置

，

根

电

的信号

，

解析出电机

流无刷电机的工作原理

,

泵

，

泵

的工质为空气

。

泵

在工作过程中

，

电机向主

收稿日期

：

2021

03

—

01

作者简介

：

唐煌生(

1973

)

，

女

，

工程师

，研究方向为

无刷

电机驱动器

。

-

100

-

微电机

54

卷

输出控制信号

，

通过前级驱动电路推动三相逆变桥

,

从而使电机三相

按工

序

通电

，

电机运转

，

过

电

有限

，

时

下$

，

电机转速

下

，

电动 下

，

相

的控

母线电

了电机的工作电流

，

经过限流电

对该电流信号的处理来实现对母线电流的限流

，

(

5

)

转

：

当

泵

负载为

零

时

，

电机停转,

进而达到控

的目的

；

电同

时

电机转速信号

，

通过速度合成电

速度信

给调速电

控制电机的转速

，

实电机负载

在空载和额定负载变化时电机的

转速基本不变;

DC/DC

模块提供了这些控制电路所

的工作电

源

；

EMI

滤波电路是为了提高

的电磁兼容性而

设计的叫

图

1

控制器原理框图

1.2

机理分析

本款大

泵

用无刷电机控

在进行系统联

调时

，

停机后

泵叶轮反转导致直流

电源过

的

，

根

情

析电机断电后存在

以下

5

种

：

正转减速一正转停转一反转加速一

反转减速一反转

。

(

1

)

正转减速

：

控

机

，

由于控

的

电容有一定的储能

，

电压

U

下降

，

由转速公式

n

=

(

U-R

*T/

<

,

)/<

可知其转速也逐

下降

。

式中

，

U

为电机

电压；

E

为电机绕

组的反电势

；

I

为绕组电流；

R

为绕组电阻

；

<

为

反电势常数

；

<

为转矩常数

；

T

为负载转矩

；

n

为

电机转速

。

电容的电

电机的

电

电

相同时

，

控

制器的母线电压为电机旋转

的反电

三相逆

变桥整流后的电压

。

该电

转速下降为

下降

$

(

2

)

正转停转

：

负载反向转矩的作用

，

电

机

有正向转矩输出

，

电机停转

。

(

3

)

转加速

：

电机在

向转矩的

用下

，

电机 向加速运行

，

进

电

$

(

4

)

转

速

：

泵

负载的工

性

，

能

转速为

零

，

电动势为

零

，

控制器的直流母线电

下

零

$

过以上分析

，

故障的

原因为电机反转发

电产生的感应电动

过了供电电源的过压保

而导致供电电

过

$

2

反转抑制方案

根据对反转

的机理进行分析后

，

为了解决

泵

由于进

力差而导致的反转

，

考虑在控

■

中采用预停机减速的技术

。

在

泵

工作末端

，

进

力较低

，

力较高

，

存在气动力矩大于轴

系摩擦力矩的情况

，

加预停机减速

后的目的

就是使该气动力矩

电机施加的驱动力矩

，

从而

泵

转$

2.1

预停机减速电路工作原理

在未加入预停机减速功能前大功率泵用控制器

的工作过程为

：

控

机一电机运行一控

；

停

机一电机

$

泵

的用

为

容

的气

空

，

故根

，

电机

能以最

高转速运行

，

缩

气时间

，

电机的控制方

式设计为

速度运行

，

电机的

机械特性为自

然特性

，

其转速大

负载大

比

。

预停机减速功能的控

在泵抽气时与原

工作方式相同

，

不同之

在停机前将电机转速降

一转速运行一段时间

，

然后再停机

。

工过

程如下

：

控

机一电机运行一

预停机信号

后电机以恒

转速运行一控

机一电机停转

。

此功能比之前前的工作过程

了一个减速稳速运

行的工况

，

电机

工作于转速

和转速闭

种方式$

2.

