CN112595971B - 基于fft技术直流有刷电机的堵转检测方法和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，属于电机技术领域。直流有刷电机堵转检测方法包括获取直流有刷电机的实时电流值，对获取的实时电流值进行低通滤波，设置采样点个数n，比较采样点个数n与设定计数个数N的大小关系，对存储的N个电流采样值进行FFT运算，得到以频率为横轴、以幅值为纵轴的电流的频谱图，进而得出电流脉冲频率，根据电流脉冲频率求出电机转速，根据电机转速判断是否堵转，本发明还公开了一种实现上述直流有刷电机堵转检测方法的控制器，本发明的优点在于，能够降低堵转检测的成本，本发明用于检测电机是否堵转。

Description

基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法和控制器

【技术领域】

本发明涉及基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法和控制器，属于电机技术领域。

【背景技术】

直流有刷电机由于启动转矩大，正反转容易控制，成本低等优势而广泛应用。如电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。电动推杆在运动过程和零位判断都需要进行电机堵转检测，以避免长时间堵转造成电流过大、电机过热而损坏电机及相应的机械结构。

常用的电机堵转检测方法为增设传感器，通过检测电机运动过程中的霍尔信息进行堵转判断或者通过限位开关来防止堵转，采用这种方法，可以检测到电机是否堵转，但是，这种方法需要设置霍尔传感器，同时电机上需要安装磁环，使得堵转检测的成本较高。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，使得能够降低堵转检测的成本。

为解决上述技术问题，本发明基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法包括转速大小判断方法，所述转速大小判断方法包括：

步骤一：根据设定频率对直流有刷电机进行采样，获取直流有刷电机的实时电流值；

步骤二：对获取的实时电流值进行低通滤波，得到低通滤波后的电流采样值；

步骤三：设置采样点个数n，n的初始值为零，存储电流采样值并执行n＝n+1；

步骤四：比较采样点个数n与设定计数个数N的大小关系，当采样点个数n小于设定计数个数N时，重复执行步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，当采样点个数n等于或大于设定计数个数N时，执行步骤五；

步骤五：对存储的N个电流采样值进行FFT运算，得到以频率为横轴、以幅值为纵轴的电流的频谱图；

步骤六：找出频谱图中最大频率分量，得出与最大频率分量相对应的频率，将得出的与最大频率分量相对应的频率作为电流脉冲频率；

步骤七：根据电流脉冲频率求出电机转速n_电；

步骤八：比较电机转速n_电与设定转速Nstall之间的大小关系，当电机转速n_电大于设定转速阈值Nstall时，电机不堵转，当电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall时，生成堵转标志1；

步骤九：当检测到堵转标志1时，控制直流电机停止运动。

作为优选，所述步骤八中，当电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall时，记录电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall的持续时间t1，当持续时间t1大于或等于设定堵转检测时间T1时，生成堵转标志1。

作为优选，所述步骤七中，当不存在几个电刷同时经过换向片片间绝缘槽的情况时，根据公式f＝(c*k*n*p)/60，求出电机转速n_电，其中，n为电机转速(r/min)，f为电流脉动频率(Hz)，k为换向片数，c为由换向片数的奇偶所定的系数，k为偶数时c＝1，为奇数时c＝2。

作为优选，所述直流有刷电机堵转检测方法包括电流大小判断方法，所述电流大小判断方法包括：

获取直流有刷电机的实时电流值I；

对获取的实时电流值I进行低通滤波，得到电流反馈值Ifdb；

比较电流反馈值Ifdb与设定堵转检测电流阈值Istall的大小关系；

当电流反馈值Ifdb小于设定堵转检测电流阈值Istall时，电机未堵转；

当电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，生成堵转标志2；

当既检测到堵转标志1，又检测到堵转标志2时，控制直流电机停止运动。

作为优选，当电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，设置时间t2并开始计时，t2的初始值为0，当时间t2等于设定堵转检测时间T2时，比较时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc与时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和之间的大小关系，当时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc大于时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和时，生成堵转标志2。

作为优选，所述时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和为(T2*Istall)*a2，其中，a2为比例系数，取0.8～0.9。

