CN111600516B - 一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法 - Google Patents

一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法，包括：脉宽反馈模块对脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，发送至处理模块；相位反馈模块对相位信号滤波，得到相位输入信号，发送至处理模块；位置反馈模块对位置信号滤波，得到位置输入信号，发送至处理模块；处理模块分别确定接收到的脉宽输入信号和相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块；控制模块，用于根据有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动。本申请能够根据电机的不同，获取不同的输入信号，兼容有刷和无刷电机，准确识别电机位置。

Description

一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法
技术领域
本申请涉及直流电机驱动控制领域，尤其涉及一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法。
背景技术
目前，汽车领域中几乎所有采用电机驱动的控制系统都是电机和位置探测分离设计，例如在执行机构上面加一个独立的霍尔角度传感器。或者在换挡电机中集成霍尔芯片输出固定占空比的方波。这种方案由于机构间隙导致位置反馈不精准，并且无法兼容有刷和无刷电机。
因此，需要提供一种能准确识别电机位置，还能够兼容有刷和无刷电机，并且驱动控制简单的驱动控制系统、汽车和控制方法。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种用于电机的驱动控制系统、汽车和控制方法。
一方面，本申请提出一种用于电机的驱动控制系统，包括：脉宽反馈模块、相位反馈模块、位置反馈模块、处理模块和控制模块；
所述脉宽反馈模块，用于对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，发送至处理模块；
所述相位反馈模块，用于对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，发送至处理模块；
所述位置反馈模块，用于对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号，发送至处理模块；
所述处理模块，用于分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块；
所述控制模块，用于根据所述有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动。
优选地，所述处理模块具体用于，
根据所述脉宽输入信号的波形确定初始角度；根据所述初始角度确定脉宽绝对角度；根据所述相位输入信号确定相位绝对角度；使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块；
或根据所述位置输入信号，确定绝对位置；对绝对位置与位置异常阈值进行校验，若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块。
优选地，所述处理模块还用于，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，或绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
优选地，所述脉宽输入信号的波形为方波。
优选地，所述初始角度的波形包括锯齿波。
优选地，所述相位输入信号为数字信号。
第二方面，本申请提出一种汽车，包括：上述的系统和电机；
所述电机包括脉宽信号反馈接口和霍尔信号反馈接口。
第三方面，本申请提出一种用于电机的驱动控制方法，包括：
对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，或对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号；
分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比；
根据所述有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动。
优选地，所述分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，包括：
根据所述脉宽输入信号的波形确定初始角度；
根据所述初始角度确定脉宽绝对角度；
根据所述相位输入信号确定相位绝对角度；
使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，则将标定占空比发送至控制模块。
优选地，所述根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，包括：
根据所述位置输入信号，确定绝对位置；
对绝对位置与位置异常阈值进行校验；
若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比；
若绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
本申请的优点在于：通过脉宽反馈模块、相位反馈模块和位置反馈模块，能够根据电机的不同，获取不同的输入信号，兼容有刷和无刷电机；处理模块能够根据接收到的输入信号，确定无刷直流电机或有刷直流电机的占空比，发送至控制模块，驱动控制简单；通过确定绝对角度或绝对位置，进行校验，确定占空比，能准确识别电机位置。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的示意图；
图2是本申请提供的另一种用于电机的驱动控制系统的示意图；
图3是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的相位信号示意图；
图4是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的不同占空比的脉宽反馈原理示意图；
图5(a)是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的脉宽输入信号的波形示意图；
图5(b)是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的初始角度的波形示意图；
图5(c)是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的脉宽绝对角度的波形示意图；
图6是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的流程示意图；
图7是本申请提供的一种电机的接口示意图；
图8是本申请提供的一种用于电机的驱动控制方法示意图；
