CN112910364A - 一种刨刀电机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种刨刀电机的控制方法。该控制方法应用于医用刨刀电机的控制装置，控制方法包括：获取工作需求信息；根据工作需求信息确定刨刀电机的目标转速信息；根据目标转速信息和霍尔信号的速度闭环控制方法确定刨刀电机的目标电流信息；根据目标电流信息、实际电流信息的电流闭环控制方法和霍尔信号确定PWM调节模块的输出信号，以控制逆变电桥模块输出定子磁场至刨刀电机，解决复杂工况下无法对刨刀电机转速快速准确的控制，实现对刨刀电机转速的精准控制，提高刨刀电机的响应速度，同时保证在刨刀电机堵转和过流情况下有效保护刨刀电机的效果。

Description

一种刨刀电机的控制方法
技术领域
本发明实施例涉及组织粉碎技术，尤其涉及一种刨刀电机的控制方法。
背景技术
现有医用手术刨削系统尤其是前列腺剜除手术刨削器电机控制系统多使用软件对电机驱动模块进行开环控制或采用电机驱动模块，通过读取简单的数字量电机速度信号，得出电机转速后，根据当前目标转速再向电机驱动模块发送加速或减速信号来控制电机转速。
上述控制方法虽加强了对电机驱动模块的控制，一定程度上提高了电机的响应速度，但这种控制方法是通过电机驱动模块提供的转速信号，仅向控制模块发送提高转速或降低转速的信号，信号的滞后性使得控制系统仍然具有很大的滞后性，在负载变化或刨削器电机正反交替等复杂工况下，电机的反应速度仍然较差，电机的滞后也较大，电机也无法快速准确的达到目标转速。
发明内容
本发明实施例提供一种刨刀电机的控制方法，以实现在复杂工况情况下对刨刀电机转速的精确控制，极大程度上提高刨刀电机的响应速度。
本发明实施例提供了一种刨刀电机的控制方法，应用于一种医用刨刀电机的控制装置，所述控制装置与所述刨刀电机电连接；所述控制装置包括控制模块、PWM调节模块、逆变电桥模块、霍尔信号采集模块和电流信号采集模块；所述PWM调节模块、所述霍尔信号采集模块、所述电流信号采集模块均与所述控制模块电连接；所述逆变电桥模块分别与所述PWM调节模块和所述刨刀电机电连接；
所述霍尔信号采集模块用于采集所述刨刀电机的霍尔信号；
所述电流信号采集模块用于采集所述逆变电桥模块与所述刨刀电机连接路径上的实际电流信息；
所述控制方法包括：
获取工作需求信息；
根据所述工作需求信息确定所述刨刀电机的目标转速信息；
根据所述目标转速信息和所述霍尔信号确定目标电流信息；
根据所述目标电流信息、所述实际电流信息和所述霍尔信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机。
可选的，根据所述目标转速信息和所述霍尔信号确定目标电流信息，包括：
根据所述霍尔信号确定所述刨刀电机的实际转速信息；
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息。
可选的，根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用堵转保护策略以及速度闭环控制方法确定目标电流信息。
可选的，根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环计算公式确定目标电流信息；
所述速度闭环计算公式如下：
Figure BDA0002912217720000031
其中，KP1为速度闭环的比例增益，Tt1为积分时间常数，Td1为微分时间常数，e1(t1)为目标转速信息r1(t1)和实际转速信息y1(t1)的差值，u1(t1)为所述速度闭环的输出速度信息。所述速度闭环的输出速度信息u1(t1)，即为所述目标电流信息。
可选的，根据所述目标电流信息、所述实际电流信息和所述霍尔信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息；
根据所述霍尔信号确定所述刨刀电机的转子位置；
根据所述输出电流信息和所述转子位置确定所述PWM调节模块的调节信号；
根据所述调节信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机。
可选的，根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用过流保护策略以及电流闭环控制方法确定输出电流信息。
可选的，根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环计算公式确定电流闭环控制的输出电流信息；
所述电流闭环计算公式如下：
Figure BDA0002912217720000041
其中，KP2为电流闭环的比例增益，Tt2为积分时间常数，Td2为微分时间常数，e2(t2)为目标电流信息r2(t2)和实际电流信息y2(t2)的差值，u2(t2)为所述电流闭环控制的输出电流信息。
可选的，所述工作需求信息包括档位信息和工作模式信息。
可选的，所述工作模式信息包括正转加速过程信息、正转匀速过程信息、正转减速过程信息、反转加速过程信息、反转匀速过程信息和反转减速过程信息中的至少一种。
可选的，所述逆变电桥模块包括三相逆变电桥；
