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摘 要：直流电机因其无级变速和良好的硬启动特性广泛运用与工程实践中，但是直流电机启动和停止时带来的冲击电压和电流波动会带来大量的电气与机械问题。本文分析了尖峰电压产生的原因，提出利用电感的物理特性提高直流电机启动阻尼以减低电流波动以及利用软件编程的方法阻断尖峰电压.通过实验证明，此方法能够有效的降低此种问题所带来的故障。
关键词：直流电机 阻尼启动 PWM 电流周期调整
基金项目：河南省科技攻关计划项目 项目编号：112102110113
Study of the start mode by combination of hardware and software of DC motor
Abstract： DC motor is extensively used in engineering experience because of its stepless speed regulation and advantage of hardware start mode， but a large amount of electric and mechanical problem will be caused by the dash current and fluctuation voltage because of its abruption start and stop. This paper analyzes the causes of the peak voltage， and puts forward the application of the physical properties of the inductance to improve the starting damping of the DC motor and use the method of software programming to blocking peak voltage. The experimental results show that this method can effectively reduce the problems brought about by the fault.
Keywords： DC motor start mode by increasing damp PWM periodic current adjustment
1、引言
由于直流电机具有无级调速和启动硬特性好等特点在各种工程机械中使用较多，但是直流电机启动时所产生的较高峰值电压以及十数倍于正常电流的启动大电流对电网的影响一直也没有得到有效地解决。对于这个问题，工程中一般使用的是三段式电阻阶段是启动或者有软件编程限制器峰值电流。阶段启动器结构复杂故障率高，而限制峰值电流由于其控制周期相应的时间长易造成电机启动时的震动。本文提出的利用电机的阻尼启动的硬件启动方式与PWM周期电流控制的软件控制方式相结合的方法能够较合理的解决以上问题，实验的结构也表明了此方法的有效性。
2、直流电动机阻尼启动原理
如下图1所示直流电机的传递函数框图：
图1直流电机的传递函数框图
其中，输入U为电源电动势，输出Ωm为电机角速度，Um为电枢电压，Rm为电枢电阻，Lm为电枢电感，km为电流-力矩系数，J为总转动惯量，F为总粘滞摩擦系数，ke为反电动系数（反电动势比上转速）U2/Ωm，Im为电枢电流，Tm为电机力矩，kI为自定义电压影响系数，该系数与电源内阻成正比。由图1可以得到以电源电动势为输入的直流电动机的传递函数：
（1）
在式1中，F一般很小可以省略，本文主要探讨电动机启动状态下的各种情况，可以对式（1）做如下改写：
（2）
式中，
为机电时间常数；
为电磁时间常数；
而由传递函数框图可知 ：
Um=U-U1（3）
Um为电枢电压，可以理解为电源对外部供电电压。由传递函数可得，直流电动机转子在磁场中旋转所获得的感应电动势为主要阻抗，而转子电阻及电感所产生的阻抗很小，造成启动电流超大。由于kI的存在，Um会被拉至很低的位置。虽然电机的启动时间很短，但是还是会对整个供电系统造成重大影响。传统方法一般使用限流电阻来降低直流电动机的启动电流，其弊端是在电动机启动后限流电阻会分压起热且会降低电机功率因数，必须再加一套限流电阻切断开关。在电机启动初期转子感应电动势较小，本文提出使用启动电感串联在电机上，如此 就被人为地增大了，使得整个系统的阻尼增加并在响应速度上稍慢，经试验验证其启动硬特性没有大的变化。在各个性能没有过多失去的情况下，启动时电枢电流Im得到了有效的降低。这种电动机的阻尼启动方式，保证电动机的启动硬特性，而启动电流却有效下降，这就是直流电动机的硬启动方法。
3、PWM周期电流控制原理
作为一种电流控制方式，PWM周期电流控制是将直流电动机调速PWM周期复用为电流控制周期，在整个PWM周期内实时监测电流变化，如若电流变化超出设定值，则使电机驱动H桥关断，下个周期重复此过程，直至电机完全启动，这就是直流电动机的软启动方法。过程如下图2所示：
图2 PWM周期电流控制原理
图2所示为周期电流控制的时序图，图中共显示四个周期。正常启动时，电机控制PWM信号如图中第一行所示。当加入电流周期控制时，在每个PWM信号周期内出现的尖峰电流都会被作为过流信号捕捉到，从而通过程序控制将PWM信号强行关断。在此周期内，电流不会继续增大，在楞次定律的作用下会平滑减小.逐周期电流控制将整个电机的电流控制限制在单个的PWM周期内，使控制的精度和速度得到较大的改善。启动时的各个周期内的电流所得的平均电流可认为是启动时实际电流，实际电流的减小能够有效减小τm，结合式（2），τm的减小能够有效降低启动电流对于电枢电压的影响。 4、实验结果分析
本文采用日立H8-3048MCU为控制单元，FK-180SH-17140直流电机，100μH功率型电感，制作了实验装置，其控制电路示意图如图3所示。在整个电枢中串联一个分压电阻，当电机启动时可将电枢电流转化为电压信号，将此电压信号送入电压比较器，由电压比较器判断是否为过流信号，将信号送入MCU的中断I/O口。在程序执行过程中，如果产生了过流信号，则整个程序将跳至中断程序，将本周期的PWM信号强行关断。
