CN110729921A - 割草机控制方法、装置及割草机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种割草机控制方法、装置及割草机，该割草机包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路，该割草机控制方法包括：获取割草机静止时的电机转子初始位置；根据获取的电机转子初始位置控制无刷三相电机启动，并运行电机低速模式；在电机低速模式下，获取电机转子位置，并计算获得无刷三相电机的转速；若无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制无刷三相电机运行电机正常模式；根据电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制无刷三相电机返回电机低速模式；其中，电机正常模式的电机转速大于电机低速模式的电机转速。本发明技术方案提升割草机中无刷三相电机的运行可靠性。

Description

割草机控制方法、装置及割草机

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种割草机控制方法、装置及割草机。

背景技术

目前园林电动工具应用广泛，如割草机、修剪机等。而现有园林电动工具的驱动系统普遍采用有感方波方案。此种方案存在电机转速高，工况复杂等问题，导致hall器件位置检测不准确，电机运行振动大。如采用常见的无感三相BLDC电机，也存在低速估算位置不准确，不能提供大扭矩启动，无法在割草机上应用，降低了割草机、修剪机等园林电动工具的可靠性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种割草机控制方法、装置及割草机，旨在提升割草机中无刷三相电机的运行可靠性。

为实现上述目的，本发明提出的一种割草机控制方法，所述割草机包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路，所述割草机控制方法包括：

获取割草机静止时的电机转子初始位置；

根据获取的所述电机转子初始位置控制所述无刷三相电机启动，并运行电机低速模式；

在所述电机低速模式下，获取电机转子位置，并根据电机转子位置计算获得无刷三相电机的转速；

若无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制所述无刷三相电机运行电机正常模式；

根据所述无刷三相电机运行电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制所述无刷三相电机返回所述电机低速模式；其中，所述无刷三相电机的第一预设转速大于第二预设转速。

可选地，所述获取割草机静止时的电机转子初始位置的步骤包括：

按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VW、VU、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

可选地，所述按照预设的顺序对无刷三相电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号具体为：直接脉冲注入检测法和间接高频信号注入检测法。

可选地，所述根据所述无刷三相电机运行电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制所述无刷三相电机返回所述电机低速模式的步骤之后还包括：

在所述无刷三相电机运行电机正常模式下，若无刷三相电机的转速大于或等于第二预设转速时，继续在电机正常模式下运行。

可选地，所述无刷三相电机的第一预设转速的范围为500RPM-1000RPM。

可选地，所述无刷三相电机的第二预设转速的范围为300RPM-800RPM。

本发明还提出一种割草机控制装置，所述割草机控制装置包括无刷三相电机控制器及如上所述的割草机控制方法。

可选地，所述无刷三相电机控制装置包括控制器、逆变器和反电动势检测电路；

所述控制器的控制端与所述逆变器的受控端连接，所述逆变器的输出端与所述无刷三相电机的输入端连接，所述反电动势检测电路的采集端与所述无刷三相电机的输入端连接，所述反电动势检测电路的输出端与所述控制器的输入端连接；

