CN112310942B - 控制方法及电动泵 - Google Patents

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Abstract

一种控制方法以及包括该控制方法的电动泵，电动泵包括电机，该控制方法采集电机在启动阶段的实时线圈电流值和实时转速值，对采集到的实时线圈电流值和实时转速值拟合直线，计算出电机关于转速和线圈电流拟合直线的斜率值，并与预设的干转斜率值进行比较，判断电动泵是否干转，进而控制电动泵正常运行或停止转动，由于通过斜率值进行比较，这样本发明能够对转速可调的电动泵在启动阶段进行干转检测，有利于提高电动泵的使用寿命。

Description

控制方法及电动泵
【技术领域】
本发明涉及电机控制技术领域，更具体涉及一种控制方法及电动泵。
【背景技术】
电动泵在工作时，如果长期处于干转状态，可能会导致泵轴的磨损，从而降低电动泵的使用寿命，因此需对电动泵进行干转检测，发明人已知有通过采集电动泵稳定运行时的工作电流，与该电动泵稳定运行时的干转电流进行比较，判断电动泵是否处于干转状态的方法，但该方法仅适用于电动泵为恒定转速的情况且需在电动泵运行到恒定转速后才能进行干转检测，无法适用于转速可调的电动泵，这样，有必要提出一种控制方法，对转速可调的电动泵在启动阶段就进行干转检测，进而对电动泵进行控制，有利于提高电动泵的使用寿命。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种控制方法以及包括该控制方法的电动泵，能够对转速可调的电动泵在启动阶段进行干转检测，有利于提高电动泵的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种控制方法，所述控制方法能够在电动泵启动阶段检测电机干转，所述控制方法能够控制所述电动泵，所述控制方法包括以下步骤：
采集所述电机在所述启动阶段的实时线圈电流值和实时转速值，记录采集次数；
以所述实时转速值为横坐标，所述实时线圈电流值为纵坐标，计算通过所述实时线圈电流值和所述实时转速值拟合直线的斜率值；
比较所述斜率值与预设的干转斜率值，如果所述斜率值小于或等于所述预设的干转斜率值，判定所述电机干转，控制所述电机停止转动。
一种电动泵，包括控制板和电机，所述控制板集成有微控制单元、驱动模块、采集模块，所述微控制单元通过所述驱动模块和所述采集模块与所述电机电连接和/或信号连接，所述微控制单元预设有控制方法，所述控制方法为以上所述的控制方法，所述控制方法对所述电机进行干转检测，控制所述电机按照预设程序运行或停止转动。
本发明提供了一种控制方法以及包括该控制方法的电动泵，电动泵包括电机，该控制方法采集电机在启动阶段的实时线圈电流值和实时转速值，对采集到的实时线圈电流值和实时转速值拟合直线，计算出电机关于转速和线圈电流拟合直线的斜率值，并与预设的干转斜率值进行比较，判断电动泵是否干转，进而控制电动泵按预设程序运行或停止转动，由于通过斜率值进行比较，这样本发明能够对转速可调的电动泵进行干转检测，有利于提高电动泵的使用寿命。
【附图说明】
图1是电动泵中微控制单元、驱动模块、采集模块及电机的一个实施例的连接示意框图；
图2是图1的采集模块中电流采集转换电路的连接示意图；
图3是控制方法的第一种实施方式的控制流程图；
图4是图3中计算电机干转斜率值的控制流程图；
图5是控制方法的第一种实施方式中最小二乘法直线拟合示意图；
图6是控制方法的第二种实施方式的控制流程图；
图7是图6中计算电机干转斜率值的控制流程图；
图8是控制方法的第二种实施方式中最小二乘法直线拟合示意图；
图9是控制方法的第三种实施方式的控制流程图；
图10是图9中计算电机干转斜率值的控制流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
参见图1为本发明的一个实施例，电动泵能够应用于汽车领域，电动泵包括控制板，控制板集成有微控制单元10、驱动模块20、采集模块30，电动泵还包括电机40，在本实施例中电机40可以为直流无刷电机。微控制单元10包括通信模块11、控制模块12、PWM模块13、ADC模块14以及I/O模块15，通信模块11用于和上位机(如ECU)进行通讯，通信模块11接收上位机的控制指令(如电机目标转速)后发送给控制模块12，控制模块12根据上位机设定的目标转速，控制PWM模块13输出相应的脉冲信号给驱动模块20，驱动模块20驱动电机40运行，具体地，驱动模块20可以包括驱动器21和三相桥电路22，PWM模块13输出的脉冲信号经驱动器21放大后与三相桥电路22电连接，具体地与三相桥电路22中的各晶体开关管(例如MOS管)电连接，从而控制电机40的线圈通电，产生激励磁场，驱动电机40以目标转速运行，当然作为其他实施方式，只要PWM模块13输出的脉冲信号足以驱动三相桥电路22中的晶体开关管，驱动模块20可以不包括驱动器21。另外，需要说明的是，控制模块12根据设定的目标转速的不同，可以通过控制调整PWM模块13输出脉冲信号的有效占空比，其中脉冲信号的载波频率为固定值，来达到实现电机调速的目的，使电机可以在不同的目标转速下(不超过额定转速)运行。