图3 逐周期电流控制示意图
具体做法如下：
1、在程序的初始化中将MCU中寄存器TMDR设置为0H9F，即将计数器设置为PWM模式。
2、将上述电压比较器所得的过流信号输入IRO3口，此口作为MCU的外部中断触发口。
程序处理遵循以下步骤：在每个PWM周期结束时，将外部中断打开。当下个周期有过流信号时，则将触发MCU中断程序，将下周期的PWM信号关断，直到下周期结束并再次打开外部中断。即此PWM信号可以同时被内部翻转信号及外部触发信号作用翻转。这就保证了将电流控制限制在每个PWM周期内。
将试验电机加载20g·cm的负载后，分别用正常方式启动以及本文所述软硬结合方式启动，可得到如下图4所示的电流采样图。a为使用本文所用方法启动所得电流采样图，b为传统PWM信号直接启动所得到的电流采样图。
由图4可得，使用正常启动直流电动机会产生比正常工作时大好几倍的尖峰电流，这些电流容易发生电气问题，以及使得电机本身承受较大冲击负载。而使用本文所提出的软硬结合的直流电动机启动能够有效降低电机启动时的尖峰电流，使得电机的启动较为平稳，虽然牺牲了一部分启动力矩，但是由于直流电动机的启动力矩较正常力矩大，故对工作状况影响不大。
5、结语
本文通过对直流电动机的传递特性作分析，以电感增加阻尼改善直流电机启动时的尖峰电压，并在编程的基础上提出将每个PWM周期内对电流做一次调整，使得电机启动、停止性能得以提高，最终用实验验证了此方法的有效性。此方法对于工程实践方面也有较高的使用价值。
References
[1]Li Zhijun . design of the DC motor flexible starter based on AVR microcontroller . Dalian university of science and industry master dissertation 2009.8.（In Chinese）
[2]Zhou e . electromechanics . Beijing： water conservation and hydroelectricity press. 1994.（In Chinese）
[3] Huang Jin ， Huang Jianhua ， Chen Dun ， Zhang Wei . Measurement of DC Motor Torque-Speed Characteristic Based on Wavelet Analysis . S& M Electric Machines 2001.2.（In Chinese）
[4]Tan Min ， Xu De .Advanced robot control .High education press .2007.8.（In Chinese）
[5] Cao Qing . Study of fuzzy self- adaption PID control of electric steering engine . [J]. Tsinghua University Press . 2005.8.（In Chinese）
作者简介：黄真，男，河南人，硕士生研究方向为机械电子工程。
关键词：直流电机 阻尼启动 PWM 电流周期调整
基金项目：河南省科技攻关计划项目 项目编号：112102110113
Study of the start mode by combination of hardware and software of DC motor
Abstract： DC motor is extensively used in engineering experience because of its stepless speed regulation and advantage of hardware start mode， but a large amount of electric and mechanical problem will be caused by the dash current and fluctuation voltage because of its abruption start and stop. This paper analyzes the causes of the peak voltage， and puts forward the application of the physical properties of the inductance to improve the starting damping of the DC motor and use the method of software programming to blocking peak voltage. The experimental results show that this method can effectively reduce the problems brought about by the fault.
Keywords： DC motor start mode by increasing damp PWM periodic current adjustment
1、引言
由于直流电机具有无级调速和启动硬特性好等特点在各种工程机械中使用较多，但是直流电机启动时所产生的较高峰值电压以及十数倍于正常电流的启动大电流对电网的影响一直也没有得到有效地解决。对于这个问题，工程中一般使用的是三段式电阻阶段是启动或者有软件编程限制器峰值电流。阶段启动器结构复杂故障率高，而限制峰值电流由于其控制周期相应的时间长易造成电机启动时的震动。本文提出的利用电机的阻尼启动的硬件启动方式与PWM周期电流控制的软件控制方式相结合的方法能够较合理的解决以上问题，实验的结构也表明了此方法的有效性。
2、直流电动机阻尼启动原理
如下图1所示直流电机的传递函数框图：
图1直流电机的传递函数框图
