CN104155905A - 一种用于无刷电机远程监控的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无刷电机远程监控的控制系统及其控制方法，包括控制器、GPRS通信模块、GPS定位模块、温度采集模块、开关控制模块、无刷电机驱动器、无刷电机、供电电池、网络服务器，其中控制器分别与GPRS通信模块、GPS定位模块、温度采集模块、开关控制模块、无刷电机驱动器相连，无刷电机驱动器还与无刷电机相连；网络服务器通过GPRS通信模块与控制器相连，控制器内部有AD采样模块；本发明公开的控制方法通过网络服务器远程控制无刷电机，可控制操作覆盖范围广，不需要额外布线，另外还实时上报当前工作状态；监控方便灵活、功能强大、便于安装、使用、操作和维护管理通过网络服务器端远程控制无刷电机。

Description

一种用于无刷电机远程监控的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无刷电机控制技术领域，具体涉及一种用于无刷电机远程监控的控制系统及其控制方法。

背景技术

无刷电机即无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，

无刷电机在我国的发展时间虽短，但是随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。已在航模、医疗器械、家用电器、电动车、水质监测等多个领域得到广泛应用，近几年来，无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种动力。由于产量和价格的原因，过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中，现在由于机械加工技术的快速发展，无刷电机的生产成本下降许多，目前它正进入模型领域的各个层面，从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，无处不在。

无刷电机已经逐步取代有刷电机，有刷电机的具有磨损大、损耗大、发热大、寿命短、效率低、输出功率小的缺点，由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，如果温度太高，磁钢容易退磁，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命，同时电能在很大程度上转换为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。

而无刷电机无电刷、低干扰，因为无刷电机没有电刷、最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰；噪音低、运转顺畅，无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持；寿命长，低维护成本，少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机。

无刷电机目前广泛的用于军事装备、电子信息装备、工业装备、家用电器、交通工具等领域，家用电器领域中，很多空调生产厂家采用无刷电动机替代异步电动机、不仅效率提高了，还获得了节能降噪的效果，在机械工业中，高度高精密机床以前都是用有刷直流电动机和交流异步电动机，目前使用量越来越少，有刷电机引起的可靠性低、寿命短、需经常保养等缺点，限制了它的进一步开发应用，汽车工业是我国国民经济的支柱产业，近年来受能源危机的影响，汽车采用无刷电机逐步增多，在信息处理系统和通讯、音响、视听设备中，在要求高性能、高可靠性的运动伺服系统中，在航天、航空、武器装备中以及医疗设备中也都采用性能好、体积小、效率高的直流电机。

专利号为CN103384127A，专利名称为一种无刷电机的驱动控制系统及其控制方法；专利号为CN101647189A，名称为无刷电机、无刷电机控制系统以及无刷电机的控制方法；专利号为CN103684142A，名称为用于无刷电机的控制系统，这三个专利都只是提到了如何对无刷电机进行驱动控制，并未提到如何对无刷电机进行远程控制和远程通信的方法。

目前无刷电机用在卫星上作为执行元件，潜艇中采用无刷电机驱动，噪声低、不易暴露目标、控制灵活；惯性导航测试设备、电磁弹射技术、卫星光通信技术、空间飞行器的飞轮、水质检测盒改善领域的仪器都开始采用无刷电机进行驱动，而这些技术领域中，仪器和设备都需要在室外进行，使用者需要远程监控这些设备和仪器的工作状态，并且能够远距离获得仪器和设备的数据信息，从而有效的进行判断和控制，但是现有的一些设备中，尤其在水质监测和改善领域，使用者无法通过远程控制无刷电机的工作状况，也无法监控无刷电机的工作状态，上述问题都是目前急需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种用于无刷电机远程监控的控制系统及其控制方法，通过网络服务器端远程控制无刷电机，可控制操作覆盖范围广，不需要额外布线，另外还实时上报当前工作状态；本控制系统监控方便灵活、功能强大、便于安装、使用、操作和维护管理。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

 一种用于无刷电机远程监控的控制系统，包括控制器、GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器、无刷电机、网络服务器和太阳能供电系统，其中控制器分别与GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器相连，无刷电机驱动器还与无刷电机相连；网络服务器通过GPRS通信模块与控制器相连，控制器内部有AD采样模块；

网络服务器负责数据保存和命令远程操作；

GPRS模块负责控制器与网络服务器之间数据传输；

GPS定位模块为控制系统提供位置定位；

控制器通过无刷电机驱动器对电机进行控制操作；

无刷电机是控制系统的执行部分，只需要能够跟无刷电机驱动器匹配就可以正常运行。

控制器通过DA转换控制无刷电机驱动器，实现无刷电机高精度调速，关启功能，同时控制器通过检测无刷电机的转速，控制无刷电机的工作和反馈无刷电机的工作状态，GPS定位模块将无刷电机所驱动的设备的位置信息发送给控制器，AD采样模块将控制系统内部的电流、电压和光强信号发送给控制器，控制器监控控制系统的工作状态，控制器内部获得的所有数据通过GPRS通信模块发送给网络服务器，网络服务器分析所得的数据，同时向控制器发出命令信息，对无刷电机所驱动的设备作出相应的调整。