采集模块30能够采集电机40的线圈电流和检测电机40的转速，具体地，采集模块30包括电流采集转换电路31和霍尔传感器32，电流采集转换电路31用于采集电机40的线圈电流，霍尔传感器32用于检测电机40的转速。
参见图2，电流采集转换电路31包括采样电阻Rs、运放器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第一电容C1，采样电阻Rs的一端与电机40的线圈和第一电阻R1的一端连接，采样电阻Rs的另一端接地，第一电阻R1的另一端与第一电容C1的一端和运放器U1的正输入端连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的一端与运放器U1的输出端连接，第二电阻R2的另一端与运放器U1的负输入端和第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端接地，电源VCC给运放器U1供电。
电机40的线圈电流自IN端口输入，经采样电阻Rs转换为电压信号，电压信号经由第一电阻R1和第一电容C1组成的第一滤波电路进行低通滤波后，经运放器U1放大处理后通过OUT端口输送给ADC模块14，设置第一滤波电路有利于消除电压信号因外界环境产生的高频干扰和噪声，提高电压信号的准确性；设置运放器U1可以把微弱的电压信号进行放大，其中第二电阻R2和第三电阻R3组成电压串联负反馈支路，与运放器U1构成同相比例运放电路，可通过调节第二电阻R2和第三电阻R3的阻值改变运放器U1的放大倍数θ，θ＝(R2+R3)/R3，即对经由第一滤波电路滤波后的电压信号进行θ倍的放大。在本实施例的电流采集转化电路31中，经运放器U1放大后的电压信号在输送给ADC模块14之前还进行了第二滤波电路的滤波处理，第二滤波电路包括第四电阻R4以及第二电容C2，第四电阻R4的一端与运放器U1的输出端和第二电阻R2的一端连接，第四电阻R4的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端接地，设置第二滤波电路用来对放大后的电压信号进行进一步的滤波处理，消除信号耦合干扰，进一步提高电压信号准确性。
参见图1，经放大滤波处理后的电压信号输送给ADC模块14，ADC模块14将模拟的电压信号转变为数字信号并传输给控制模块12，控制模块12内部设有存储单元(未图示)和运算处理单元(未图示)，运算处理单元用于对接收到的信号进行运算处理，存储单元用于存储相关参数，例如电压信号经ADC模块14模数转换后变换为相应的数字信号传输给运算处理单元，运算处理单元对数字信号经过运算处理后得到电机40的线圈电流的电流值，并可将该电流值存储到存储单元。
霍尔传感器32用于检测电机40的转速，在本实施例中，霍尔传感器32在电机40旋转过程中会产生相应的脉冲信号，霍尔传感器32与I/O模块15信号连接，I/O模块15可设置有中断功能，具体地，可以设置当霍尔传感器32的信号从低电平变为高电平时，I/O模块15触发一次中断，利用微控制单元10内部定时器(未图示)记录发生两次中断之间的时间，结合发生两次中断之间的时间内电机40转过的角度，通过运算处理单元进行相应计算后得到电机40的转速值，并可将该转速值存储到存储单元。
一种控制方法，该控制方法能够在电动泵启动阶段检测电机40是否处于干转状态，进而控制电动泵动作，定义电动泵启动阶段为电机40从转速为零到电机40达到目标转速的阶段，参见图3，为第一种实施方式的控制流程图，控制方法包括如下步骤：
电动泵启动，设定电机40的目标转速；
从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前线圈电流值和当前转速值，需要说明的是采集的间隔时长可以为由控制程序预先设定，当然作为其他实施方式，也可以同设定目标转速一样通过上位机对采集的间隔时长进行设定，并将采集到的当前线圈电流值和当前转速值存储到控制模块12内部的存储单元，同时判断电机40的当前转速值与目标转速的差值是否在预定范围内，这是由于电机在实际运行中，受运行工况的影响，电机可能无法保持在目标转速运行，即电机在以目标转速运行时转速会在目标转速附近上下小幅波动，因此定义当采集的当前转速值与目标转速的差值在预定范围内即为达到目标转速；如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值的步骤，同时每进行一次上述步骤，微控制单元10内部的计数器记录的采集次数i加1；如果是，利用控制模块12内部的运算处理单元对存储在存储单元的实时电流值和实时转速值数组(Xi,Yi),i＝1,2...,n，通过最小二乘法进行直线拟合，利用最小二乘法计算出电机40在启动阶段的斜率值k1；定义Xi为电机40的实时转速值，Yi为与某一实时转速值相对应的线圈电流值，n为总共采集的次数。需要说明的是，对于得到的一系列数组(Xi,Yi),i＝1,2...,n，可利用最小二乘法进行直线拟合，得到X和Y之间的函数关系Y＝kX+a，式中k代表斜率，a代表截距，在用最小二乘法计算斜率时，要求Yi的偏差的加权平方和为最小，对于等精度采集的数组的直线拟合来说，可以通过公式