2

电路设计

预停机功能需要增加包括接口电路以及转速切

换电路

，

转速闭环控制电路

$

2-

2.1

电

电路的功能为接收预停机信号

，

信

号转换成转速切换信号

$

电

完成电平

：

匹

隔离

，

并对脉冲信号锁存

，

转速切换信号

$

电

2

所，

光

耦

完成信号隔离

，

4013

锁

完成对脉冲信号的锁存

，

三极管完成转速切换

信$

4

期

唐

煌生等

：

一种抑制永磁直流无刷电机

泵

类负载停

机反转的方

法

--

10°

Vdc

，

电机转速为

4900

r/min

，

母线电流为

0-36

A

，

静态测量电路无异常后即进行空载通电测

试

，

模拟

100°

r/min

，

机预停机减速指令

，

使控

切

换为闭环调速模式

，

电机转速由

4900

r/min

降至

在进行模拟实际工况试验时转速会

对电机转速进行调整

，

有一定的变化

，

使用电

分别降至

900

r/min

和

85°

r/min

，

此时预停机减速

能已基本实现

$

为了验证该方案的负载特性和对

图

2

接口电路原理图

系统效率有无影响

，

系统效率不能

85%

，使

2.2.1

速度切换电路

用

机进行了负载

，

转矩根

2

,

为额定转

转速给定电路为电阻串联分压电路

，

当泵正常工作时其工

矩

3.5

Nm

，

测试数据如表

2

所示

$

表

1

预停机减速功能负载测试数据

供电

电

/V

母

线

为

R9

、

R10

的

；

当

变为

预停机信号后通过

电路使其工

转速切换功能

。

2.2.3

速度控制电

R1

与

R10

后再与

R9

进行

，

这

就实现了

额定

预

机

前转速/

(

W

min

)

系统

效率

/

%

预

机

后转速

(

a/

min

)

电流

/A

转矩

/Nm

100

100

95

0.36

15.181

0

3.5

3.5

3.5

4900

/

900

900

900

900

速度控

行比较

，

逼近转速给

过将速

信

调速电路

的

进行

PI

调节

，

使

信号不

3613

3440

87.2

中

SG1525A

的转速闭环控

，

与速

给定信号进

，

从而实现转速闭环控制

，达到

在两种工况

，

一种

15.364

14.737

86.3

87.3

110

3864

根据表

1

可以看出增加预停机减速功能后对电

速的目的

。

在本系统

在正

机与控

3.2

的正常工

验证

验

系统效

有影响

。

气时

气工作时转速

高

，

即负载较小时电机的转速高

，

控制

；

另外一种工

电机工

转速

在对预停机减速电路进行了功能验证后

，

针对

实际工况进行了试验验证

。

电机

控

预停机时

，

期

望

电机以

转矩不能

恒定转速运行

，

但

速闭环控制

。

，

为转

，

过调

泵

机

时的工作转速

，

对泵关机时进行预停机动作

，

以减

用转速闭环电路,

弱

泵

进气

的

，

削弱

为了简化设计

，

设计

通过调整转速给定信号的大

闭环工作模式

。

使电机工

转速

机时产生的反转高电压损伤上游电源

。

试验系统包

数

验

系统

、

供电电源

、控

、

泵

本体

、

t

下

：

当泵正

气

时

转速给

信

的电

时

，

转速

运行

，

及截

$

预

机

时

工

转

速

为

全

幅值调整到电机最高转速对应的电压幅值之上

，

在本

验

工

600

r/min

$

即转速

工

转速

终比转速给

，

这电机始终

控

方式

，

不能进

闭

速

，

验过程中

，

截

，首

先起动

泵

，

动电机转速

后

，

迅速闭截止

转速

负载变化而变化

；

进

预

机

转速运

行

，

为

能

验

，

待进气

力降到极

时

，

转速闭

运行

，

时

转速给

信

到所需转速对应的电

闭

种

的切换

。

限压力稳定后进行预停机动作

，

工况试验中

，

获得的

进气

力回

的电

，

转速闭

升

后

，

泵

机

，

试验结束

$

600

r/min

预

机

数变化曲线如图

3

所示

$

电路起作用

，

使电机工

闭

速

$

这

就完成了转速

3

试验验证

在

泵

控

增加了预停机功能后

，

我们对其

进行了功能验证与实际工

验验证

。

3.1

功能试验验证

首先将预停机减速后的转速

确定为

100°

r/min

,

根

转速确定电

数

，

供电电压

-

102

-

微电机

ioo-

|宁

管路压两

|

出口压力

p

2I

54

卷

60-

40-

20-

°0

(b)