其中，输入U为电源电动势，输出Ωm为电机角速度，Um为电枢电压，Rm为电枢电阻，Lm为电枢电感，km为电流-力矩系数，J为总转动惯量，F为总粘滞摩擦系数，ke为反电动系数（反电动势比上转速）U2/Ωm，Im为电枢电流，Tm为电机力矩，kI为自定义电压影响系数，该系数与电源内阻成正比。由图1可以得到以电源电动势为输入的直流电动机的传递函数：
（1）
在式1中，F一般很小可以省略，本文主要探讨电动机启动状态下的各种情况，可以对式（1）做如下改写：
（2）
式中，
为机电时间常数；
为电磁时间常数；
而由传递函数框图可知 ：
Um=U-U1（3）
Um为电枢电压，可以理解为电源对外部供电电压。由传递函数可得，直流电动机转子在磁场中旋转所获得的感应电动势为主要阻抗，而转子电阻及电感所产生的阻抗很小，造成启动电流超大。由于kI的存在，Um会被拉至很低的位置。虽然电机的启动时间很短，但是还是会对整个供电系统造成重大影响。传统方法一般使用限流电阻来降低直流电动机的启动电流，其弊端是在电动机启动后限流电阻会分压起热且会降低电机功率因数，必须再加一套限流电阻切断开关。在电机启动初期转子感应电动势较小，本文提出使用启动电感串联在电机上，如此 就被人为地增大了，使得整个系统的阻尼增加并在响应速度上稍慢，经试验验证其启动硬特性没有大的变化。在各个性能没有过多失去的情况下，启动时电枢电流Im得到了有效的降低。这种电动机的阻尼启动方式，保证电动机的启动硬特性，而启动电流却有效下降，这就是直流电动机的硬启动方法。
3、PWM周期电流控制原理
作为一种电流控制方式，PWM周期电流控制是将直流电动机调速PWM周期复用为电流控制周期，在整个PWM周期内实时监测电流变化，如若电流变化超出设定值，则使电机驱动H桥关断，下个周期重复此过程，直至电机完全启动，这就是直流电动机的软启动方法。过程如下图2所示：
图2 PWM周期电流控制原理
图2所示为周期电流控制的时序图，图中共显示四个周期。正常启动时，电机控制PWM信号如图中第一行所示。当加入电流周期控制时，在每个PWM信号周期内出现的尖峰电流都会被作为过流信号捕捉到，从而通过程序控制将PWM信号强行关断。在此周期内，电流不会继续增大，在楞次定律的作用下会平滑减小.逐周期电流控制将整个电机的电流控制限制在单个的PWM周期内，使控制的精度和速度得到较大的改善。启动时的各个周期内的电流所得的平均电流可认为是启动时实际电流，实际电流的减小能够有效减小τm，结合式（2），τm的减小能够有效降低启动电流对于电枢电压的影响。 4、实验结果分析
本文采用日立H8-3048MCU为控制单元，FK-180SH-17140直流电机，100μH功率型电感，制作了实验装置，其控制电路示意图如图3所示。在整个电枢中串联一个分压电阻，当电机启动时可将电枢电流转化为电压信号，将此电压信号送入电压比较器，由电压比较器判断是否为过流信号，将信号送入MCU的中断I/O口。在程序执行过程中，如果产生了过流信号，则整个程序将跳至中断程序，将本周期的PWM信号强行关断。
图3 逐周期电流控制示意图
具体做法如下：
1、在程序的初始化中将MCU中寄存器TMDR设置为0H9F，即将计数器设置为PWM模式。
2、将上述电压比较器所得的过流信号输入IRO3口，此口作为MCU的外部中断触发口。
程序处理遵循以下步骤：在每个PWM周期结束时，将外部中断打开。当下个周期有过流信号时，则将触发MCU中断程序，将下周期的PWM信号关断，直到下周期结束并再次打开外部中断。即此PWM信号可以同时被内部翻转信号及外部触发信号作用翻转。这就保证了将电流控制限制在每个PWM周期内。
将试验电机加载20g·cm的负载后，分别用正常方式启动以及本文所述软硬结合方式启动，可得到如下图4所示的电流采样图。a为使用本文所用方法启动所得电流采样图，b为传统PWM信号直接启动所得到的电流采样图。
由图4可得，使用正常启动直流电动机会产生比正常工作时大好几倍的尖峰电流，这些电流容易发生电气问题，以及使得电机本身承受较大冲击负载。而使用本文所提出的软硬结合的直流电动机启动能够有效降低电机启动时的尖峰电流，使得电机的启动较为平稳，虽然牺牲了一部分启动力矩，但是由于直流电动机的启动力矩较正常力矩大，故对工作状况影响不大。
5、结语
本文通过对直流电动机的传递特性作分析，以电感增加阻尼改善直流电机启动时的尖峰电压，并在编程的基础上提出将每个PWM周期内对电流做一次调整，使得电机启动、停止性能得以提高，最终用实验验证了此方法的有效性。此方法对于工程实践方面也有较高的使用价值。
References
[1]Li Zhijun . design of the DC motor flexible starter based on AVR microcontroller . Dalian university of science and industry master dissertation 2009.8.（In Chinese）
[2]Zhou e . electromechanics . Beijing： water conservation and hydroelectricity press. 1994.（In Chinese）
[3] Huang Jin ， Huang Jianhua ， Chen Dun ， Zhang Wei . Measurement of DC Motor Torque-Speed Characteristic Based on Wavelet Analysis . S& M Electric Machines 2001.2.（In Chinese）
[4]Tan Min ， Xu De .Advanced robot control .High education press .2007.8.（In Chinese）
[5] Cao Qing . Study of fuzzy self- adaption PID control of electric steering engine . [J]. Tsinghua University Press . 2005.8.（In Chinese）
作者简介：黄真，男，河南人，硕士生研究方向为机械电子工程。