所述反电动势检测电路，用于根据所述无刷三相电机的输入信号检测所述无刷三相电机的转子位置，并输出位置检测信号至所述控制器；

所述控制器，用于对所述位置检测信号进行处理，并输出控制信号至所述逆变器；

所述逆变器，用于根据所述控制信号输出预设交流电，以驱动所述无刷三相电机。

可选地，反电动势检测电路包括比较器采样电路、ADC采样电路及BEMF采样电路；

所述比较器采样电路，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器；

所述ADC采样电路，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器；

所述BEMF采样电路，用于采集在电机正常模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器。

本发明还提出一种割草机，所述割草机包括如上所述的割草机控制装置。

本发明技术方案通过采用割草机包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路。本方案中无刷三相电机中的控制器通过反电动势检测电路获取割草机静止时的电机转子初始位置，控制器根据获取的电机转子初始位置，控制无刷三相电机启动，并运行电机低速模式。无刷三相电机在电机低速模式的情况下，控制反电动势检测电路获取割草机当前的电机转子位置，并根据当前的电机转子位置计算无刷三相电机的当前转子转速。通过对电机转子当前的转速与第一预设转速进行比较，当无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制无刷三相电机运行电机正常模式；当无刷三相电机的电机转速小于或等于第一预设转速时，控制无刷三相电机保持在电机低速模式运行。在无刷三相电机运行电机正常模式的情况下，通过对电机转子当前的转速与第二预设转速进行比较，当无刷三相电机的电机转速小于第二预设转速时，控制无刷三相电机返回电机低速模式运行；当无刷三相电机的电机转速大于或等于第二预设转速时，控制无刷三相电机继续运行电机正常模式。在本方案中无刷三相电机的第一预设转速大于第二预设转速。通过反电动势检测电路对无刷三相电机转子初始位置及转子当前位置的检测，相对于有霍尔传感器的转子位置检测器，使得割草机中无刷三相电机转子位置检测准确，减小了割草机中无刷三相电机的运行噪音；同时通过将无刷三相电机中转子当前转速与预设转速进行比较，提升了割草机中无刷三相电机的运行稳定性。本发明技术方案提升了割草机中无刷三相电机的运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明割草机控制方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明割草机控制装置一实施例的结构示意图；

图3为本发明割草机控制装置中反电动势检测电路一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	控制器	41	比较器采样电路
20	逆变器	42	ADC采样电路
				30	无刷三相电机	43	BEMF采样电路
40	反电动势检测电路

本发明目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种割草机控制方法，应用于割草机，割草机包括包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路，在目前割草机、修剪机等园林电动工具上应用广泛，而割草机中的电机会存在由于电机极对数多，磁钢安装不均匀或hall安装不对称等问题。如割草机中的电机采用有感正弦方案存在电机转速高，工况复杂等问题，导致hall器件位置检测不准确，电机运行振动大。如割草机中的电机采用常见的无感三相BLDC电机，也存在低速估算位置不准确，不能提供大扭矩启动，无法在割草机上应用。

为了解决上述问题，在本发明一实施例中，如图1所示，该割草机控制方法包括：

步骤S100，获取割草机静止时的电机转子初始位置；

步骤S200，根据获取的所述电机转子初始位置控制所述无刷三相电机启动，并运行电机低速模式；

步骤S300，在所述电机低速模式下，获取电机转子位置，并根据电机转子位置计算获得无刷三相电机的转速；

步骤S400，若无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制所述无刷三相电机运行电机正常模式；

步骤S500，根据所述无刷三相电机运行电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制所述无刷三相电机返回所述电机低速模式；其中，所述无刷三相电机的第一预设转速大于第二预设转速。

本实施例中，为了解决割草机中电机极对数较多导致磁钢分布不均匀或霍尔传感器安装不对称，传统的相关技术会导致霍尔传感器位置检测不准确，引起噪音大，振动大，效率低等问题。本方案通过割草机的无刷三相电机控制器获取割草机静止时电机转子初始位置，并控制无刷三相电机进入电机低速模式，再通过反电动势检测电路实时估算无刷三相电机转子的位置，以对无刷三相电机进行控制，从而提升无刷三相电机转子位置检测的准确性，减小割草机电机噪音和振动，提高了割草机无刷三相电机的效率。同时割草机中的无刷三相电机控制器可以根据估算的无刷三相电机转子的实时位置计算出无刷三相电机的实时转速，控制器将计算的实时转速与预设转速进行比较，实现了割草机中无刷三相电机输出电磁转矩的平稳，减小了割草机电机电磁噪音和振动，使得提升了割草机中无刷三相电机的运行稳定性。

本实施例中，针对于割草机中的无刷三相电机，可以理解的是，割草机采用直流电源输入，通过逆变器将直流电源转换为交流电源，以此输入无刷三相电机。无刷三相电机是有转子位置反馈的三相交流电机，由于以电子换向器取代了机械换向器，从而使得无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机的结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护。