压力与转速变化

lek

JL

ffl

5

10

t/s

15

20

I

——

i

25

(a)

压力变化

100

M

Pg

0.000$

___

_

_

管路压力瓦

1

匚二

焉陽

I

80

&

60

£

40

20-

(C)

电压与电流变化

M

Pot

：

0.000*

3

6 9

12

15

t/s

18

21

24

(b)

压力与转速变化

带宽限住

El

juOMHz

M

Pos:

680.0ms

伏

/

恪

探头

-

反相

CHI

5WN

CH2

104A

M54M*

CH<

1.00V

2275-1718:19

CH1

Z

<10Hz

(d)

电压与转速变化

图

3

预停机试验参数变化曲线

10,0

A

M

250ms

BOOmVUrf

22-Jun-17

1659

图

3

中的测试曲线中

，

测试波形中

CH1

为供电电

(c)

电压与转速变化

源至输入电压波形

，

CH2

为主电源电流波形

,

CH4

为

控制器转速输出信

$

从图

3

中

(

a

)

力不

3

(

b

)

中

图

4

故障复现试验参数变化曲线

在实际工况下进行预停机减速方

电电源电压设为

100

Vdc

,

电

过流

A

,

电源过

时

，

供

,

泵

工作后

，

气

气

大气

，

静

验工况

为

20

，

变化

，

维持为恒

94.

5

kPa

不变

，

抽气泵开始

为

120

Vdc

$

600

Omin

预

机

85

kPa

,

关闭截

后进

过程

将预停机减速后的

供电电

过

过流

极限压力降到

11

kPa

后进行预停机动作

,

进

进行预停机减速的

•

力

升并稳定至

61.

5

kPa

,

尸

进行对比可以看出

，

泵

解决了

泵

工作过程

预停机减速措施有效的

的停机反转

$

机

。从

3

(

c)

及

3

(

d

)

过程中

，

电压及电流变化平稳

，

工作过程

,

在产品整个预停机

转速变化情况同

3

(

b

)

中采集的转速参数变化一致

，

了前期产

4

结语

为了解决永磁直流无刷电机

泵

类负载停机后存

在的反转

过各

的停机反转

$

为了进一步验证预停机减速功能是否能抑制泵停

，

在控

增加预停机减速功能

。

机反转现象

，

在预停机减速功能试验后对停机反转的

现象进行了复现试验

。

本试验工

，

验验证后

，

该解决方

以有效

气

工作模

拟

泵

类负载

机

转的

$

前期试验

时序

，

试

验程序与

600

Omin

预停机相似

,

参考文献

[

1

]

谭建成.永磁无刷直流电机技术

(

M

],

北京

：

机械工业出版

，

2010.

[

2

]

吴#,祝恒洋

，

唐煌生，

等

.

基于功率驱动模块

LHKF10003T01

的无刷直流电机控制系统设计

[

J

]

.

微电机

，

2017

(

3

)

：

69-72.

仅仅不进行预停机操作

,

从图

4

数变化

4

所示

$

的压力抽吸

机

，

从

4

(

c)

以看

,

在

泵

将进气

到

11

kPa

后

，

到

，

电动势及电流脉冲

；

供电电源过电

置为

120

Vdc

,

电

过

，

对前期

复

$

[

2

]

祝恒洋

，

吴#

，袁倩倩，

等

.

一种基于

MSK4310

的无刷直流

电机控制系统设计

[

J

]

.微电机,

2016

(

5

)：

81-84.

验过程进行了