作为优选，所述低通滤波采用的公式为：y(k)＝x(k)-(x(k)-y(k-1))*a1，其中，y(k)为计算得到的当前时刻电流值，y(k-1)为上一时刻电流值，x(k)为采样得到的当前时刻电流值，a1为滤波系数，a1＝e^(T*2*π*f)，其中T为采样周期，f为截止频率。

本发明还公开了一种控制器，用于电动推杆，包括：存储器和处理器；

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述程序，实现如上述方案中任一项所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法的各个步骤。

本发明的有益效果：

首先，由于FFT是针对离散采样值的快速傅里叶变换，提前设定好频率，根据频率进行采样，可以获得离散采样值，便于FFT运算，通过对实时电流值进行低通滤波，可以得到便于FFT运算的波段，通过采样点个数n是否大于或等于设定计数个数N作为判断条件可以自动采样N个采样点，便于FFT运算，通过FFT运算可以得出一段时间内电流的频谱图，找出最大频率分量，所述最大频率分量即为频谱图中最大的幅值，进而可以得出电流脉冲频率，根据电流脉冲频率可以得出电机的转速，从而通过判断实际转速是否低于设定转速的方式可以判断出电机是否堵转，采用这种方法进行判断，不需要设置现有技术中的传感器等部件来辅助检测，使得可以降低堵转检测的成本，同时，通过检测转速来检测是否堵转，可以提高检测的准确度，防止检测结果出现误差导致电机无法正常工作。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，其中：

图1为实施例一中转速大小判断方法的示意图；

图2为实施例一中电流大小判断方法的示意图；

图3为实施例一直流有刷电机堵转检测方法的示意图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

如图1至图3所示，本实施例基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法包括转速大小判断方法，所述转速大小判断方法包括：

步骤一：根据设定频率对直流有刷电机进行采样，获取直流有刷电机的实时电流值；

步骤二：对获取的实时电流值进行低通滤波，得到低通滤波后的电流采样值；

步骤三：设置采样点个数n，n的初始值为零，存储电流采样值并执行n＝n+1；

步骤四：比较采样点个数n与设定计数个数N的大小关系，当采样点个数n小于设定计数个数N时，重复执行步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，当采样点个数n等于或大于设定计数个数N时，执行步骤五；

步骤五：对存储的N个电流采样值进行FFT运算，得到以频率为横轴、以幅值为纵轴的电流的频谱图；

步骤六：找出频谱图中最大频率分量，得出与最大频率分量相对应的频率，将得出的与最大频率分量相对应的频率作为电流脉冲频率；

步骤七：根据电流脉冲频率求出电机转速n_电；

步骤八：比较电机转速n_电与设定转速Nstall之间的大小关系，当电机转速n_电大于设定转速阈值Nstall时，电机不堵转，当电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall时，生成堵转标志1；

步骤九：当检测到堵转标志1时，控制直流电机停止运动。

本发明的有益效果：

首先，由于FFT是针对离散采样值的快速傅里叶变换，提前设定好频率，根据频率进行采样，可以获得离散采样值，便于FFT运算，通过对实时电流值进行低通滤波，可以得到便于FFT运算的波段，通过采样点个数n是否大于或等于设定计数个数N作为判断条件可以自动采样N个采样点，便于FFT运算，通过FFT运算可以得出一段时间内电流的频谱图，找出最大频率分量，所述最大频率分量即为频谱图中最大的幅值，进而可以得出电流脉冲频率，根据电流脉冲频率可以得出电机的转速，从而通过判断实际转速是否低于设定转速的方式可以判断出电机是否堵转，采用这种方法进行判断，不需要设置现有技术中的传感器等部件来辅助检测，使得可以降低堵转检测的成本，同时，通过检测转速来检测是否堵转，可以提高检测的准确度，防止检测结果出现误差导致电机无法正常工作。

FFT，即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，通过计算机运行FFT算法进行检测，可以使得检测速度更快，检测更加方便。

电机堵转一般定义为：当电机转速为零时仍然输出转矩。电机堵转时电机两端电压完全加载在阻值很小的线圈内阻，产生很大电流。在实施例一中，从两个方面进行堵转判断，一是直流有刷电机的电流一定时间内的积分值超过一定的阈值，二是直流有刷电机没有运动，即电机速度在持续一定时间内小于一定的阈值。

