CN104242246A - 一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，包括电机本体，所述电机本体上连接有控制模块，所述控制模块上连接有信号和电源，所述电源与所述控制模块之间设置有示波器，所述控制模块包括相互连接的电流采集电路和主控芯片。本发明还公开了一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护方法。实现了不依靠传感器等堵转保护外设，不牺牲电压利用率，直接根据采集到的母线电流值动态分析母线电流值的变化趋势，结合电流跟踪算法实现对堵转和非堵转两种情况的判定，算法的判断精度高，可移植性强。

Description

一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种基于电流跟踪的直流电机堵转保护装置及方法，尤其是涉及一种通过基于无堵转外设实现惯性负载用直流有刷电机的堵转的保护方法。

背景技术

直流有刷电机以其良好的扭矩输出特性、高效的电能利用率等特点广泛应用在风机领域中。直流有刷电机在使用时需要处理好电机堵转的问题，因为当电机堵转发生时，外部输入给电机的电能几乎全部转化为绕组的热能，此时主电路电流会瞬间变大，对系统造成非常大的电流冲击，直接缩短电机和控制器的使用寿命，降低了系统对电能的利用率，严重的甚至会烧毁控制系统，对系统产生严重的危害。因此直流有刷电机控制过程中必须做好堵转保护的工作。

如图1所示，直流有刷电机控制系统主要有4个部分组成：控制信号11、直流电源12、控制模块13以及电机本体14。直流有刷电机常用的堵转保护方法基本分为五种：传感器测速法、温控片隔离法、转速阈值法、电机电压检测法以及结构保护法。其中电机本体14的横截面15由虚线框表示，首先传感器测速法主要是依靠安装在定子线圈上的传感器来感应转子磁场的变化，当当前磁场的感应区时间超过设定阈值时就视为堵转，这种方式可以有效的通过测量转速实现堵转保护；其次温控片隔离法是当电机发生堵转时，电机内部线圈温度快速上升，当达到一定的温度时15内的温控片会自动变形，断开外部13与14之间电极片的连接，此时电机可以实现堵转保护；再次转速阈值法是根据不同的电压值和信号源的大小分别对固定负载进行转速阈值区域划分，当当前电流值对应的转速低于限定转速值时判定为堵转发生，可以实现堵转保护；电机电压检测法是利用短时关闭信号源的方法去检测电机两端的电压差值，当信号源关闭时，电机两端电压差为最小值，此时若当前仍有电压值则判定为堵转，此时可以实现堵转保护；最后结构保护法是在电机机体外围外加保护装置，这样也可以实现堵转保护。

但是，上述五种方法在实际应用中均存在不同程度的缺陷：

(1)传感器测速法对电机的应用环境要求较高，一般不能在液体环境中使用；同时对硬件的依赖性比较强，增加制造成本，维护成本较高；(2)温控片隔离法对材料的要求比较高，而且在低占空比或者低电压的时候容易出现误判，对电能的利用率下降，判断精度较差；

(3)转速阈值法需要进行大量的数据采集，而且数据的可移植性比较差，同一组数据不能利用在多个电机上，局限性较强；

(4)电机电压检测法是牺牲占空比的执行时间来实现判断的，这样对电压的利用率将下降，同时低压或者低占空比的情况下判断精度下降；

(5)结构保护法增加了材料成本，同时牺牲了有效空间的利用率；

综上所述，目前五种常用的堵转保护方法都有各自的弊端，不适合大规模推广使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置及方法，不依靠传感器等堵转保护外设，不牺牲电压利用率，直接根据采集到的母线电流值动态分析母线电流值的变化趋势，结合电流跟踪算法实现对堵转和非堵转两种情况的判定，算法的判断精度高，可移植性强。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，包括电机本体，所述电机本体上连接有控制模块，所述控制模块上连接有信号和电源，所述电源与所述控制模块之间设置有示波器，所述控制模块包括相互连接的电流采集电路和主控芯片。

前述的一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，其特征在于：所述电机本体上还设置有扇叶。

前述的基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：根据系统要求确定最小占空比D1和最小工作电压V1、最大占空比D2和最大工作电压V2；