Figure GDA0002729276650000061
来求得斜率k值。
计算出斜率值k1后，可以通过设置控制程序对计数器进行清零处理以便下次电动泵重新启动进行干转检测时计数的准确，当然作为其他实施方式，也可以在电动泵停止转动或重新启动时设置控制程序使计数器自动清零；
判断斜率值k1是否大于预设的电机40干转时的干转斜率值k0，如果是，说明电机40处于正常工作状态，微控制单元10控制电动泵以设定的目标转速正常运行；如果否，说明电机40处于干转状态，微控制单元10控制电动泵停止转动。
电机40的干转斜率值k0的计算方法参见图4，需要说明的是，不同型号或规格的电机由于其设计和结构的不同，其计算出来的干转斜率值k0有所不同，对于同一电机，其计算出的干转斜率值k0应为固定值，具体地计算方法包括如下步骤：
电动泵空载启动，设定额定转速，使电机40以额定转速运行；
从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前线圈电流值和当前转速值，存储到控制模块12内部的存储单元，同时判断电机40的当前转速值与额定转速的差值是否在预定范围内，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流和当前转速值的步骤，计数器记录的采集次数i加1；如果是，运算处理单元对存储的数组通过最小二乘法计算出电机40在空载状态下的斜率值，即干转斜率值k0，并作为预设值写入干转检测的控制程序中。
参见图5，由于电机40在某一相同转速下，随着负载(不超过额定负载)的变大，线圈电流值也随之变大，即可以通过比较电动泵在启动阶段时电机40的斜率值k1与电机40空载时的干转斜率值k0来判断电机40是否处于干转状态。
由于电机40在转速较低时流过线圈的电流值较小，受电流采集转换电路31的采集精度与分辨率限制，可能导致在低转速情况下采集的线圈电流值不准确，当设定的目标转速较低的情况下，可能影响对电机40是否处于干转状态判断的准确性，因此，参见图6，为第二种实施方式的控制流程图，控制方法包括如下步骤：
电动泵启动，设定电机40的目标转速；
控制电机40先以额定转速运行，不以设定的目标转速运行，从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前转速值；
判断电机40的当前转速值是否大于1/2的额定转速，或者说额定转速的一半，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前转速值步骤，此时对采集的转速值不存储到控制模块12内部的存储单元，这样有利于节约存储空间；
如果是，开始以间隔设定时长采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值，存储到控制模块12内部的存储单元，同时判断电机40的当前转速值与额定转速的差值是否在预定范围内，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值的步骤，同时每进行一次上述步骤，计数器记录的采集次数i加1；如果是，运算处理单元对存储的数组通过最小二乘法计算出电机40运行到额定转速情况下的斜率值k1'，并对计数器进行清零处理；
判断斜率值k1'是否大于预设的干转斜率值k0'，如果是，说明电动泵处于正常工作状态，微控制单元10控制电机40以设定的目标转速运行；如果否，说明电动泵处于干转状态，微控制单元10控制电机40停止转动。
在第二种实施方式中，干转斜率值k0'的计算方法参见图7，电动泵空载启动，设定额定转速，使电机40以额定转速运行；
从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前转速值；判断电机40的当前转速值是否大于1/2的额定转速，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前转速值步骤，此时对采集的转速值不作存储处理；
如果是，开始以间隔设定时长采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值，存储到存储单元，同时判断电机40的当前转速与额定转速的差值是否在预定范围内，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值的步骤，同时每进行一次上述步骤，计数器记录的采集次数i加1；如果是，运算处理单元对存储的数组通过最小二乘法计算出电机40的空载状态下的斜率值，即干转斜率值k0'，并作为预设值写入控制程序中。
参见图8，在第二种实施方式中，默认电机先以额定转速运行，当电机当前转速大于1/2额定转速时再采集电机的实时线圈电流值和实时转速值，这样能够保证采集的实时线圈电流值相对准确，同时由于本发明的技术方案是通过比较斜率值来判断是否处于干转状态，对于直线方程来说，其斜率应为固定值，即使设定有目标转速，也可以通过运行到额定转速来判断电机40是否处于干转状态。