所述电流信号采集模块用于采集每一相逆变电桥与所述刨刀电机连接路径上的实际电流信息，得到所述刨刀电机接收的总电流。
本发明通过本发明实施例提供了一种刨刀电机的控制方法，应用于一种医用刨刀电机的控制装置，控制方法包括：获取工作需求信息；根据工作需求信息确定刨刀电机的目标转速信息；根据目标转速信息和霍尔信号的速度闭环控制方法确定刨刀电机的目标电流信息；根据目标电流信息、实际电流信息的电流闭环控制方法和霍尔信号确定PWM调节模块的输出信号，以控制逆变电桥模块输出定子磁场至刨刀电机，解决复杂工况下无法对刨刀电机转速快速准确的控制，采用速度闭环和电流闭环双闭环PID算法控制，实现对刨刀电机转速的精准控制，提高刨刀电机的响应速度，同时保证在刨刀电机堵转和过流情况下有效保护刨刀电机的效果。
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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
图1为本发明实施例提供的一种医用刨刀电机的控制装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种刨刀电机的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种刨刀电机的工作过程示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种刨刀电机的控制方法的流程示意图。
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，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种医用刨刀电机的控制装置的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种刨刀电机的控制方法的流程示意图；本实施例的技术方案适用于控制刨刀电机运转的情况。该方法可以由医用刨刀电机的控制装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现。如图1所示，该控制装置具体包括控制模块120、PWM调节模块150、逆变电桥模块160、霍尔信号采集模块130、电流信号采集模块140；PWM调节模块130、霍尔信号采集模块130、电流信号采集模块140均与控制模块120电连接；逆变电桥模块160分别与PWM调节模块150和刨刀电机170电连接；
霍尔信号采集模块130用于采集刨刀电机170的霍尔信号；
电流信号采集模块140用于采集逆变电桥模块160与刨刀电机170连接路径上的实际电流信息；
其中，刨刀电机170可以为带有转子位置霍尔传感器的BLDC无刷直流电机，无刷直流电机通过霍尔传感器来换向，霍尔传感器通过霍尔效应检测到电机转子的电流方向，即转子的受力方向，霍尔传感器把这个信号经过变化处理传递给电机中的控制元件，控制元件控制电流的方向，来保证电机转子向同一个方向转动，达到控制刨刀电机170的转速的效果。
具体的，继续参考图1和图2，控制方法包括：
S101，获取工作需求信息。
其中,工作需求信息可以由人机交互界面输入，用于系统和用户之间交互和信息交换的媒介，输入相应设定信息，传输至控制模块120进行信息处理，进而控制刨刀电机170运转。
S102，根据工作需求信息确定刨刀电机的目标转速信息。
控制模块120内部包括主控芯片，主控芯片根据工作需求信息计算刨刀电机170的目标转速信息。
S103，根据目标转速信息和霍尔信号确定目标电流信息。
其中，由霍尔信号采集模块130采集刨刀电机170内霍尔传感器发出的霍尔信号，根据PID控制算法计算确定目标电流信息。
S104，根据目标电流信息、实际电流信息和霍尔信号确定PWM调节模块的输出信号，以控制逆变电桥模块160输出定子磁场至刨刀电机。
其中，电流信号采集模块140用于采集逆变电桥模块160与刨刀电机170连接路径上的电流，得到刨刀电机170的总电流，即刨刀电机170的实际电流信息。
采用PWM调节模块150控制逆变电桥模块160输出不同大小的调制电压，从而在刨刀电机170的定子上产生相应角度和幅值的磁场，最终达到控制刨刀电机170的目的。
本技术方案通过控制模块接收人机交互界面输入的工作需求信息，进行PID控制算法获得目标转速信息、实际转速信息、目标电流信息和实际电流信息，进而确定PWM调节模块的输出信号，对逆变电桥模块的输出电压进行调制，最终控制刨刀电机的运转，实现刨刀电机转速的精准控制。
进一步的，图3为本发明实施例提供的一种刨刀电机的工作过程示意图；图4为本发明实施例提供的另一种刨刀电机的控制方法的流程示意图。如图1、图3和图4所示，该控制方法，包括：
S301，获取工作需求信息。
S302，根据工作需求信息确定刨刀电机的目标转速信息。
S303,根据霍尔信号确定刨刀电机的实际转速信息。
S304，根据目标转速信息和实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息。