图9是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的脉宽反馈模块的电路图；
图10是本申请提供的一种用电机的驱动控制系统的相位反馈模块的电路图；
图11是本申请提供的一种用于电机的驱动控制系统的位置反馈模块的电路图。
附图标记说明
GND系统参考接地端 EGND电气接地端
PULSE脉宽信号 PULSE DI数字脉宽信号
HA相位信号 HA_DI数字相位信号
A1位置信号 A1 AI位置输入信号
U处理单元 A处理单元输入端
VCC处理单元的电源端 Y处理单元的输出端
Q1三极管 V5D 5V电源端
R1第一电阻 R2第二电阻
R3第三电阻 R4第四电阻
R5第五电阻 C1第一电容
C2第二电容 C3第三电容
C4第四电容 C5第五电容
C6第六电容 D1第一二极管
D2第二二极管 D3第三二极管
D4第四二极管
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
第一方面，根据本申请的实施方式，提出一种用于电机的驱动控制系统，如图1所示，包括：脉宽(PWM)反馈模块、相位反馈模块、位置反馈模块、处理模块和控制模块；
脉宽反馈模块101，用于对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，发送至处理模块；
相位反馈模块102，用于对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，发送至处理模块；
位置反馈模块103，用于对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号，发送至处理模块；
处理模块104，用于分别确定接收到的脉宽输入信号和相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块；
控制模块105，用于根据有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动。
如图2所示，处理模块具体用于，根据脉宽输入信号的波形确定初始角度；根据初始角度确定脉宽绝对角度；根据相位输入信号确定相位绝对角度；使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块；或根据位置输入信号，确定绝对位置；对绝对位置与位置异常阈值进行校验，若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块。
处理模块还用于，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，或绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
脉宽输入信号的波形为方波。
初始角度的波形包括锯齿波。
相位输入信号为数字信号。
下面，对本申请实施方式进行进一步说明。
如图3所示，为输入至相位反馈模块的相位信号，此相位信号为无刷直流电机的UVW相位反馈。无刷电机通常具有三路霍尔信号H1、H2、H3。H1、H2、H3的高低状态，可以最多组合成8种不同的状态，分别对应无刷电机的UVW的状态。UVW状态每改变一次，每个状态的对应电机的机械角度都是固定的。如图2所示，每个状态机械角度为15度。这样，通过记录状态切换的次数，可以识别电机的旋转角度；通过识别状态的变化方式，能识别电机的旋转方向。
如图4所示，为不同占空比的脉宽反馈原理示意图。用T_high/T或者T_low/T得到的数值均可表示电机的绝对位置。比如0％对应0度，99.9％对应359度，具体精度可以通过电路设计和软件参数标定进行调整。图中的T_high/T和T_low/T均为50％。因为电机的旋转运动是周期运动，以电机朝一个方向转动为例，当电机从359度转动到360度后，相当于电机的绝对位置又恢复成了0度，电机位置的PWM信号也置零，电机继续旋转，由此，电机位置的PWM信号也是周期性的。
图5(a)所示，为脉宽输入信号的波形示意图。如图6所示，处理模块根据脉宽输入信号的波形确定初始角度。初始角度的波形图如图5(b)所示，为锯齿波。波谷至波峰表示0度至360度的区间。但是由于采样周期的限制，波谷可能不为0度，而是接近0度的数值，波峰同理，包括接近360度的数值。为了得到无刷直流电机的累计旋转角度，需要对周期性的PWM信号进行进一步的处理。锯齿波形计算累计位置的方法为：累计旋转角度＝当前角度-初始角度+圈数×360。例如：电机初始位置为10°，现在的位置为50°，电机旋转了+2圈，则电机旋转的累计角度(绝对角度)为50-10+2×360＝760度。圈数的计算非常重要，本申请的实施方式通过识别脉宽输入信号的占空比的突变以及突变方向来确定旋转圈数。
之后，再根据初始角度确定脉宽绝对角度。脉宽绝对角度的波形图如图5(c)所示。以当前的下降斜线为正转为例，当电机反转时，斜线开始上升。
在处理脉宽输入信号的同时，处理模块根据相位输入信号确定相位绝对角度。使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块。
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，则将标定占空比发送至控制模块。
对于有刷直流电机，只使用相位信号。相位反馈模块对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，发送至处理模块。其中相位输入信号一般为角度数据，跟相位输入信号直接确定绝对位置。对于有刷直流电机，虽然只使用相位信号，但是根据其转速可以确定单位时间内的角度变化的阈值范围，在此范围外的为位置异常阈值，通过对绝对位置与位置异常阈值进行校验，若绝对位置无异常，即绝对位置不在位置异常阈值的范围内，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块。
若绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
本申请的实施方式既能准确识别电机绝对位置，又能兼容有刷和无刷电机驱动，兼容位置探测功能，使对电机的控制变得更加方便。
第二方面，根据本申请的实施方式，还提出一种汽车，包括：上述的用于电机的驱动控制系统和电机；
如图7所示，电机包括脉宽信号(PWM)反馈接口和霍尔信号反馈接口。
其中，霍尔信号反馈接口包括：接口H1、接口H2和接口H3。接口U、接口V和接口W用于与控制模块相连。
本申请的实施方式中，电机还包括+5V的电源接口和接地接口。
第三方面，根据本申请的实施方式，还提出一种用于电机的驱动控制方法，如图8所示，包括：
S101，脉宽反馈模块对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，相位反馈模块对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，或位置反馈模块对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号；
S102，处理模块分别确定接收到的脉宽输入信号和相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比；