第二种实施方式的控制方法相比于第一种实施方式的控制方法，有利于提高电机40干转判断的准确性，但第二种实施方式的控制方法由于在电动泵启动时，默认电机40先以额定转速运行，当电机当前转速大于1/2额定转速时再采集电机的实时线圈电流值和实时转速值，并当采集到的电机40的当前转速与额定转速的差值在预定范围内后才进行是否干转判断，当判断电机处于正常运行状态后再根据设定的目标转速，控制电机以目标转速运行，这样，延长了电动泵需要按目标转速运行的时间，即延长了电动泵启动阶段时间，因此，参见图9，为第三种实施方式的控制流程图，控制方法包括如下步骤：
电动泵启动，设定电机40的目标转速；
控制电机40先以额定转速运行，从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前转速值；
判断电机40的当前转速值是否大于1/2的额定转速，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前转速值步骤，此时对采集的转速值不作存储处理；
如果是，开始以间隔设定时长采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值，存储到控制模块12内部的存储单元，同时计数器记录一次采集的次数i，并判断i值是否等于预设采集次数值N，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值的步骤，计数器记录的采集次数i加1；如果是，运算处理单元对存储的数组通过最小二乘法计算出电机40的斜率值k1”，并对计数器进行清零处理；
判断斜率值k1”是否大于预设的干转斜率值k0”，如果是，说明电动泵处于正常工作状态，微控制单元10控制电机40以设定的目标转速运行；如果否，说明电动泵处于干转状态，微控制单元10控制电机40停止转动。
在本实施例中，间隔设定时长可以为50ms，预设的采集次数值N可以为12，即表示采集的数组(Xi,Yi),i＝1,2...,12为12组，每隔50ms采集一次，当然作为其他实施方式，设定的间隔时长和预设的采集次数值N还可以为其他值。在第三中实施方式的控制方法中，通过控制采集次数值N可以使在保证采集的数组相对准确的情况下，在转速尚未达到额定转速时就进行了电机40的干转判断，相比与第二种实施方式，能相对减小电动泵的启动时间，且12组数组通过最小二乘法计算的斜率值能够保证在误差允许的范围内。
在第三种实施方式中，干转斜率值k0”可以为第二种实施方式中的干转斜率值k0'，当然也可以通过设定采集次数N的方法计算出干转斜率值k0”，具体参见图10，电动泵空载启动，设定额定转速，使电机40以额定转速运行；
从转速为零开始，间隔一定时长采集一次电机40的当前转速值；判断电机40的当前转速值是否大于1/2的额定转速，如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前转速值步骤，此时对采集的转速值不作存储处理；
如果是，开始以间隔设定时长采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值，存储到控制模块12内部的存储单元，同时计数器记录一次采集的次数i，并判断i是否等于预设采集次数值N；如果否，循环间隔设定时长再次采集电机40的当前线圈电流值和当前转速值的步骤，计数器记录的采集次数i加1；
如果是，运算处理单元对存储的数组通过最小二乘法计算出电机40在空载状态下的斜率值，即干转斜率值k0”，并作为预设值写入控制程序中。
需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种控制方法，所述控制方法能够在电动泵启动阶段检测电机干转，所述控制方法能够控制所述电动泵，所述控制方法包括以下步骤：
采集所述电机在所述启动阶段的实时线圈电流值和实时转速值，记录采集次数；
以所述实时转速值为横坐标，所述实时线圈电流值为纵坐标，计算通过所述实时线圈电流值和所述实时转速值拟合直线的斜率值；
比较所述斜率值与预设的干转斜率值，如果所述斜率值小于或等于所述预设的干转斜率值，判定所述电机干转，控制所述电机停止转动；
所述预设干转斜率值的计算步骤包括：所述电动泵空载启动，设定额定转速，所述电机以所述额定转速运行，采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值；计算所述干转斜率值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括设定目标转速，所述电机以所述目标转速运行，从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述当前转速值与所述目标转速的差值是否在预定范围内；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述斜率值；