其中，速度闭环控制方法为根据单位时间获取的脉冲数测量电机的速度信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分控制，使偏差趋向于零的过程。
可选的，根据目标转速信息和实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据目标转速信息和实际转速信息采用堵转保护策略以及速度闭环控制方法确定目标电流信息。
其中，因刨刀电机170的结构特点，当刨刀电机交替运转时不常出现刨刀电机170完全堵转卡死的情况，大多情况是刨刀电机170转动严重受限，使刨刀电机170实际转速与目标转速差距较大。控制模块120会根据当前目标转速信息与实际转速信息的差值积分，可以判断出刨刀电机170是否处于堵转状态，启动电机保护。
具体的，目标转速信息与实际转速信息的差值最大允许值为Emax,目标转速信息与实际转速信息的差值的绝对值为|e1(t1)|,目标转速信息与实际转速信息的差值e1(t1)的绝对值|e1(t1)|与目标转速信息与实际转速信息的差值最大允许值Emax的差值为e3(t3)，e3(t3)＝|e1(t1)|-Emax，可以得知当速度差值较大时，e3(t3)大于0，当速度差值较小时e3(t3)小于0。对e3(t3)进行积分得到ESUM(t3),
Figure BDA0002912217720000081
当e1(t1)大于Emax，ESUM(t3)会增大；当e1(t1)小于Emax，ESUM(t3)会减小，因此，Emax为可调试得到的常数。当刨刀电机170运行过程中，控制模块120会一直进行e3(t3)的积分运算，若积分运算得到的值大于预设ESUM的最大值，则认定刨刀电机170处于堵转状态，启动停止刨刀电机170工作，并发出相应提示信号；当刨刀电机170停止运转，该积分清零，以便下次刨刀电机170运转时再次进行积分运算。当刨刀电机170未发生堵转情况，目标转速信息与实际转速信息的差值e1(t1)小于Emax，此时积分会小于0，并负值会越来越大，影响积分计算，因此，设置ESUM的最小值为0。
继续参见图1、图3和图4，可选的，根据目标转速信息和实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据目标转速信息和实际转速信息采用速度闭环计算公式确定目标电流信息；
速度闭环计算公式如下：
Figure BDA0002912217720000091
其中，KP1为速度闭环的比例增益，Tt1为积分时间常数，Td1为微分时间常数，e1(t1)为目标转速信息r1(t1)和实际转速信息y1(t1)的差值，u1(t1)为速度闭环的输出速度信息。速度闭环的输出速度信息u1(t1)，即为目标电流信息。
具体的，以速度闭环控制作为外环，外环控制的输出作为内环控制的设定值，由内环控制的输出去操纵控制，从而对外环被控量具有更好的控制效果。根据工作需求信息确定刨刀电机170的目标转速信息和根据霍尔信号确定刨刀电机170的实际转速信息进行速度闭环PID控制算法得到速度闭环的输出速度信息u1(t1)，即为目标电流信息。
S305，根据目标电流信息和实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息。
S306，根据霍尔信号确定刨刀电机的转子位置。
S307，根据输出电流信息和转子位置确定PWM调节模块的调节信号。
S308，根据调节信号确定PWM调节模块的输出信号，以控制逆变电桥模块输出定子磁场至刨刀电机。
可选的，根据目标电流信息和实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据目标电流信息和实际电流信息采用过流保护策略以及电流闭环控制方法确定输出电流信息。
可选的，根据目标电流信息和实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据目标电流信息和实际电流信息采用电流闭环计算公式确定电流闭环控制的输出电流信息；
电流闭环计算公式如下：
Figure BDA0002912217720000101
其中，KP2为电流闭环的比例增益，Tt2为积分时间常数，Td2为微分时间常数，e2(t2)为目标电流信息r2(t2)和实际电流信息y2(t2)的差值，u2(t2)为电流闭环控制的输出电流信息。
具体的，继续参考图1、图3和图4，电流闭环作为内环，根据外环即速度闭环的输出速度信息u1(t1)得到的目标电流信息r2(t2)与电流信号采集模块140采集到的刨刀电机170的实际电流信息y2(t2)，进行电流闭环PID控制算法得到电流闭环的输出电流信息，即为逆变电桥模块160的有效输出电压，同时控制模块120根据霍尔信号采集到的刨刀电机170的速度信息计算确定刨刀电机170的转子位置；根据输出电流信息和转子位置确定PWM调节模块150的调节信号；并根据调节信号确定PWM调节模块的输出信号，输出信号为PWM脉冲波，传输至逆变电桥模块160，以控制逆变电桥模块160输出不同大小的调制电压，从而在刨刀电机170上产生垂直转子磁场的定子磁场，达到控制刨刀电机170运转的目的。
可选的，工作需求信息包括档位信息和工作模式信息。
