CN111969905A - 单相直流永磁无刷电机控制器、控制方法和电机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种临近空间飞艇电机动力系统使用的单相直流永磁无刷电机的控制器、控制方法，所述控制器包括：位置信号采集模块、脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块和脉冲输出模块；其中，位置信号采集模块与脉冲切换模块连接，脉冲输出模块与脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块连接，脉冲输出模块包括两个定时器，两个定时器分别产生两路脉冲方波，并根据脉冲占空比调节定时器输出的脉冲方波的占空比；脉冲切换模块用于根据转子位置信息和当前的脉冲输出状态，确定是否切换脉冲输出状态。本发明的处理器通过输入输出口电平高低的电平信号来判断电机转子位置，进而控制电机的启动和运行。

Description

单相直流永磁无刷电机控制器、控制方法和电机动力系统

技术领域

本发明涉及动力推进电机控制器，具体涉及一种单相直流永磁无刷电机的控制器。

背景技术

目前，在科技的发展和国家节能减排大战略的方向指引下，电动汽车、高铁、临近空间和航空等制造业领域大量应用永磁电机动力系统，该动力系统主要包括驱动控制器和无刷永磁电机两部分，其中，无刷永磁电机主要包括无刷永磁同步电机、无刷永磁直流电机和无刷永磁直流单相电机等，而驱动控制器的控制功能和性能则在很大程度上决定移动平台的动力经济性、平稳性、制动性、安全性及可靠性等。

传统电机多为三相电机，控制技术比较成熟，均是采用励磁补偿的方式控制的。目前，直流永磁无刷电机控制器代表的基本都是三相电机及其控制系统。单相直流电机无位置传感器，由于电机有启动和运行死点，启动控制性能差，致使单相直流电机控制器难以发展。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种单相直流永磁无刷电机的控制方法和控制器，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明的第一方面，本发明公开了一种单相直流永磁无刷电机的控制器，其特征在于，包括：位置信号采集模块、脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块和脉冲输出模块；其中，

位置信号采集模块与脉冲切换模块连接，用于采集转子位置信息，所述转子位置信息包括电机转子启动位置和电机转子运行位置；

脉冲占空比计算模块与脉冲输出模块连接，用于根据给定速度得到脉冲占空比并将脉冲占空比发送给脉冲输出模块；

脉冲输出模块与脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块连接，用于将脉冲切换模块选择的脉冲方波根据脉冲占空比输出脉冲方波，脉冲输出模块包括两个定时器，两个定时器分别产生两路脉冲方波，并根据脉冲占空比调节定时器输出的脉冲方波的占空比，脉冲输出模块在脉冲切换模块的切换下，输出其中一路脉冲方波；

脉冲切换模块与位置信号采集模块、脉冲输出模块连接，用于根据转子位置信息和当前的脉冲输出状态，确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前输出的脉冲方波切换为另一路脉冲方波，否则，不切换当前输出的脉冲方波。

根据本发明的一示例实施方式，所述控制器还包括启动模块，所述启动模块与位置信号采集模块、脉冲输出模块连接，用于检测启动信号，并触发脉冲输出模块输出脉冲、启动电机，还通过监测转子位置信息判断电机是否成功启动。

根据本发明的一示例实施方式，所述位置信号采集模块包括位置可用判断模块，所述位置可用判断模块用于根据设备运行阶段和当前脉冲输出状态判断采集到的位置信号是否可用，可用则保留该位置信号。

根据本发明的一示例实施方式，所述脉冲占空比计算模块还与位置信号采集模块连接，所述脉冲占空比计算模块包括速度反馈模块、电流反馈模块、速度调节器和电流调节器；所述速度反馈模块与速度调节器连接，用于根据转子位置信息获取电机实际转速，并将电机实际转速传输给速度调节器；所述电流反馈模块与电流调节器连接，用于采集电机驱动电路的电流，并将电流传输给电流调节器；所述速度调节器用于根据给定速度和电机实际转速进行速度调节；所述电流调节器和速度调节器连接，用于根据速度调节的结果和电机驱动电路的电流进行电流调节，得到脉冲占空比。

根据本发明的一示例实施方式，所述控制器为MCU处理器。MCU(MicrocontrollerUnit)为微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