步骤2：根据步骤1中获取的D1和V1、D2和V2，分别通过前述检测装置中的信号21和电源24对电机进行作用，依靠示波器(25)分别对上述两种情况下不堵转和堵转发生时的电流波形进行抓取，保存两种情况下的电流变化四种趋势图；

步骤3：设定定时器T1和T2，其中T1和T2的中断周期关系为T2＝2*T1；

步骤4：根据步骤3中设定的T1和T2，设定占空比DC自加一次的周期为N个T1中断，同时确定M个T2中断后主控芯片对电源(24)的电流进行采集一次，其中M、N均为大于等于1的整数；

步骤5：根据步骤4中设定的参数，确定在DC达到目标值时的电流采集值个数为X，同时需满足条件DC*N*T1/M*T2＝X，其中DC为主控芯片捕捉到的信号(21)对应的占空比值；

步骤6：根据步骤5得知，主控芯片经过X次电流采集后占空比DC达到外部信号21当前给定的目标值，同时根据步骤1得到的四种电流变化趋势图，设定当占空比达到目标值后继续采集Y(此时Y＝X)个电流值与前X个值进行比较；

步骤7：在步骤6的基础上，结合步骤2中得出的四种电流波形，确定两种判定情况，一是电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转，二是电机运行过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转；

步骤8：根据步骤7得知，给出电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转的条件，此时有两种情况，一是电机上电后电流瞬间突变情况，一是电流缓慢变化情况，根据这两种情况给出判定条件；根据惯性负载的特性，当第Y个电流值比第X个电流值大时，此时发生堵转；当第Y个电流值和第X个电流值相等时，此时发生堵转；其他情况电机未发生堵转；堵转发生后电机停止工作；

步骤9：根据步骤7得知，给出电机工作过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转的条件，此时有一种情况，利用T1中断对电机上电后进行定时，当占空比增加完成后经过数秒的稳定，对第Y个值和第X个值进行比较，若第Y个值比第X个值大，则认为发生堵转；其他情况没有发生堵转；堵转发生后电机停止工作。

本发明的有益效果是：

(1)不依靠传感器等堵转保护外设，不牺牲电压利用率，直接根据采集到的母线电流值动态分析母线电流值的变化趋势，结合电流跟踪算法实现对堵转和非堵转两种情况的判定，算法的判断精度高，可移植性强；

(2)堵转实现时间可实现动态调整，一般从300ms至6s；

(3)堵转判断准确，误差率小于0.02％；

(4)涵盖占空比区间为1％至100％；

(5)算法可移植性强，对硬件依赖性低，降低成本。

附图说明

图1为现有的直流有刷电机控制系统模块图；

图2为本发明一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置的系统模块图；

图3为本发明电流跟踪算法实现流程图；

图4为电源电压为8V且占空比为5％且没有堵转情况下的系统电流波形；

图5为电源电压为16V且占空比为100％且没有堵转情况下的系统电流波形；

图6为电源电压为8V且占空比为5％且有堵转情况下的系统电流波形；

图7为电源电压为16V且占空比为100％且有堵转情况下的系统电流波形；

图8为电机由静止到启动且电源电压为8V且占空比为5％且有堵转保护情况下的系统电流波形；

图9为电机由静止到启动且电源电压为16V且占空比为100％且有堵转保护情况下的系统电流波形；

图10为电机正常运转且电源电压为16V且占空比为100％且有堵转保护情况下的系统电流波形。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图2所示，一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，包括电机本体23，所述电机本体23上连接有控制模块22，所述控制模块22上连接有信号21和电源24，所述电源24与所述控制模块22之间设置有示波器25，所述控制模块22包括相互连接的电流采集电路和主控芯片，所述电机本体23上还设置有扇叶26。通过示波器25采集最小占空比、最小工作电压和最多占空比、最多工作电压情况下的堵转与非堵转的电流波形图，从而得出堵转和非堵转电机电流的波形变化，为堵转判定条件做好准备，后期通过观察示波器在不同情形下采集的电流变化波形图根据前期的4张波形图作为判定基础得知电机是否发生堵转，在不依靠传感器等堵转保护外设，不牺牲电压利用率，直接根据采集到的母线电流值动态分析母线电流值的变化趋势，结合电流跟踪算法实现对堵转和非堵转两种情况的判定，算法的判断精度高，可移植性强。