判断所述斜率值是否大于预设的所述干转斜率值，如果是，控制所述电动泵以所述目标转速正常运行。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述干转斜率值的计算包括如下步骤：从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述当前转速值与所述额定转速的产值是否在预定范围内；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述干转斜率值。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括设定目标转速，所述电机先以额定转速运行，从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前转速值，判断所述当前转速值是否大于所述额定转速的一半；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前转速值步骤；如果是，开始以所述间隔设定时长采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述当前转速值与所述额定转速的差值是否在预定范围内；
如果否，循环所述间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述斜率值；
判断所述斜率值是否大于预设的所述干转斜率值，如果是，控制所述电动泵以设定的所述目标转速运。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括设定目标转速和预设采集次数，所述电机先以额定转速运行，从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前转速值，判断所述当前转速值是否大于所述额定转速的一半；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前转速值步骤；如果是，开始以所述间隔设定时长采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述记录采集次数是否等于所述预设采集次数；
如果否，循环所述间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述斜率值，判断所述斜率值是否大于预设的所述干转斜率值；
如果是，设定目标转速，控制所述电动泵以设定的所述目标转速运行。
6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于：所述干转斜率值的计算包括如下步骤：所述电动泵空载启动，设定额定转速，所述电机以所述额定转速运行；
从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前转速值，判断所述当前转速值是否大于所述额定转速的一半；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前转速值步骤；如果是，开始以所述间隔设定时长采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述当前转速值与所述额定转速的差值是否在预定范围内；
如果否，循环所述间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述干转斜率值。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述干转斜率值的计算包括如下步骤：所述电动泵空载启动，设定额定转速，所述电机以所述额定转速运行；
从转速为零开始，间隔预设时长采集一次所述电机的当前转速值，判断所述当前转速值是否大于所述额定转速的一半；
如果否，循环间隔设定时长再次采集所述电机的当前转速值步骤；如果是，开始以所述间隔设定时长采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值，判断所述记录采集次数是否等于所述预设采集次数；
如果否，循环所述间隔设定时长再次采集所述电机的当前线圈电流值和当前转速值步骤；如果是，计算所述干转斜率值。
8.一种电动泵，包括控制板和电机，所述控制板集成有微控制单元、驱动模块、采集模块，所述微控制单元通过所述驱动模块和所述采集模块与所述电机电连接和/或信号连接，其特征在于：所述微控制单元预设有控制方法，所述控制方法为权利要求1-7任一项所述的控制方法，所述控制方法对所述电机进行干转检测，控制所述电机按照预设程序运行或停止转动。
9.根据权利要求8所述的电动泵，其特征在于：所述采集模块包括电流采集转换电路和霍尔传感器，所述电流采集转换电路用于采集所述电机的线圈电流，所述霍尔传感器用于检测所述电机的转速。
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