根据本发明的一示例实施方式，所述控制器为STM32F103RCT6的控制芯片。

根据本发明的第二方面，本发明公开了一种单相直流永磁无刷电机的控制方法，包括以下步骤：

循环获取当前转子位置信息和当前输出脉冲状态；

按给定速度控制电机运行，所述按给定速度控制电机运行的方法包括：获取给定速度，并根据给定速度得到脉冲占空比；根据当前转子位置信息和当前输出脉冲状态确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前脉冲输出切换为另一路脉冲输出，否则，根据脉冲占空比调节当前脉冲输出的脉冲占空比。

根据本发明的一示例实施方式，所述获取给定速度之前，先循环检测启动信号，检测到启动信号后启动电机，所述启动电机的方法包括：根据当前转子位置信息间歇触发输出脉冲，在给定时间内实时监测电机转速和旋转方向，如果转子未顺利转动或方向不正确，则重新启动电机。如果转子顺利转动且方向正确，则转入电机正常运行程序。

根据本发明的一示例实施方式，所述根据给定速度得到脉冲占空比的方法包括：根据给定速度和电机实际转速进行速度PID运算，再根据速度PID运算结果和驱动电路的电流进行电流PID运算，得出脉冲占空比。PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应心最为广泛的一种控制算法。

根据本发明的一示例实施方式，所述根据当前转子位置信息和当前脉冲输出状态确定是否切换脉冲输出状态的方法包括：如果转子位置不变，则不切换脉冲输出；如果转子位置变化，则关闭当前脉冲输出，然后激活另一路脉冲输出。

根据本发明的第三方面，本发明公开了一种单相直流永磁无刷电机动力系统，包括所述的单相直流永磁无刷电机的控制器、电机和电机驱动电路，所述电机驱动电路包括功率控制元件，所述控制器的脉冲输出模块和功率控制元件相连，控制器通过功率控制元件控制电机旋转运行。

根据本发明的第四个方面，本发明公开了一种临近空间的飞艇，包括所述单相直流永磁无刷电机动力系统。

本发明的积极效果是：

本发明的方案能够很好地为单相永磁直流电机提供控制策略，解决了长期以来单相电机存在的控制死点问题，本发明的优越性通过以下几点进行阐述：

1.本发明以MCU处理器为控制核心，实现了通过对MCU处理器的输入输出口电平高低的电平信号来判断电机转子位置，进而控制电机的启动和运行。

2.MCU处理器通过电机转子位置信号、反馈转速、给定转速和反馈电流信号进行脉冲宽度调制输出控制，使单相电机处于多个最佳工作点，随时使电机处于无差别启动、加速、巡航、停止等控制状态，有效解决了长期以来单相电机存在的控制死点的问题，克服了单相电机方波绕组对相位偏移敏感，存在方波叠加现象使能源控制失真、效率降低的问题，具有设计合理、易于实现等有益效果。

3.本发明通过MCU定时器产生脉冲方波，通过低压定时的控制高压，减少人身安全隐患。

4.本发明对脉冲宽度调制采用双闭环控制系统，电流环和速度环相结合，具有优异的速度响应和调节特性，可以调节电机的速度为高速、中速或低速，还可以进行自动巡航，使电机在不受转换影响的情况下匀速前进。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1示出本发明的控制器连接关系图。

图2示出本发明的脉冲占空比计算模块内部模块关系图。

图3示出本发明的控制方法总流程图。

图4示出本发明的电机转子位置判断流程图。

图5示出本发明的电机启动流程图。

图6示出本发明的电机运行流程图。

图7示出本发明的速度调节流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

作为本发明的第一种实施方式，本发明的目的在于公开一种单相直流永磁无刷电机的控制器，本实施例以型号为STM32F103RCT6的MCU控制器为例，如图1所示，包括：位置信号采集模块、启动模块、脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块和脉冲输出模块；其中，位置信号采集模块与脉冲切换模块、启动模块、脉冲占空比计算模块连接，脉冲输出模块与启动模块、脉冲占空比计算模块连接。

位置信号采集模块从霍尔元件中采集转子位置信息，并通过MCU信号中断并进行干扰复查进行判断，转子位置信息包括电机转子启动位置和电机转子运行位置，位置信号采集模块采集口有两个，分别为PB0口和PB1口，PB0口采集电机转子启动位置信号，PB1口采集电机转子运行位置信号，PB0口和PB1口接收的信号为高低电平1和0。位置信号采集模块还包括位置可用判断模块，位置可用判断模块在采集到转子位置信息后，根据设备运行阶段和当前脉冲输出状态判断采集到的位置信号是否可用，可用则保留该位置信号。