需要说明的是，相关技术中有霍尔的直流无刷电机需要配套比较复杂的霍尔传感器，对电机的可靠性和制造工艺带来不利的因素，例如：安装霍尔传感器会增加电机的体积，若是传感器的信号传输线比较多，那很容易造成对电机的干扰，电机的工作环境和温度降低霍尔传感器的可靠性，另外如对霍尔传感器的安装不精密，会造成电机的运行性能问题。

针对上述问题，无霍尔直流无刷电机运行平稳、启动可靠，采用的是不直接使用转子霍尔传感器，但在电机的运行中需要转子位置信号来控制电机换相，转子的位置信号检测大多数采用的是检测定子电压、电流等来估算转子的位置。而在本方案中，无刷三相电机即是在割草机中不具有霍尔传感器，无刷三相电机中转子的位置和速度数据都是通过检测定子电压、电流等来估算，这样就使得在割草机中减少了传感器的使用，降低了割草机的成本。

本实施例中，通过检测定子电压、电流等来估算转子的位置，即是经反电动势检测电路采集无刷三相电机的反电动势信号，以此检测无刷三相电机输入的电流来获取转子的位置信号。可以理解的是，反电动势检测电路是通过检测无刷三相电机各相的反电动势的过零点，以此可以获得无刷三相电机转子的几个关键位置来实现无霍尔传感器的直流无刷电机换相控制。进一步地，即是通过控制无刷三相电机的输入电压，以控制无刷三相电机转子转动的方式，使得无刷三相电机转子转速可以达到机械设计能达到的最大转速，提升了无刷三相电机启动后的转矩，提升了无刷三相电机运行的可靠性。

需要说明的是，本方案中的第一预设转速大于第二预设转速，以此实现在割草机无刷三相电机在运行的过程中存在一个预设迟滞转速，这里预设迟滞转速可以是200RPM、250RPM、300RPM等，此处不做限定。当预设迟滞转速为200RPM时，即是指在割草机中的无刷三相电机在运行的过程中，预设迟滞转速的值为每分钟200转。通过预设迟滞转速的设置，防止了割草机中无刷三相电机一直循环运行。

基于上述实施例，本发明技术方案通过采用割草机包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路。本方案中无刷三相电机中的控制器通过反电动势检测电路获取割草机静止时的电机转子初始位置，控制器根据获取的电机转子初始位置，控制无刷三相电机启动，并运行电机低速模式。无刷三相电机在电机低速模式的情况下，控制反电动势检测电路获取割草机当前的电机转子位置，并根据当前的电机转子位置计算无刷三相电机的当前转子转速。通过对电机转子当前的转速与第一预设转速进行比较，当无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制无刷三相电机运行电机正常模式；当无刷三相电机的电机转速小于或等于第一预设转速时，控制无刷三相电机保持在电机低速模式运行。在无刷三相电机运行电机正常模式的情况下，通过对电机转子当前的转速与第二预设转速进行比较，当无刷三相电机的电机转速小于第二预设转速时，控制无刷三相电机返回电机低速模式运行；当无刷三相电机的电机转速大于或等于第二预设转速时，控制无刷三相电机继续运行电机正常模式。在本方案中无刷三相电机的第一预设转速大于第二预设转速。通过反电动势检测电路对无刷三相电机转子初始位置及转子当前位置的检测，相对于有霍尔传感器的转子位置检测器，使得割草机中无刷三相电机转子位置检测准确，减小了割草机中无刷三相电机的运行噪音；同时通过将无刷三相电机中转子当前转速与预设转速进行比较，提升了割草机中无刷三相电机的运行稳定性。本发明技术方案提升了割草机中无刷三相电机的运行可靠性。

在一实施例中，所述获取割草机静止时的电机转子初始位置的步骤包括：

按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VW、VU、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