作为本发明的进一步优化方案，还包括数据存储模块，所述系统通过数据存储模块保存当GPRS数据通信堵塞时上报失败的数据，当数据通信恢复时系统自动将这些数据上报到服务器，以保证数据不丢失。

作为本发明的进一步优化方案，还包括DA转换模块，无刷电机驱动器通过所述DA转换模块与控制器相连。

作为本发明的进一步优化方案，所述控制器通过RS232或485串口方式与GPRS进行通信，采用DA转换通过无刷电机驱动器实现无刷电机的高精度远程调速，远程关启功能。

作为本发明的进一步优化方案，所述太阳能供电系统由太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池和交流控制盒组成；    

所述太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池、交流控制盒、控制器依次相连。

作为本发明的进一步优化方案，还包括霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器检测供电电池和无刷电机的工作电流，并将测得的电流进行隔离测量转换后发送给控制器的AD采样模块。

作为本发明的进一步优化方案，所述太阳能供电系统通过太阳能光电板和太阳能控制器对供电电池充电，所述交流控制盒与市电输入端相连，市电作为后备电源，控制器检测供电电池的供电电压；

当供电电压不足时，太阳能供电系统自动切换到市电供电，当供电电池充满时，再自动切回供电电池供电；

当没有市电时，如果供电电池电压过低时，控制器将控制无刷电机停转，防止供电电池过放电。

一种用于无刷电机远程监控的控制系统的控制方法：

控制器内的单片机使用实时操作系统，进行串口数据包的接收及应答响应、数据包的发送管理和正常定时查询管理，具体步骤如下：

处理串口数据包的接收及应答相应步骤：

步骤一：控制器内部有定时器，定时器每隔1s启动控制器内部的任务查询模块，对控制系统内部需要监控的数据进行查询，每一分钟将查询的数据进行打包，并通过GPRS通讯模块将数据包上传到网络服务器，如果出现数据拥堵，则打包好需要上传的数据包被暂时存储在控制器的存储器中，数据拥堵消失后，被存储的数据被重新上传；

步骤二：控制器的AD采样模块使用连续采样的模式进行采样，控制器内部设有中断程序模块，采样完成后，使单片机进入AD采样完成的中断程序，将采集的数据放入控制器的缓存区；

步骤三：控制器处理串口数据包，查询是否有GPRS通信模块发送的新数据，

（301）发现有新的数据，首先判断发现的位置是否处于新数据的帧头位置，如果是，那么开始接收新的数据包，如果不是，则将该数据丢弃；

（302）没有发现有新的数据接收，则判断该数据包已经被破坏，将数据包丢弃并返回步骤一重新开始接收数据；

步骤四：控制器在接受到完整的数据包后，分析数据包的数据信息，并发出相应的控制命令。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

第一、 本发明通过网络服务器端远程控制无刷电机，可控制操作覆盖范围广，不需要额外布线，另外还实时上报当前工作状态；

第二、 本发明设有断电恢复功能，可以避免某些软复位可能出现的故障，从而保证通信的可靠性，同时无刷电机驱动器的电压控制为开关控制，调速电压采用DA转换方式，抛弃了原来的电位器方式调速，使得控制系统可通过无线网络进行远程速度控制和调节；

第三、 本发明监控方便灵活、功能强大、便于安装、使用、操作和维护管理。

附图说明

图1是本发明的模块结构图；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开一种用于无刷电机远程监控的控制系统，如图1所示，包括控制器、GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器、无刷电机、太阳能供电系统和网络服务器，本系统使用市电作为后备电源，其中控制器分别与GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器相连，无刷电机驱动器还与无刷电机相连；网络服务器通过GPRS通信模块与控制器相连，控制器内部有AD采样模块；

所述太阳能供电系统由太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池和交流控制盒组成；所述太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池、交流控制盒、控制器依次相连，太阳能供电系统通过太阳能光电板和太阳能控制器对供电电池充电，所述交流控制盒还与市电输入端相连，市电作为后备电源，控制器检测供电电池的供电电压；