启动模块用于检测启动信号，并触发脉冲输出模块的输出脉冲，从而启动电机，通过监测转子位置信息，判断电机是否顺利转动且方向正确，如果电机顺利转动且方向正确，则成功启动电机。

脉冲占空比计算模块用于根据给定速度得到脉冲占空比并将脉冲占空比发送给脉冲输出模块。如图2所示，脉冲占空比计算模块包括：速度反馈模块、电流反馈模块、速度调节器和电流调节器；速度反馈模块与速度调节器连接，电流调节器与电流反馈模块、速度调节器连接。速度反馈模块用于根据转子位置信息获取电机实际转速，并将电机实际转速传输给速度调节器。速度调节器用于根据给定速度和电机实际转速进行速度调节。电流反馈模块用于采集电机驱动电路的电流，并将电流传输给电流调节器。电流调节器根据速度调节的结果和电机驱动电路的电流进行电流调节，得到脉冲占空比。

脉冲输出模块用于输出脉冲方波，脉冲输出模块包括两个定时器，分别为TIM3和TIM4，两个定时器分别产生两路脉冲方波，并根据脉冲占空比调节定时器输出的脉冲方波的占空比。脉冲输出模块在脉冲切换模块的切换下，输出其中一路脉冲方波。

脉冲切换模块根据转子位置信息和当前的脉冲输出状态，确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前输出的脉冲方波切换为另一路脉冲方波，否则，不切换当前输出的脉冲方波。

通过上述控制器对电机进行控制，如图3所示，采用如下控制方法：

开启控制器，对控制器的I/O口、时钟、定时器等初始化，控制器开启后，循环获取当前转子位置信息和当前输出脉冲状态；

检测到启动信号后，启动电机；

按给定转速运行，按给定转速运行的方法包括：获取给定速度，并根据给定速度得到脉冲占空比；根据当前转子位置信息和当前输出脉冲状态确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前脉冲输出切换为另一路脉冲输出，否则，根据脉冲占空比调节当前脉冲输出的脉冲占空比。

获取当前转子位置信息的方法如下：如图4所示，通过外部霍尔元件读取转子的位置信息，PB0中断表示采集转子的启动位置，PB1口中断表示采集转子的启动位置，然后根据判断设备运行阶段判断信号是否可用，再根据当前脉冲输出状态判断当前采集信号是否可用，可用则表示信号正常，输出位置信号，如果不可用，则不输出位置信号。设备运行阶段包括启动阶段和运行阶段。

启动电机的方法包括：如图5所示，检测到启动信号之后根据当前转子位置信息间歇触发启动命令，输出脉冲让电机转动，在给定时间内实时监测电机转速和旋转方向，如果转子未顺利转动或方向不正确，则启动不成功，重新启动电机；如果转子顺利转动且方向正确，则启动成功，电机启动阶段结束，切换运行状态，转入电机正常运行程序，电机进入运行阶段。

按给定转速运行的方法包括：如图6和图7所示，通过采集转子的位置得到电机实际转速，即为图7中的速度n，以电机实际转速对速度调节器进行速度反馈，速度调节器将给定速度和电机实际转速进行速度PID运算，电流调节器再根据速度PID运算结果和驱动电路的电流进行电流PID运算，得出脉冲占空比，图7中PWM是脉宽调制的意思；转子位置的电平为1时，由TIM4脉冲输出，若转子位置变化，则关闭TIM4脉冲输出，激活TIM3脉冲输出，若转子位置无变化，则将脉冲占空比传输至TIM4调节输出占空比；转子位置的电平为0时，由TIM3脉冲输出，若转子位置变化，则关闭TIM3脉冲输出，激活TIM4脉冲输出，若转子位置无变化，则将脉冲占空比传输至TIM3调节输出占空比。本实施例以MCU处理器为控制核心，实现了通过对MCU处理器的输入输出口电平高低的电平信号来判断电机转子位置，进而控制电机的启动和运行；通过MCU定时器产生脉冲方波，通过低压定时的控制高压，减少人身安全隐患；MCU处理器还通过电机转子位置信号、反馈转速、给定转速和反馈电流信号进行脉冲宽度调制输出控制，防止方波叠加，克服单相电机的死点问题。

作为本发明的第二种实施方式，本发明的目的在于公开一种单相直流永磁无刷电机动力系统，包括第一种实施方式的单相直流永磁无刷电机的控制器、电机和电机驱动电路，电机驱动电路包括功率控制元件，控制器的脉冲输出模块和功率控制元件相连，控制器通过功率控制元件控制电机旋转运行。