本发明的一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置的实现方法包括如下步骤：

步骤1：根据系统要求确定最小占空比D1和最小工作电压V1、最大占空比D2和最大工作电压V2；

步骤2：根据步骤1中获取的D1和V1、D2和V2，分别通过前述检测装置中的信号21和电源24对电机进行作用，依靠示波器25分别对上述两种情况下不堵转和堵转发生时的电流波形进行抓取，保存两种情况下的电流变化四种趋势图；

步骤3：设定定时器T1和T2，其中T1和T2的中断周期关系为T2＝2*T1；

步骤4：根据步骤3中设定的T1和T2，设定占空比DC自加一次的周期为N个T1中断，同时确定M个T2中断后主控芯片对电源24的电流进行采集一次，其中M、N均为大于等于1的整数；

步骤5：根据步骤4中设定的参数，确定在DC达到目标值时的电流采集值个数为X，同时需满足条件DC*N*T1/M*T2＝X，其中DC为主控芯片捕捉到的信号21对应的占空比值；

步骤6：根据步骤5得知，主控芯片经过X次电流采集后占空比DC达到外部信号21当前给定的目标值，同时根据步骤1得到的四种电流变化趋势图，设定当占空比达到目标值后继续采集Y(此时Y＝X)个电流值与前X个值进行比较；

步骤7：在步骤6的基础上，结合步骤2中得出的四种电流波形，确定两种判定情况，一是电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转，二是电机运行过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转；

步骤8：根据步骤7得知，给出电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转的条件，此时有两种情况，一是电机上电后电流瞬间突变情况，一是电流缓慢变化情况，根据这两种情况给出判定条件；根据惯性负载的特性，当第Y个电流值比第X个电流值大时，此时发生堵转；当第Y个电流值和第X个电流值相等时，此时发生堵转；其他情况电机未发生堵转；堵转发生后电机停止工作；

步骤9：根据步骤7得知，给出电机工作过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转的条件，此时有一种情况，利用T1中断对电机上电后进行定时，当占空比增加完成后经过数秒的稳定，对第Y个值和第X个值进行比较，若第Y个值比第X个值大，则认为发生堵转；其他情况没有发生堵转；堵转发生后电机停止工作。

实施例1

步骤1：实例所采用的系统为12V系统，系统模块如图2所示，系统要求最小占空比D1为5％、最小工作电压V1为8V，最大占空比D2为100％、最大工作电压V2为16V；

步骤2：根据步骤1中获取的D1和V1、D2和V2，分别对电机进行作用，这样通过示波器得到图4、图5、图6和图7，通过对四幅图分析可知，图4和图5为两种输入条件下没有堵转时的电流波形，电流均在DC达到设定值时达到最大值，并且电流逐渐下降后趋于稳定；图6和图7为两种输入条件下有堵转时的电流波形，电流在D1和V1条件下，当DC达到设定值后，电流不再变化，直接趋于稳定；同时在D2和V2条件下电流处于持续上升趋势；这样就可以得出堵转和非堵转电机电流的波形变化，为下面的堵转判定条件做准备；

步骤3：如图3所示，通过对系统T1和T2模块进行设置，其中T1中断为1ms，T2中断为2ms；

步骤4：根据步骤3中设定的T1和T2，设定占空比DC自加一次的周期为N为5；

步骤5：如图3所示，根据步骤4中设定的参数，设定在DC达到目标值前电流采集值个数X为10，此时M＝DC*5*1/10*2＝DC/4，随着DC的动态改变，M的值也是个动态的值，这样T2中断就可以实现变周期采集电流值，实现对电流的动态跟踪，这样的效果是不管DC多大，第10个值总是DC加完后电流的最大值；

步骤6：根据步骤5得知，MCU经过10次电流采集后占空比DC达到给定的目标值，同时根据步骤1得到的四种电流变化趋势图，设定当占空比达到目标值后继续采集10个电流值，并与前10个值进行比较，这样一次堵转判断一共采集20个电流值；