本实施例中，反电动势检测电路中具有电机位置检测算法，通过电机位置检测算法获取无刷三相电机转子初始位置是利用一些直流无刷电机的凸极性，即是因电机转子位置不同而造成的电机定子各相间电感不平衡的现象，而对电机定子各相注入脉冲信号，观察其由于电感不平衡而造成的反馈差异，以获取电机转子静止时的位置信息。可以理解的是，此处获取电机转子静止时的位置信息也即是通过反电动势检测电路获取的电机转子初始位置。

本实施例中，无刷三相电机控制器对电机各相注入脉冲信号，获取电机静止时的转子初始位置信息可以是直接脉冲注入检测法，也可以是间接高频信号注入检测法，可以理解的是，在反电动势检测电路中能够实现获取电机静止时转子初始位置信息的算法都是可以的，此处不做限定。

进一步地，直接脉冲注入检测法是给无刷三相电机定子的三相通相同的短时电流或电压信号，也即是向电机定子绕组注入一系列的脉冲信号，观察电机定子反馈回来的电压或电流信号差异，随后根据信号差异确定出对应的电机三相电感差异，最终估算获得电机转子的位置信息，以此达到较高的位置检测准确性，同时可以省去电机内部的检测元件。间接高频信号注入检测法是在无刷三相电机中注入特定的高频电压或电流，检测无刷三相电机对应的电流或电压信号，经过控制器内部算法变换估算出电机凸极位置，从而估算出电机转子的位置信息，以此实现高精度、高动态性能的速度和位置控制。可以理解的是，间接高频信号注入检测法可以是旋转高频电压信号注入法和脉动高频电压信号注入法，此处不做限定。

在一实施例中，所述无刷三相电机的第一预设转速的范围为500RPM-1000RPM。可以理解的是，第一预设转速可以是500RPM、700RPM、1000RPM等，此处不做限制。所述无刷三相电机的第二预设转速的范围为300RPM-800RPM。可以理解的是，第二预设转速可以是300RPM、500RPM、8000RPM等，此处不做限制。

需要说明的是，当预设迟滞转速为200RPM，此时第一预设转速为500RPM时，第二预设转速则为300RPM。对于割草机控制方法，即是指当无刷三相电机的转速大于500RPM时，控制无刷三相电机运行电机正常模式，当无刷三相电机的转速小于或等于500RPM时，控制无刷三相电机保持电机低速模式运行。当无刷三相电机处于电机正常模式运行的时候，无刷三相电机的转速小于300RPM时，控制无刷三相电机返回电机低速模式运行，当无刷三相电机处于电机正常模式运行的时候，无刷三相电机的转速大于或等于300RPM时，控制无刷三相电机继续保持电机正常模式运行。

为了解决上述问题，本发明还提出一种割草机控制装置，所述割草机控制装置包括无刷三相电机控制器及如上所述的割草机控制方法。由于该割草机控制装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在一实施例中，如图2所示，所述无刷三相电机控制装置包括控制器10、逆变器20和反电动势检测电路40；

所述控制器10的控制端与所述逆变器20的受控端连接，所述逆变器20的输出端与所述无刷三相电机30的输入端连接，所述反电动势检测电路40的采集端与所述无刷三相电机30的输入端连接，所述反电动势检测电路40的输出端与所述控制器10的输入端连接；

所述反电动势检测电路40，用于根据所述无刷三相电机30的输入信号检测所述无刷三相电机30的转子位置，并输出位置检测信号至所述控制器10；

所述控制器10，用于对所述位置检测信号进行处理，并输出控制信号至所述逆变器20；

所述逆变器20，用于根据所述控制信号输出预设交流电，以驱动所述无刷三相电机30。

可以理解的是，在无刷三相电机控制装置还具有输出直流电源的电源电路，可以为控制装置中的控制器和逆变器供电。

本实施例中，如图3所示，所述反电动势检测电路40包括比较器采样电路41、ADC采样电路42及BEMF采样电路43；

所述比较器采样电路41，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机30的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器10；