可选的，工作模式信息包括正转加速过程信息、正转匀速过程信息、正转减速过程信息、反转加速过程信息、反转匀速过程信息和反转减速过程信息中的至少一种。
其中，继续参考图1，设置不同的档位信息，对应不同的速度设定，设置不同的工作模式信息，刨刀电机170在运转时，根据工作模式信息的不同，计算得到的目标转速信息会随时间发生相应变化。
可选的，逆变电桥模块160包括三相逆变电桥。
其中，电流信号采集模块140用于采集三相逆变电桥上每一相逆变电桥与刨刀电机170连接路径上的实际电流信息，得到刨刀电机170接收的总电流。
本发明实施例提供了一种刨刀电机的控制方法，应用于一种医用刨刀电机的控制装置，控制方法通过控制模块相连的霍尔信号采集模块和电流信号采集模块，直接读取霍尔信号和速度信号，并通过速度闭环和电流闭环双闭环PID控制算法，实现在正反交替的复杂工况下，对刨刀电机的转速进行精准控制，提高刨刀电机的响应速度，同时速度闭环和电流闭环也可以对刨刀电机堵转或过流情况进行监控，保护刨刀电机。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种刨刀电机的控制方法，其特征在于，应用于医用刨刀电机的控制装置，所述控制装置与所述刨刀电机电连接；
所述控制装置包括控制模块、PWM调节模块、逆变电桥模块、霍尔信号采集模块和电流信号采集模块；所述PWM调节模块、所述霍尔信号采集模块、所述电流信号采集模块均与所述控制模块电连接；所述逆变电桥模块分别与所述PWM调节模块和所述刨刀电机电连接；
所述霍尔信号采集模块用于采集所述刨刀电机的霍尔信号；
所述电流信号采集模块用于采集所述逆变电桥模块与所述刨刀电机连接路径上的实际电流信息；
所述控制方法包括：
获取工作需求信息；
根据所述工作需求信息确定所述刨刀电机的目标转速信息；
根据所述目标转速信息和所述霍尔信号确定目标电流信息；
根据所述目标电流信息、所述实际电流信息和所述霍尔信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标转速信息和所述霍尔信号确定目标电流信息，包括：
根据所述霍尔信号确定所述刨刀电机的实际转速信息；
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用堵转保护策略以及速度闭环控制方法确定目标电流信息。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环控制方法确定目标电流信息，包括：
根据所述目标转速信息和所述实际转速信息采用速度闭环计算公式确定目标电流信息；
所述速度闭环计算公式如下：
Figure FDA0002912217710000021
其中，KP1为速度闭环的比例增益，Tt1为积分时间常数，Td1为微分时间常数，e1(t1)为目标转速信息r1(t1)和实际转速信息y1(t1)的差值，u1(t1)为所述速度闭环的输出速度信息。所述速度闭环的输出速度信息u1(t1)，即为所述目标电流信息。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标电流信息、所述实际电流信息和所述霍尔信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息；
根据所述霍尔信号确定所述刨刀电机的转子位置；
根据所述输出电流信息和所述转子位置确定所述PWM调节模块的调节信号；
根据所述调节信号确定所述PWM调节模块的输出信号，以控制所述逆变电桥模块输出定子磁场至所述刨刀电机。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用过流保护策略以及电流闭环控制方法确定输出电流信息。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环控制方法确定输出电流信息，包括：
根据所述目标电流信息和所述实际电流信息采用电流闭环计算公式确定电流闭环控制的输出电流信息；
所述电流闭环计算公式如下：
Figure FDA0002912217710000031
其中，KP2为电流闭环的比例增益，Tt2为积分时间常数，Td2为微分时间常数，e2(t2)为目标电流信息r2(t2)和实际电流信息y2(t2)的差值，u2(t2)为所述电流闭环控制的输出电流信息。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述工作需求信息包括档位信息和工作模式信息。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述工作模式信息包括正转加速过程信息、正转匀速过程信息、正转减速过程信息、反转加速过程信息、反转匀速过程信息和反转减速过程信息中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述逆变电桥模块包括三相逆变电桥；
所述电流信号采集模块用于采集每一相逆变电桥与所述刨刀电机连接路径上的实际电流信息，得到所述刨刀电机接收的总电流。
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