步骤7：在步骤6的基础上，得出电机出现堵转时，第10个电流值是小于等于第20个电流值的，以此作为电流跟踪算法的判断条件，算法流程如图3所示；

步骤8：根据步骤7的算法对电机堵转进行判断，电机由静止状态开始启动，启动前堵住电机，此时电压为8V，占空比为5％，判定条件为步骤7的条件，如图8所示，通过电流波形可以看出，此时电流上升缓慢，DC达到设定值5％时第10个电流值最大，然后继续采集10个电流值，此时第10个值和第20个电流值几乎相等，此时电机发生堵转，电机停止工作，此时可以通过电流跟踪算法实现电机堵转保护；保持电机的启动前状态，当电压为16V，占空比为100％，启动前同样堵住电机，如图9所示，DC达到设定值100％时第10个电流值最大，然后继续采集10个电流值，此时第20个值比第10个电流值大，此时电机发生堵转，电机停止工作，此时可以通过电流跟踪算法实现电机堵转保护；

步骤9：根据步骤7的算法，电机在运行过程中，在占空比恒定时，输入条件电压为16V,占空比为100％，当经过6s电流稳定后，从外部给转子加阻力，得出的电流波形如图10所示，此时第20个值比第10个电流值大，此时电机发生堵转，电机停止工作，此时可以通过电流跟踪算法实现电机堵转保护。

这样，通过电流跟踪法可以有效的判定低有效电压输入和高有效电压输入情况下电机是否发生堵转，从而实现对电机的堵转保护。

显然，本发明的上述实施例是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方法一一举例。而这些属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，其特征在于：包括电机本体(23)，所述电机本体(23)上连接有控制模块(22)，所述控制模块(22)上连接有信号(21)和电源(24)，所述电源(24)与所述控制模块(22)之间设置有示波器(25)，所述控制模块(22)包括相互连接的电流采集电路和主控芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置，其特征在于：所述电机本体(23)上还设置有扇叶(26)。

3.一种利用如权利要求1或2所述的基于电流跟踪的直流有刷电机堵转保护装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据系统要求确定最小占空比D1和最小工作电压V1、最大占空比D2和最大工作电压V2；

步骤2：根据步骤1中获取的D1和V1、D2和V2，分别通过前述检测装置中的信号(21)和电源(24)对电机进行作用，依靠示波器(25)分别对上述两种情况下不堵转和堵转发生时的电流波形进行抓取，保存两种情况下的电流变化四种趋势图；

步骤3：设定定时器T1和T2，其中T1和T2的中断周期关系为T2＝2*T1；

步骤4：根据步骤3中设定的T1和T2，设定占空比DC自加一次的周期为N个T1中断，同时确定M个T2中断后主控芯片对电源(24)的电流进行采集一次，其中M、N均为大于等于1的整数；

步骤5：根据步骤4中设定的参数，确定在DC达到目标值时的电流采集值个数为X，同时需满足条件DC*N*T1/M*T2＝X，其中DC为主控芯片捕捉到的信号(21)对应的占空比值；

步骤6：根据步骤5得知，主控芯片经过X次电流采集后占空比DC达到外部信号21当前给定的目标值，同时根据步骤1得到的四种电流变化趋势图，设定当占空比达到目标值后继续采集Y(此时Y＝X)个电流值与前X个值进行比较；

步骤7：在步骤6的基础上，结合步骤2中得出的四种电流波形，确定两种判定情况，一是电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转，二是电机运行过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转；

步骤8：根据步骤7得知，给出电机由当前停止到第一次通电后是否发生堵转的条件，此时有两种情况，一是电机上电后电流瞬间突变情况，一是电流缓慢变化情况，根据这两种情况给出判定条件；根据惯性负载的特性，当第Y个电流值比第X个电流值大时，此时发生堵转；当第Y个电流值和第X个电流值相等时，此时发生堵转；其他情况电机未发生堵转；堵转发生后电机停止工作；

步骤9：根据步骤7得知，给出电机工作过程中占空比没有变化的情况下判断是否发生堵转的条件，此时有一种情况，利用T1中断对电机上电后进行定时，当占空比增加完成后经过数秒的稳定，对第Y个值和第X个值进行比较，若第Y个值比第X个值大，则认为发生堵转；其他情况没有发生堵转；堵转发生后电机停止工作。