S103，控制模块根据有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动。
分别确定接收到的脉宽输入信号和相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，包括：
根据脉宽输入信号的波形确定初始角度；
根据初始角度确定脉宽绝对角度；
根据相位输入信号确定相位绝对角度；
使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，则将标定占空比发送至控制模块。
根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，包括：
根据位置输入信号，确定绝对位置；
对绝对位置与位置异常阈值进行校验；
若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比；
若绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
如图9所示，为脉宽反馈模块，包括：处理单元、三极管、第一电阻、第一电容和第二电容。处理单元的输入端与第一电阻的一端以及三极管的集电极相连，处理单元的电源端与第一电容的一端相连，处理单元的输出端与处理器相连。第一电阻的另一端与处理单元的电源端相连。三极管的基极分别与电机的脉冲反馈接口以及第二电容的一端相连。第二电容的另一端接地。处理单元的接地端接地。
如图10所示，为相位反馈模块，包括：第一二极管、第二二极管、第三电容、第四电容、第二电阻和第三电阻。第一二极管的阴极与处理器、第三电容、第二电阻、第三电阻以及第二二极管的阳极相连，第一二极管的阳极、第二电阻的另一端以及第三电容的另一端均接地。第二二极管的阴极接电源端。第三电阻的另一端与第四电容以及电机的霍尔反馈接口相连。第四电容的另一端接地。
如图11所示，为位置反馈模块，包括：第四电阻、第五电阻、第五电容、第六电容、第三二极管和第四二极管。第四电阻分别与第五电阻、第五电容以及电机的接插件接口相连，第四电阻的另一端接电源端。第五电容的另一端接地。第五电阻的另一端分别与第六电容、处理器、第三二极管的阴极以及第四二极管的阳极相连。第六电容的另一端接地。第三二极管的阴极接电源端，第四二极管的阳极接地。
其中，地包括：系统参考地和屏蔽参考地。电源端输出5V电压。
本申请的系统中，通过脉宽反馈模块、相位反馈模块和位置反馈模块，能够根据电机的不同，获取不同的输入信号，兼容有刷和无刷电机；处理模块能够根据接收到的输入信号，确定无刷直流电机或有刷直流电机的占空比，发送至控制模块，驱动控制简单；通过确定绝对角度或绝对位置，进行校验，确定占空比，能准确识别电机位置。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于电机的驱动控制系统，其特征在于，包括：脉宽反馈模块、相位反馈模块、位置反馈模块、处理模块和控制模块；
所述脉宽反馈模块，用于对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，发送至处理模块；
所述相位反馈模块，用于对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号，发送至处理模块；
所述位置反馈模块，用于对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号，发送至处理模块；
所述处理模块，用于分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块，或根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块；
所述控制模块，用于根据所述有刷直流电机的占空比或无刷直流电机的占空比控制电机转动；
所述处理模块具体用于，
根据所述脉宽输入信号的波形确定初始角度；根据所述初始角度确定脉宽绝对角度；根据所述相位输入信号确定相位绝对角度；使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比，发送至控制模块；
或根据所述位置输入信号，确定绝对位置；对绝对位置与位置异常阈值进行校验，若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比，发送至控制模块。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块还用于，若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，或绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉宽输入信号的波形为方波。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述初始角度的波形包括锯齿波。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相位输入信号为数字信号。
6.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的系统和电机；
所述电机包括脉宽信号反馈接口和霍尔信号反馈接口。
7.一种用于电机的驱动控制方法，用于兼容有刷直流电机和无刷直流电机，其特征在于，在所述电机为有刷直流电机的情况下，所述方法包括：
对接收到的位置信号滤波，得到位置输入信号；
根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比；
根据所述有刷直流电机的占空比控制电机转动；
在所述电机为无刷直流电机的情况下，所述方法包括：
对接收到的脉宽信号滤波，得到脉宽输入信号，对接收到的相位信号滤波，得到相位输入信号；
分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比；
根据所述无刷直流电机的占空比控制电机转动；
所述分别确定接收到的所述脉宽输入信号和所述相位输入信号的绝对角度，校验后确定无刷直流电机的占空比，包括：
根据所述脉宽输入信号的波形确定初始角度；
根据所述初始角度确定脉宽绝对角度；
根据所述相位输入信号确定相位绝对角度；
使用脉宽绝对角度和相位绝对角度进行相互校验；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差在阈值范围内，则根据脉宽绝对角度和电机目标位置，使用PID运算，确定无刷直流电机的占空比；
若脉宽绝对角度和相位绝对角度之差不在阈值范围内，则将标定占空比发送至控制模块。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据接收到的位置输入信号，确定绝对位置，校验后确定有刷直流电机的占空比，包括：
根据所述位置输入信号，确定绝对位置；
对绝对位置与位置异常阈值进行校验；
若绝对位置无异常，则根据绝对位置和电机目标位置，使用PID运算，确定有刷直流电机的占空比；
若绝对位置有异常，则将标定占空比发送至控制模块。
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