CN112737472B - 一种防止电机堵转的方法、电机及舵机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防止电机堵转的方法、电机及舵机，涉及电机技术领域，解决了现有直流电机进行防堵的设计存在缺陷，容易增加硬件成本或降低产品稳定性的技术问题。该方法包括以下步骤：S1：监测电机工作过程中的电池电压情况，并通过ADC模块得到原始的电压监测信号；S2：对该原始的电压监测信号进行陷波和滤波处理，得到处理后的电压监测信号；S3：对处理后的电压监测信号计算一阶微分，得到电压监测信号的一阶微分曲线；S4：对所述一阶微分曲线的微分值进行计算判断，得出电机堵转的判断。本发明能够精确、及时捕捉到电机堵转的时间点，无需行程开关，能够降低结构需求，使产品便携化、小型化，对电机堵转实现了低成本稳定性地解决。

Description

一种防止电机堵转的方法、电机及舵机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种防止电机堵转的方法、电机及舵机。

背景技术

电机是指能将电能转换成机械能的设备，具有构造简单、控制方便、体积小、效率高、功率可大可小、无污染的特点。电机按工作电源种类分为直流电机和交流电机，其中直流电机是将直流电能转换成机械能的电机，应用范围广泛，如电动玩具车、电动剃须刀、电子门锁、电子挂锁、电子箱包锁等。直流电机在转动的时候不允许外力强行阻挡电机转动，如果电机长时间堵转的话很容易烧毁直流电机、电源及电机驱动电路，同时电机的变速箱也容易蹦齿轮。

为了解决直流电机堵转的问题，现有技术中出现了两种解决方案。一种是添加行程开关，MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）根据所侦测的行程开关闭合与断开的情况进行电机转动的控制，但对结构设计提出空间需求，给产品的结构设计带了难度，增加了硬件成本，不利于产品的小型化、便携化。另一种是通过测试记录电机在不同电池电压的情况下直流电机转动满量程所使用的时间长度，然后把所有测量记录的时间信息存储到MCU中，MCU根据当前电池电压查询电机需要运行的时间，从而对电机进行控制。但该方法在开发初期需要做大量的测试与实验，加长了产品的开发周期。而且电池使用一段时间后内阻增大，导致直流电机满量程转动所使用的时间发生了变化，马达转动角度与力度不够，使得产品稳定性变差，返修率上升。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

现有技术中对直流电机进行防堵的设计存在缺陷，容易增加硬件成本或降低产品的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止电机堵转的方法、电机及舵机，以解决现有技术中存在的对直流电机进行防堵的设计存在缺陷，容易增加硬件成本或降低产品的稳定性的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种防止电机堵转的方法，包括以下步骤：S1：监测电机工作过程中的电池电压情况，并通过ADC模块得到原始的电压监测信号；S2：对该原始的电压监测信号进行陷波和滤波处理，得到处理后的电压监测信号；S3：对处理后的电压监测信号计算一阶微分，得到电压监测信号的一阶微分曲线；S4：对所述一阶微分曲线的微分值进行计算判断，得出电机堵转的判断；在所述S4步骤中，对所述一阶微分曲线的微分值进行计算判断的过程包括以下步骤：S41：将各时间得到所述微分值与0进行比较，判断是否小于0；S42：当所述微分值小于0时，对小于0的微分值个数进行累加；S43：将累加的微分值个数与正整数J进行比较，判断是否大于正整数J；S44：当累加得到的微分值个数大于正整数J时，将前一个不小于0的微分值与该微分值相减得到差值；S45：当所述差值大于正整数K时，得出电机堵转的判断，结束计算判断过程。

可选地，所述J的值为15。

可选地，所述K的值为70。

可选地，所述计算判断过程通过所述电机的MCU进行实现。

可选地，所述陷波处理过程采用的设备为50Hz陷波器或60Hz陷波器。

可选地，所述滤波处理方法为中值滤波或滑动平均滤波。

一种电机，所述电机通过以上任一项所述的方法防止电机堵转。

可选地，所述电机为直流电机、步进电机或无刷电机。

一种舵机，所述舵机包括以上任一项所述的电机。

上述任一技术方案至少可以产生如下技术效果：

本发明提供的方法通过4个步骤算法就能够精确、及时捕捉到电机堵转的时间点，不需要结构件的配合，无需行程开关，能够降低结构的需求，使产品便携化、小型化。还可用于直接升级以前没有堵转算法的电子产品，提高系统稳定性，对电机堵转实现了低成本稳定性地解决。