直流有刷电机的电流控制特性包括启动阶段、运行阶段和堵转阶段。启动阶段由于速度较小，电流瞬间达到启动电流Istart，随着转速增加，电流逐渐下降，当转矩与阻力平衡时，速度不再变化，电流基本恒定，进入运行阶段。当电动推杆到顶时，电机速度逐渐降为零，电流逐渐增加，进入堵转阶段；速度降为零时，电流达到堵转电流Istall。实际应用上，在检测到电机两端电流大于堵转检测电流阈值Istall，且持续时长超过堵转判断时间Tstall时，便可以确定发生堵转，给出堵转标志。

为了防止负载突变时导致检测出现误差，本实施例优选所述步骤八中，当电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall时，记录电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall的持续时间t1，当持续时间t1大于或等于设定堵转检测时间T1时，生成堵转标志1，即在判断出电机转速n_电小于设定转速阈值Nstall时，需要再判断时间T1内是否电机转速持续小于设定转速阈值，从而可以负载突变时导致检测出现误差。

为了使可以通过电流脉动频率求出电机转速，本实施例优选所述步骤七中，当不存在几个电刷同时经过换向片片间绝缘槽的情况时，根据公式f＝(c*k*n*p)/60，求出电机转速n_电，其中，n为电机转速(r/min)，f为电流脉动频率(Hz)，k为换向片数，c为由换向片数的奇偶所定的系数，k为偶数时c＝1，为奇数时c＝2，通过上述公式，f、c、k、p均为已知值，代入已知值即可求出电机转速，而直流有刷电机正常运行过程中，由于换向器的作用，直流分量上会叠加交流的纹波，脉动电流波形的脉动频率与电机的转速存在一定的关系，因此可以通过直流电机的换向脉动频率得到其转速，其中，在FFT运算生成的频谱图中，换向引起的电流脉动频率成分占绝对主要部分，因此可以在交流频谱中，最大频率分量对应的就是电机的转速。

为了进一步增加堵转检测判断的准确性，本实施例优选直流有刷电机堵转检测方法包括电流大小判断方法，所述电流大小判断方法包括：

获取直流有刷电机的实时电流值I；

对获取的实时电流值I进行低通滤波，得到电流反馈值Ifdb；

比较电流反馈值Ifdb与设定堵转检测电流阈值Istall的大小关系；

当电流反馈值Ifdb小于设定堵转检测电流阈值Istall时，电机未堵转；

当电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，生成堵转标志2；

当既检测到堵转标志1，又检测到堵转标志2时，控制直流电机停止运动，使得通过电流大小判断方法再次进行判断，通过判断实时电流是否大于设定堵转检测电流的方式可以判断出电机是否堵转，通过两种方法同时进行检测，可以使得堵转检测判断的准确性更高，防止出现误判。

为了防止负载突变时导致检测出现误差，本实施例优选当电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，设置时间t2并开始计时，t2的初始值为0，当时间t2等于设定堵转检测时间T2时，比较时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc与时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和之间的大小关系，当时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc大于时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和时，生成堵转标志2，即当检测到电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，还需要判断时间T2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc是否大于时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和，即判断持续一段时间后，电流反馈值Ifdb的总和Iacc是否大于时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和，通过电流反馈值Ifdb的总和Iacc与时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和来判断的方法，相对于仅通过反馈值Ifdb的大小和设定堵转检测电流阈值Istall的大小来判断，通过电流反馈值Ifdb的总和Iacc与时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和来判断的方法具有一定的容错性，防止在时间T2内负载出现突变等问题导致电流发生变化影响堵转的判断。

为了优化总和的计算方法，本实施例优选所述时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和为(T2*Istall)*a2，其中，a2为比例系数，取0.8～0.9，由于设定堵转检测电流阈值Istall在时间T2内不改变，通过直接相乘即可得出时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和，再与a2相乘可以除去电流损耗，使得计算更加准确，而反馈值Ifdb的总和Iacc的计算方法为：当低通滤波过滤后的电流为离散的电流值时，直接将所有电流值累加即可得出总和，如果低通滤波后的电流为连续的电流值，通过在时间t2内积分即可得出总和。