当供电电压不足时，太阳能供电系统自动切换到市电为整个系统提供电源，当供电电池充满时，再自动切回供电电池供电；

当没有市电时，如果供电电池电压过低时，控制器将控制无刷电机停转，防止供电电池过放电。

控制器采用32位单片机，该系统设有DA转换模块，控制器通过DA转换模块控制无刷电机驱动器，实现无刷电机高精度调速、关启的功能，同时控制器通过检测无刷电机的转速，控制无刷电机的工作和反馈无刷电机的工作状态。其中无刷电机驱动器的电源控制为开关状态控制，调速电压为DA转换，抛弃了原来的电位器方式调速，这样使得控制系统可以通过无线网络进行远程速度控制和调节；同时，无刷电机的转轴上设有霍尔电流传感器，霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器检测供电电池和无刷电机的工作电流，并将测得的电流进行隔离测量转换后发送给控制器的AD采样模块；单片机对霍尔信号的脉宽进行检测，通过计算得到电机运转的转速，方便实时了解和控制电机的工作状态。 

单片机内部自带AD采样模块，单片机通过AD采样模块对电池的电压、电池的工作电流、电机控制器的电压、电机的工作电流和光强信号进行测量，实时了解和监控控制系统各部分的工作状态。

单片机通过串口与GPS定位模块相连，GPS定位模块将无刷电机所驱动的设备的位置信息发送给控制器，AD采样模块将控制系统内部的电流、电压和光强等信号发送给控制器，控制器监控控制系统的工作状态，控制器内部获得的所有数据通过GPRS通信模块发送给网络服务器，网络服务器分析所得的数据，同时向控制器发出命令信息，对无刷电机所驱动的设备作出相应的调整。

单片机与GPRS模块通过RS232串口通信或485串口方式连接，同时还控制GPRS模块的供电状态，当GPRS数据通信堵塞时可以通过对GPRS模块断电复位使得网络通信重新恢复正常，断电方式复位可以避免某些软复位可能出现的故障，以保证通信可靠。

当GPRS数据通信堵塞时，单片机将未能上报的数据保存到数据存储模块中，当数据通信恢复时系统自动将这些数据上报到服务器，以保证数据不丢失。

电池电流和电机电流都使用霍尔电流传感器进行隔离测量转换，霍尔电流传感器输出0~5V之间的电压，经电阻分压后送入单片机的AD采样模块的端口。

电机控制器采用无刷电机控制器，这样对电机控制更加稳定可靠。电机控制器的电源使用24V电源，该24V电源由5V电压通过LM2577升压芯片升压获得；电机的调速由单片机通过一片外扩的DA芯片实现。

系统的电源主要由多块光电板通过MPPT太阳能控制器给电池进行充电。除此之外还有一种可选电源就是市电通过开关电源转换成12V或24V后给系统供电。这两种电源之间通过一个单刀双掷的继电器进行切换，继电器由单片机的IO端口通过三极管放大后驱动。

一种用于无刷电机远程监控的控制系统的控制方法：

控制器使用RTOS实时操作系统，设有三个任务模式：处理串口数据包的接收及应答响应任务；处理命令数据包的发送管理；处理正常定时查询管理；

处理串口数据包的接收及应答相应步骤：

步骤一：控制器内部有定时器，定时器每隔1s启动控制器内部的任务查询模块，对控制系统内部需要监控的数据进行查询，每一分钟将查询的数据进行打包，并通过GPRS通讯模块将数据包上传到网络服务器，如果出现数据拥堵，则打包好需要上传的数据包被暂时存储在控制器的存储器中，数据拥堵消失后，被存储的数据被重新上传。

在控制系统程序启动的时候，控制器将执行一次电池电压识别计算，通过AD采样模块采集的数据计算出电池的电压，根据该电压值判断电池是12V还是24V，为后续的电源管理提供判断标准。

该控制系统设有两组电池，在有市电的情况下，当检测到单组电池电压低于11.6V时，单片机将控制继电器切换到市电供电，当光电板通过太阳能控制器给电池充电超过13V后恢复电池供电。如果没有市电，则当单组电池电压低于11.2V时单片机控制电机停转，以防止电池过放电。

步骤二：控制器的AD采样模块使用连续采样的模式进行采样，控制器内部设有中断程序模块，采样完成后，使单片机进入AD采样完成的中断程序，将采集的数据放入控制器的缓存区；

步骤三：控制器的串口在接收数据时，采用中断接收的方法，串口在接收到一个数据后，控制器控制串口暂时中断数据的输入，此时控制器的串口收到的数据放入数据缓存区，当前的数据处理完成后，再继续处理新的数据，处理串口数据包的接收及应答响应任务不断查询是否有GPRS通信模块发送的新的数据，如果有新的数据，首先判断是否是帧头，如果不是，将该数据丢弃，如果是，则放入缓存区并开始接收新的数据包；在接收数据包时，中间有较长时间无新的数据接收，则判断该数据包已经被破坏，将数据包丢弃并准备重新开始接收数据；接收到有效的数据包后控制器进行下一步的处理，如参数更新、数据返回、命令操作响应等。