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获得其他的附图。

图1是本发明电机的电池电压曲线图；

图2是本发明滤波后的电池电压曲线图；

图3是本发明对滤波后的电池电压曲线进行一阶微分计算后的曲线图；

图4是本发明对电池电压的一阶微分曲线的微分值进行计算判断的流程图；

图5是本发明防止电机堵转的方法的流程图；

图6是本发明防止电机堵转的方法的运行效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种防止电机堵转的方法，如图1-6所示，包括以下步骤：S1：监测电机工作过程中的电池电压情况，MCU是目前主流的电机控制方案，对电机工作过程中的电压通过MCU进行监测为现有技术，设置相应的电池电压监测电路并与MCU的对应接口相连即可，并通过ADC模块（Analog-to-Digital Converter，模拟/数字转换器），现有电机中的MCU集成了ADC模块，从而能够直接得到原始的电压监测信号，该电压监测信号为数字信号，便于后续对该信号进行相应处理，如图1所示为电机的电池电压曲线，电池的电压在3600mV-3800mV之间，以毫秒为时间单位对电池电压的信号进行采集，其中两处箭头所指的位置电压发生突降，在该时间可能发生电机的堵转。S2：对该原始的数字电压监测信号进行陷波和滤波处理，陷波和滤波处理为信号处理中的常用技术，其中陷波是抑制单一频率噪声最为有效的方法，可通过陷波器实现，以抑制或者消除特定频率的干扰，例如工频干扰等，滤波将信号中特定波段频率滤除的操作，也是抑制和防止干扰的一项重要措施。通过陷波和滤波处理能够有效滤除干扰，提取有效的信号，得到处理后的电压监测信号，如图2所示为滤波处理后的电压监测信号，从图中可以看出发生电压突降的位置更为明显，消除了短时间电压波动的锯齿感，电压曲线的变化更为平滑，更有利于准确判断电机是否发生堵转，图2种两处箭头所指的位置电压发生突降，在该时间可能发生电机的堵转。S3：对处理后的电压监测信号计算一阶微分，得到电压监测信号的一阶微分曲线。一阶微分能够将电压监测信号的上升区域和下降区域进行区分，电压上升时一阶微分的值为正，电压下降时一阶微分的值为负，能够去除电池电压的具体值对堵转判断的影响，当电机发生堵转时，电压值迅速降低，从而电压监测信号对应的一阶微分为负值，且该负值的绝对值较大，如图3所示的两处箭头所指的位置一阶微分负值的绝对值较大，该时间可能发生电机的堵转。S4：对一阶微分曲线的微分值进行计算判断，具体计算判断过程通过MCU实现，只需要MCU判断电池电压的一阶微分曲线的微分值是否为负，且为负时的持续时间及绝对值大小，即可得出电机堵转的判断。本发明通过电机中MCU的ADC实时监测电池电压变化情况，智能推测电机堵转情况，如图6所示，电池电压曲线中打星号的点即为堵转的时间点，整个系统不需要添加新的硬件电路，能够降低产品的成本，可以在现有的硬件电路中增加软件处理算法即可。本方法不需要结构件的配合，无需行程开关，能够降低结构的需求，使产品便携化、小型化。还可用于直接升级以前没有堵转算法的电子产品，提高系统稳定性。对电机堵转实现了低成本稳定性地解决，如果发生堵转的话就立即让电机停止转动，能够有效的解决堵转导致系统损坏的问题。

作为可选地实施方式，如图4所示，在S4步骤中，对一阶微分曲线的微分值进行计算判断的过程包括以下步骤。整个计算过程的算法相对简单，通过MCU即可实现，快速得出判断结果。S41：将各时间得到微分值（图4中用D表示）与0进行比较，判断是否小于0，电压的一阶微分值是否为0是电压是否降低的标志。S42：当微分值小于0时，表明电池的电压开始出现降低，对小于0的微分值个数进行累加，即图4中的Zero_cnt++过程，在每次电压采样中出现一次微分0值就计数一次。如果微分值不小于0，将该微分值赋值给pre_D，此时pre_D≥0，即前微分值。S43：将累加的微分值个数与正整数J进行比较，判断是否大于正整数J，图4中Zero_cnt>15，即连续出现J次微分值小于0，优选J的值为15。如果累加的微分值个数不大于J，即出现了大于0的微分值，将该时间点的微分值赋值给pre_D，此时pre_D≥0。S44：当累加得到的微分值个数大于正整数J时，将前一个不小于0的微分值（pre_D）与该微分值（D）相减得到差值，图4中用pre_D-D计算该差值，该差值用于判断当前电压采样值的微分值与0值的偏离程度，偏离程度越大即差值较大时，表明该时间点的电池电压迅速下降，电机可能发生了堵转。S45：当差值大于正整数K时，优选K的值为70，即图4中pre_D-D>70，该值可根据不同类型的电机功率及电池电压进行设定，得出电机堵转的判断，结束计算判断过程。如果差值不大于K，将该时间点的微分值赋值给pre_D。针对不同的电机功率及电机电池电压大小，还可以设定不同的J和K值，以最好匹配进行计算判断。

