CN113572131B - 一种双相线圈直流无刷电机的控制方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双相线圈直流无刷电机的控制方法、装置和系统。该方法包括：获取直流无刷电机的母线电流和位置信号；根据母线电流和位置信号，计算直流无刷电机的转速；若直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值，则判定直流无刷电机堵转，并控制直流无刷电机停机；其中，第一转速阈值小于第二转速阈值。通过上述技术方案，解决了双相线圈直流无刷电机存在卡滞或堵转时换向抖动不停机的问题，实现对电机控制可靠稳定工作，避免卡滞或堵转导致电机寿命减少或损坏，具有优异的技术效果。

Description

一种双相线圈直流无刷电机的控制方法、装置和系统

技术领域

本发明实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种双相线圈直流无刷电机的控制方法、装置和系统。

背景技术

目前市场上常见的双相线圈直流无刷电机存在电机转子堵转的情况，在这种情况下，由于转子的物理位置与检测位置信号的霍尔传感器反馈的位置信号不同步，导致转子在霍尔传感器的换向位置持续抖动而产生较大的电流，从而影响电机的寿命。

以小功率水泵为例，其电机转子为无轴承旋转结构，依靠转子在泵壳内随液体悬浮转动，若水泵壳体内混入杂质或低温冷凝造成电机转子(叶轮)出现卡死现象，即堵转。堵转会造成电机电流增大，从而损坏电机或杂质颗粒损坏叶轮，以及，在霍尔传感器的换向位置堵转，转子的物理位置信号与霍尔传感器反馈的位置信号不同步，还会导致产生较大的持续电流及持续抖动。

发明内容

本发明实施例提供一种双相线圈直流无刷电机的控制方法、装置和系统，以改善双相线圈直流无刷电机在霍尔传感器的换向位置堵转引起的持续抖动的问题，延长双相线圈直流无刷电机的寿命。

第一方面，本发明实施例提供一种双相线圈直流无刷电机的控制方法，其中，该控制方法包括：

获取所述直流无刷电机的母线电流和位置信号；

根据所述母线电流和所述位置信号，计算所述直流无刷电机的转速；

若所述直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值，则判定所述直流无刷电机堵转，并控制所述直流无刷电机停机；

其中，所述第一转速阈值小于所述第二转速阈值。

可选地，所述第一转速阈值小于或等于100rpm；所述第二转速阈值大于或等于(Nmax+1000)rpm；其中，Nmax是额定转速。

可选地，在计算所述直流无刷电机的转速之前，还包括：

根据控制信号、母线电压和所述母线电流生成转速指令，以驱动所述直流无刷电机运行。

进一步地，驱动所述直流无刷电机运行，包括：

当所述直流无刷电机由0°开始旋转至180°，则控制第一线圈导通，第二线圈关闭；

当所述直流无刷电机继续旋转至359°，则控制所述第二线圈导通，所述第一线圈关闭。

可选地，该控制方法还包括：

若所述母线电流小于第一电流阈值，则判定所述直流无刷电机为空转，并控制所述直流无刷电机停机；

若所述母线电流大于第二电流阈值，则判定所述直流无刷电机为过流运行，并控制所述直流无刷电机停机。

可选地，该控制方法还包括：

还包括：

若母线电压小于第一电压阈值，则判定所述直流无刷电机为欠压运行，并控制所述直流无刷电机停机；

若母线电压大于第二电压阈值，则判定所述直流无刷电机为过压运行，并控制所述直流无刷电机停机。

第二方面，本发明实施例还提供了一种双相线圈直流无刷电机的控制装置，该装置包括：

电机状态获取模块，用于获取所述直流无刷电机的母线电流和位置信号；

转速计算模块，用于根据所述母线电流和所述位置信号，计算所述直流无刷电机的转速；

堵转保护模块，用于在所述直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值时，判定所述直流无刷电机堵转，并控制所述直流无刷电机停机；其中，所述第一转速阈值小于所述第二转速阈值。

第三方面，本发明实施例还提供了一种双相线圈直流无刷电机的控制系统，该系统包括：直流无刷电机、半桥驱动电路、霍尔传感器和控制器；

所述半桥驱动电路用于控制所述直流无刷电机的双相线圈的电流方向；所述霍尔传感器用于采集所述直流无刷电机的位置信号；所述控制器用于执行本发明第一方面实施例中任一项所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法。

进一步地，所述直流无刷电机为水泵电机。

进一步地，该系统还包括：采样电阻，所述采样电阻的第一端与所述半桥驱动电路电连接，所述采样电阻的第二端接地；以及，所述采样电阻的第一端与所述控制器的AD采样端电连接。

本发明实施例通过获取双相线圈直流无刷电机的母线电流和位置信号，根据获取到的信号，计算双相线圈直流无刷电机的转速；当双相线圈直流无刷电机的转速小于第一转速阈值或大于第二转速阈值，则判定双相线圈直流无刷电机堵转，并控制双相线圈直流无刷电机停机；其中，第一转速阈值小于第二转速阈值。由此可见，本发明双相线圈直流无刷电机的控制方法不仅在转速过小时判定为堵转，而且在转速过大时判定为堵转，堵转判断更加准确，能够及时控制堵转停机解决了双相线圈直流无刷电机存在堵转时换向抖动不停机的问题，实现对电机控制可靠稳定工作，避免堵转导致电机寿命减少或损坏，具有优异的技术效果。以及，本发明实施例还可以适用于双相线圈直流无刷电机存在卡滞时换向抖动不停机的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的双相线圈直流无刷电机控制方法流程图；