控制器与网络服务器之间的对话命令主要包括校时命令和数据上报等，控制器将对话命令的数据包组好后，发送给网络服务器，网络服务器在发送成功后会作出响应，即向控制器发送数据包，如果控制器没有收到任何数据包，在超时重发后启动复位DTU（无线传输设备）的操作，若没有收到对话命令的响应数据包则将继续重发该对话命令数据包，直到发送成功完成。

控制器内部设有数据存数模块，所述数据存储模块用来存数控制系统的配置参数和控制器未能及时发送出去的数据。

步骤四：控制器的处理串口数据包的接收及应答响应任务在接受到完整的数据包后，分析数据包的数据信息，并作出响应，向网络服务器发送响应数据包。

本发明不仅适用于水质改善和水质监测设备领域，还可以用于其他通过无刷电机作为动力的设备，同样可以实现本发明的远程控制和远程通信的功能。

一种用于无刷电机远程监控的控制系统，通过网络服务器端远程控制无刷电机，可控制操作覆盖范围广，不需要额外布线，另外还实时上报当前工作状态；本控制系统监控方便灵活、功能强大、便于安装、使用、操作和维护管理。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：包括控制器、GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器、无刷电机、太阳能供电系统、网络服务器，其中控制器分别与GPRS通信模块、GPS定位模块、无刷电机驱动器相连，无刷电机驱动器还与无刷电机相连；网络服务器通过GPRS通信模块与控制器相连，控制器内部有AD采样模块；

网络服务器负责数据保存和远程命令操作；

GPRS模块负责控制器与网络服务器之间数据传输；

GPS定位模块为控制系统提供位置定位；

控制器通过无刷电机驱动器对电机进行控制操作；

控制器通过无刷电机驱动器，控制无刷电机的工作和检测无刷电机的工作状态，GPS定位模块将无刷电机所驱动的设备的位置信息发送给控制器，AD采样模块将控制系统内部的电流、电压和光强信号发送给控制器，控制器监控控制系统的工作状态，控制器内部获得的所有数据通过GPRS通信模块发送给网络服务器，网络服务器分析所得的数据，同时向控制器发出命令信息，对无刷电机所驱动的设备作出相应的调整。

2.如权利要求1所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：还包括数据存储模块，所述系统通过数据存储模块保存当GPRS数据通信堵塞时上报失败的数据，当数据通信恢复时系统自动将这些数据上报到服务器。

3.如权利要求1或2所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：还包括DA转换模块，无刷电机驱动器通过所述DA转换模块与控制器相连。

4.如权利要求3所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：所述控制器通过RS232或485串口方式与GPRS进行通信。

5.如权利要求4所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：所述太阳能供电系统由太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池和交流控制盒组成；    

所述太阳能光电板、太阳能控制器、供电电池、交流控制盒、控制器依次相连。

6.如权利要求5所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：还包括霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器检测供电电池和无刷电机的工作电流，并将测得的电流进行隔离测量转换后发送给控制器的AD采样模块。

7.如权利要求6所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：所述太阳能供电系统通过太阳能光电板和太阳能控制器对供电电池充电，所述交流控制盒与市电输入端相连，市电作为后备电源，控制器检测供电电池的供电电压；

当供电电压不足时，太阳能供电系统自动切换到市电供电，当供电电池充满时，再自动切回供电电池供电；

当没有市电时，如果供电电池电压过低时，控制器将控制无刷电机停转，防止供电电池过放电。

8.一种用于无刷电机远程监控的控制系统的控制方法，适用于权利要求1~7任意一项所述的一种用于无刷电机远程监控的控制系统，其特征在于：

控制器内的单片机使用实时操作系统，进行串口数据包的接收及应答响应、数据包的发送管理和正常定时查询管理，具体步骤如下：

处理串口数据包的接收及应答相应步骤：

步骤一：控制器内部有定时器，定时器每隔1s启动控制器内部的任务查询模块，对控制系统内部需要监控的数据进行查询，每一分钟将查询的数据进行打包，并通过GPRS通讯模块将数据包上传到网络服务器，如果出现数据拥堵，则打包好需要上传的数据包被暂时存储在控制器的存储器中，数据拥堵消失后，被存储的数据被重新上传；

步骤二：控制器的AD采样模块使用连续采样的模式进行采样，控制器内部设有中断程序模块，采样完成后，使单片机进入AD采样完成的中断程序，将采集的数据放入控制器的缓存区；

步骤三：控制器处理串口数据包，查询是否有GPRS通信模块发送的新数据，

（301）发现有新的数据，首先判断发现的位置是否处于新数据的帧头位置，如果是，那么开始接收新的数据包，如果不是，则将该数据丢弃；

（302）没有发现有新的数据接收，则判断该数据包已经被破坏，将数据包丢弃并返回步骤一重新开始接收数据；

步骤四：控制器在接受到完整的数据包后，分析数据包的数据信息，并发出相应的控制命令。