作为可选地实施方式，陷波处理过程采用的设备为50Hz陷波器或60Hz陷波器，50Hz和60Hz为交流电的常见频率，陷波器根据电机的工作环境需要相应频率的陷波器，能够有效消除电机使用环境中的工频电器对电池电压信号的干扰。

作为可选地实施方式，滤波处理方法为中值滤波或滑动平均滤波，可根据不同电机的电池电压选择不同的滤波处理方法。中值滤波处理方法具有优异的噪声衰减性能，尤其适用于消除非平稳信号中的峰值噪声，能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。是一种典型的非线性滤波技术，对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值（若n为偶数，则排序的两个中间值的平均值为本次采样值）。滑动平均滤波器在响应速度和阻挡噪声性能之间进行权衡关系，能够有效去除随机噪声。

一种电机，电机通过本发明提供的方法防止电机堵转，通过本发明提供的方法能够有效监测电机的堵转，系统稳定，无需行程开关，能够降低结构的需求，使产品便携化、小型化，不需要添加新的硬件电路，能够降低产品的成本。电机为直流电机、步进电机或无刷电机，如步进电机用于精确定位和调速，无刷电机用在控制要求比较高，转速比较高的设备，不同的电机有不同的功能和使用环境，本方法适用于这几类电机，用户能够根据需要和使用环境进行选择不同类型的电机，提高了适用性。

一种舵机，舵机包括本发明提供的电机。舵机是操纵飞机舵面转动的一种执行部件，由电动机、传动部件和离合器组成，广泛用于无人机、遥控航空、航天模型等的控制动作中。通过本发明提供的电机，能够有效监测电机的堵转，一旦发生堵转的话就立即让电机停止转动，能够有效的解决堵转导致系统损坏的问题，确保了舵机的操作安全，也相应提高了使用寿命。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种防止电机堵转的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：监测电机工作过程中的电池电压情况，并通过ADC模块得到原始的电压监测信号；

S2：对该原始的电压监测信号进行陷波和滤波处理，得到处理后的电压监测信号；

S3：对处理后的电压监测信号计算一阶微分，得到电压监测信号的一阶微分曲线；

S4：对所述一阶微分曲线的微分值进行计算判断，得出电机堵转的判断；

在所述S4步骤中，对所述一阶微分曲线的微分值进行计算判断的过程包括以下步骤：

S41：将各时间得到所述微分值与0进行比较，判断是否小于0；

S42：当所述微分值小于0时，对小于0的微分值个数进行累加；

S43：将累加的微分值个数与正整数J进行比较，判断是否大于正整数J；

S44：当累加得到的微分值个数大于正整数J时，将前一个不小于0的微分值与该微分值相减得到差值；

S45：当所述差值大于正整数K时，得出电机堵转的判断，结束计算判断过程。

2.根据权利要求1所述的防止电机堵转的方法，其特征在于，所述J的值为15。

3.根据权利要求1所述的防止电机堵转的方法，其特征在于，所述K的值为70。

4.根据权利要求1所述的防止电机堵转的方法，其特征在于，所述计算判断过程通过所述电机的MCU进行实现。

5.根据权利要求1所述的防止电机堵转的方法，其特征在于，所述陷波处理过程采用的设备为50Hz陷波器或60Hz陷波器。

6.根据权利要求1所述的防止电机堵转的方法，其特征在于，所述滤波处理方法为中值滤波或滑动平均滤波。

7.一种电机，其特征在于，所述电机通过权利要求1-6中任一项所述的方法防止电机堵转。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述电机为直流电机、步进电机或无刷电机。

9.一种舵机，其特征在于，所述舵机包括权利要求7-8中任一项所述的电机。

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