所述ADC采样电路42，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机30的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器10；

所述BEMF采样电路43，用于采集在电机正常模式下所述无刷三相电机30的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器10。

此外，为了解决上述问题，本发明还提出一种割草机，所述割草机包括如上所述的割草机控制装置，由于该割草机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种割草机控制方法，用于割草机，其特征在于，所述割草机包括无刷三相电机和用于检测无刷三相电机转子位置的反电动势检测电路，所述割草机控制方法包括：

获取割草机静止时的电机转子初始位置；

根据获取的所述电机转子初始位置控制所述无刷三相电机启动，并运行电机低速模式；

在所述电机低速模式下，获取电机转子位置，并根据电机转子位置计算获得无刷三相电机的转速；

若无刷三相电机的电机转速大于第一预设转速时，控制所述无刷三相电机运行电机正常模式；

根据所述无刷三相电机运行电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制所述无刷三相电机返回所述电机低速模式；其中，所述无刷三相电机的第一预设转速大于第二预设转速。

2.如权利要求1所述的割草机控制方法，其特征在于，所述获取割草机静止时的电机转子初始位置的步骤包括：

按照预设的顺序对电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号；

采集UV、UW、VW、VU、WU、WV注入脉冲时的母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV；

根据母线电流IUV、IUW、IVW、IVU、IWU、IWV计算出电流从电机每一相线的一端到另外一端所用的时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV；

根据所述时间tUV、tUW、tVW、tVU、tWU、tWV之间的时间差异计算出所述电机转子初始位置。

3.如权利要求2所述的割草机控制方法，其特征在于，所述按照预设的顺序对无刷三相电机的U、V、W三个相线两两注入脉冲信号具体为：直接脉冲注入检测法和间接高频信号注入检测法。

4.如权利要求1所述的割草机控制方法，其特征在于，所述根据所述无刷三相电机运行电机正常模式，若无刷三相电机的转速小于所述第二预设转速时，控制所述无刷三相电机返回所述电机低速模式的步骤之后还包括：

在所述无刷三相电机运行电机正常模式下，若无刷三相电机的转速大于或等于第二预设转速时，继续在电机正常模式下运行。

5.如权利要求1所述的割草机控制方法，其特征在于，所述无刷三相电机的第一预设转速的范围为500RPM-1000RPM。

6.如权利要求1所述的割草机控制方法，其特征在于，所述无刷三相电机的第二预设转速的范围为300RPM-800RPM。

7.一种割草机控制装置，其特征在于，所述割草机控制装置包括无刷三相电机控制器及如权利要求1-6任一所述的割草机控制方法。

8.如权利要求7所述的割草机控制装置，其特征在于，所述无刷三相电机控制装置包括控制器、逆变器和反电动势检测电路；

所述控制器的控制端与所述逆变器的受控端连接，所述逆变器的输出端与所述无刷三相电机的输入端连接，所述反电动势检测电路的采集端与所述无刷三相电机的输入端连接，所述反电动势检测电路的输出端与所述控制器的输入端连接；

所述反电动势检测电路，用于根据所述无刷三相电机的输入信号检测所述无刷三相电机的转子位置，并输出位置检测信号至所述控制器；

所述控制器，用于对所述位置检测信号进行处理，并输出控制信号至所述逆变器；

所述逆变器，用于根据所述控制信号输出预设交流电，以驱动所述无刷三相电机。

9.如权利要求8所述的割草机控制装置，其特征在于，所述反电动势检测电路包括比较器采样电路、ADC采样电路及BEMF采样电路；

所述比较器采样电路，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器；

所述ADC采样电路，用于采集在电机低速模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器；

所述BEMF采样电路，用于采集在电机正常模式下所述无刷三相电机的反电动势信号，并输出反电动势信号至所述控制器。

10.一种割草机，其特征在于，所述割草机包括如权利要求7-9任一所述的割草机控制装置。

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