为了使可以实现低通滤波，本实施例优选所述低通滤波采用的公式为：y(k)＝x(k)-(x(k)-y(k-1))*a1，其中，y(k)为计算得到的当前时刻电流值，y(k-1)为上一时刻电流值，x(k)为采样得到的当前时刻电流值，a1为滤波系数，a1＝e^(T*2*π*f)，其中T为采样周期，f为截止频率，通过上述公式可以求出当前时刻电流值，使得可以实现低通滤波。

实施例二：

本实施例公布了一种控制器，用于电动推杆，主要包括存储器和处理器，所述存储器，用于存储程序，所述处理器，用于执行所述程序，实现实施例一或与其相等同的实施方式所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法的各个步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，其特征在于：包括转速大小判断方法，所述转速大小判断方法包括：

步骤一：根据设定频率对直流有刷电机进行采样，获取直流有刷电机的实时电流值；

步骤二：对获取的实时电流值进行低通滤波，得到低通滤波后的电流采样值；

步骤三：设置采样点个数n，n的初始值为零，存储电流采样值并执行n=n+1；

步骤四：比较采样点个数n与设定计数个数N的大小关系，当采样点个数n小于设定计数个数N时，重复执行步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，当采样点个数n等于或大于设定计数个数N时，执行步骤五；

步骤五：对存储的N个电流采样值进行FFT运算，得到以频率为横轴、以幅值为纵轴的电流的频谱图；

步骤六：找出频谱图中最大频率分量，得出与最大频率分量相对应的频率，将得出的与最大频率分量相对应的频率作为电流脉冲频率；

步骤七：根据电流脉冲频率求出电机转速

；

步骤八：比较电机转速

与设定转速Nstall之间的大小关系，当电机转速

大于设定转速阈值Nstall时，电机不堵转，当电机转速

小于设定转速阈值Nstall时，生成堵转标志1；

步骤九：当检测到堵转标志1时，控制直流电机停止运动；

包括电流大小判断方法，所述电流大小判断方法包括：

获取直流有刷电机的实时电流值I；

对获取的实时电流值I进行低通滤波，得到电流反馈值Ifdb；

比较电流反馈值Ifdb与设定堵转检测电流阈值Istall的大小关系；

当电流反馈值Ifdb小于设定堵转检测电流阈值Istall时，电机未堵转；

当电流反馈值Ifdb大于设定堵转检测电流阈值Istall时，设置时间t2并开始计时，t2的初始值为0，当时间t2等于设定堵转检测时间T2时，比较时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc与时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall的总和之间的大小关系，当时间t2内电流反馈值Ifdb的总和Iacc大于时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和时，生成堵转标志2；

当既检测到堵转标志1，又检测到堵转标志2时，控制直流电机停止运动。

2.按照权利要求1所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，其特征在于：所述步骤八中，当电机转速

小于设定转速阈值Nstall时，记录电机转速

小于设定转速阈值Nstall的持续时间t1，当持续时间t1大于或等于设定堵转检测时间T1时，生成堵转标志1。

3.按照权利要求1所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，其特征在于：所述步骤七中，当不存在几个电刷同时经过换向片片间绝缘槽的情况时，根据公式f=(c*k*n*p)/60，求出电机转速

，其中，n为电机转速（r/min），f为电流脉动频率（Hz），k为换向片数，c为由换向片数的奇偶所定的系数，k为偶数时c=1，为奇数时c=2。

4.按照权利要求1所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，其特征在于：所述时间T2内设定堵转检测电流阈值Istall总和为(T2*Istall)*a2，其中，a2为比例系数，取0.8～0.9。

5.按照权利要求1所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法，其特征在于：所述低通滤波采用的公式为：y(k)=x(k)-(x(k)-y(k-1))*a1，其中，y(k)为计算得到的当前时刻电流值，y(k-1)为上一时刻电流值，x(k)为采样得到的当前时刻电流值，a1为滤波系数，a1=e^(T*2*π*f)，其中T为采样周期，f为截止频率。

6.一种控制器，用于电动推杆，包括：存储器和处理器，其特征在于：

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述程序，实现如权利要求1～5中任一项所述的基于FFT技术直流有刷电机的堵转检测方法的各个步骤。

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