作为本发明的第三种实施方式，本发明的目的在于公开一种临近空间的飞艇，包括第二种实施方式的单相直流永磁无刷电机动力系统。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种单相直流永磁无刷电机的控制器，其特征在于，包括：位置信号采集模块、脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块和脉冲输出模块；其中，

位置信号采集模块与脉冲切换模块连接，用于采集转子位置信息，所述转子位置信息包括电机转子启动位置和电机转子运行位置；

脉冲占空比计算模块与脉冲输出模块连接，用于根据给定速度得到脉冲占空比并将脉冲占空比发送给脉冲输出模块；

脉冲输出模块与脉冲占空比计算模块、脉冲切换模块连接，用于输出脉冲方波，脉冲输出模块包括两个定时器，两个定时器分别产生两路脉冲方波，并根据脉冲占空比调节定时器输出的脉冲方波的占空比，脉冲输出模块在脉冲切换模块的切换下，输出其中一路脉冲方波；

脉冲切换模块与位置信号采集模块、脉冲输出模块连接，用于根据转子位置信息和当前的脉冲输出状态确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前输出的脉冲方波切换为另一路脉冲方波，否则，不切换当前输出的脉冲方波。

2.根据权利要求1所述的单相直流永磁无刷电机的控制器，其特征在于，所述控制器还包括启动模块，所述启动模块与位置信号采集模块、脉冲输出模块连接，用于检测启动信号，并触发脉冲输出模块输出脉冲、启动电机，还通过监测转子位置信息判断电机是否成功启动。

3.根据权利要求1所述的单相直流永磁无刷电机的控制器，其特征在于，所述位置信号采集模块包括位置可用判断模块，所述位置可用判断模块用于根据设备运行阶段和当前脉冲输出状态判断采集到的位置信号是否可用，可用则保留该位置信号。

4.根据权利要求1所述的单相直流永磁无刷电机的控制器，其特征在于，所述脉冲占空比计算模块还与位置信号采集模块连接，所述脉冲占空比计算模块包括速度反馈模块、电流反馈模块、速度调节器和电流调节器；所述速度反馈模块与速度调节器连接，用于根据转子位置信息获取电机实际转速，并将电机实际转速传输给速度调节器；所述电流反馈模块与电流调节器连接，用于采集电机驱动电路的电流，并将电流传输给电流调节器；所述速度调节器用于根据给定速度和电机实际转速进行速度调节；所述电流调节器与速度调节器连接，用于根据速度调节的结果和电机驱动电路的电流进行电流调节，得到脉冲占空比。

5.一种单相直流永磁无刷电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

循环获取当前转子位置信息和当前输出脉冲状态；

按给定速度控制电机运行，所述按给定速度控制电机运行的方法包括：获取给定速度，并根据给定速度得到脉冲占空比；根据当前转子位置信息和当前输出脉冲状态确定是否切换脉冲输出状态，如果是，则将当前脉冲输出切换为另一路脉冲输出，否则，根据脉冲占空比调节当前脉冲输出的脉冲占空比。

6.根据权利要求5所述的单相直流永磁无刷电机的控制方法，其特征在于，所述获取给定速度之前，先循环检测启动信号，检测到启动信号后启动电机，所述启动电机的方法包括：根据当前转子位置信息间歇触发输出脉冲，在给定时间内实时监测电机转速和旋转方向，如果转子未顺利转动或方向不正确，则重新启动电机。

7.根据权利要求5所述的单相直流永磁无刷电机的控制方法，其特征在于，所述根据给定速度得到脉冲占空比的方法包括：根据给定速度和电机实际转速进行速度PID运算，再根据速度PID运算结果和驱动电路的电流进行电流PID运算，得出脉冲占空比。

8.根据权利要求5所述的单相直流永磁无刷电机的控制方法，其特征在于，所述根据当前转子位置信息和当前输出脉冲状态确定是否切换脉冲输出状态的方法包括：如果转子位置不变，则不切换脉冲输出；如果转子位置变化，则关闭当前脉冲输出，然后激活另一路脉冲输出。

9.一种单相直流永磁无刷电机动力系统，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的单相直流永磁无刷电机的控制器、电机和电机驱动电路，所述电机驱动电路包括功率控制元件，所述控制器的脉冲输出模块和功率控制元件相连，控制器通过功率控制元件控制电机旋转运行。

10.一种临近空间的飞艇，其特征在于，包括：权利要求9所述的单相直流永磁无刷电机动力系统。

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