图2是本发明实施例二提供的双相线圈直流无刷电机控制方法细化流程图；

图3是本发明实施例三提供的双相线圈直流无刷电机的控制装置的结构示意图；

图4是本发明实施例四提供的双相线圈直流无刷电机控制系统的信号关系示意图；

图5是本发明实施例四提供的双相线圈直流无刷电机控制系统的电路关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的双相线圈直流无刷电机控制方法流程图。该方法可以由双相线圈直流无刷电机控制装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件方式实现。参考图1，该控制方法包括如下步骤：

S110、获取直流无刷电机的母线电流和位置信号。

其中，直流无刷电机的母线电流可以由控制器来获取。位置信号是指电机的旋转位置，可以采用位置传感器来获取，位置传感器可用来检测位置，位置传感器有接触式和接近式两种。优选的，采用接近式的霍尔传感器检测电机的旋转位置信号，霍尔传感器的精度高、线性度好，位置重复精度高，可达μm级。

S120、根据母线电流和位置信号，计算直流无刷电机的转速。

其中，计算直流无刷电机的转速可以对电机进行堵转判断、短路保护和过流保护。示例性地，转速计算方法包括获取母线电流，将母线电流转化为电压信号，将电压信号放大处理得到放大信号，将放大信号进行滤波处理得到方波信号，根据方波信号计算转速值。

S130、若直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值，则判定直流无刷电机堵转，并控制直流无刷电机停机；其中，第一转速阈值小于第二转速阈值。

其中，电机堵转是电机在转速为0rpm时仍然输出扭矩的一种情况，一般都是机械的或者人为的。由于电机负载过大、拖动的机械故障、轴承损坏扫膛等原因引起的电动机无法启动或停止转动的现象。电机堵转时功率因数极低，堵转时的电流(称堵转电流)最高可达额定电流的7倍，时间稍长就会烧坏电机。以水泵为例，在实际应用中，当水泵卡滞或冷却液中混入杂质堵住转子的叶轮时，电机的转速降低，因此，当电机的转速小于第一转速阈值时(例如低于100rpm)，可以判定电机堵转。在其他情况中，例如转子的N或S极旋转到霍尔换向临界位置并且此时卡滞，此时霍尔输出的转速较高，电机的转速大于第二转速阈值时，即大于(Nmax+1000)rpm，其中，Nmax是额定转速，可以判断出直流无刷电机此时发生堵转。需要控制直流无刷电机停机，实现对电机的堵转保护。

本发明实施例通过获取双相线圈直流无刷电机的母线电流和位置信号，计算双相线圈直流无刷电机的转速。对计算得到的双相线圈直流无刷电机转速进行阈值判断，若双相线圈直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值，则判定双相线圈直流无刷电机堵转，其中，第一转速阈值小于第二转速阈值。当出现堵转时，控制双相线圈直流无刷电机停机。解决了双相线圈直流无刷电机存在卡滞或堵转时换向抖动不停机的问题，实现对电机控制可靠稳定工作，避免卡滞或堵转导致电机寿命减少或损坏，具有优异的技术效果。

实施例二

本实施例以上述实施例为基础进行细化，图2是本发明实施例二所提供的双相线圈直流无刷电机控制方法细化流程图。

参见图2，可选地，在计算双相线圈直流无刷电机的转速之前，还包括：根据控制信号、母线电压和母线电流生成转速指令，以驱动双相线圈直流无刷电机运行。其中，控制信号可以是传感器检测电机的旋转位置，把检测得到的位置信号送到控制器处理，控制器根据母线电压、母线电流生成转速指令，驱动电机运行。母线电压、母线电流的获取可以通过采样装置来完成对数据的采集。

继续参见图2，该控制方法包括：S201、初始化。在上电后进行初始化以利于电机的稳定运行。初始化完成后执行S202、检测电压与电流。其中，检测电压是指检测母线电压，检测电流是指检测母线电流。根据接收到的控制信号以及电压、电流信号，生成转速指令，使得电机根据转速指令运行。在电机运行过程中执行S203、检测转速与电流。如果转速与电流与控制指令相符，则执行S205、电机正常运行。如果第一转速阈值小于等于100rpm或第二转速阈值大于等于(Nmax+1000)rpm，其中，Nmax是额定转速，则执行S204、堵转，电机堵转后执行S206、停机。

在上述各技术方案中，可选地，驱动双向线圈直流无刷电机运行，包括：当直流无刷电机由0°开始旋转至180°，则控制第一线圈导通，第二线圈关闭；当直流无刷电机继续旋转至359°，则控制第二线圈导通，第一线圈关闭。

在上述各技术方案的基础上，还可以进行空转控制、欠压控制、过压控制和过流控制等。可选地，双相线圈直流无刷电机的控制方法还包括：若母线电流小于第一电流阈值，则判定直流无刷电机为空转，并控制直流无刷电机停机；若母线电流大于第二电流阈值，则判定直流无刷电机为过流运行并控制直流无刷电机停机。

其中，第一电流阈值和第二电流阈值的具体设定与转速相关，在实际应用中可以根据需要进行设定。示例性的，转速为2500rpm，设定第一电流阈值是100mA，设定第二电流阈值是500mA。当转速为2500rpm时，母线电流小于100mA，可以判定电机为空转，控制直流无刷电机停机；母线电流大于300mA时，则判定正常运行；母线电流大于500mA时，则判定直流无刷电机为过流运行，控制直流无刷电机停机。

可选地，双相线圈直流无刷电机的控制方法还包括：若母线电压小于第一电压阈值，则判定直流无刷电机为欠压运行，并控制直流无刷电机停机；若母线电压大于第二电压阈值，则判定直流无刷电机为过压运行，并控制直流无刷电机停机。其中，第一电压阈值和第二电压阈值的大小根据需要进行设置，本发明实施例对电压阈值的具体数值不进行限制。

本发明实施例解决了双相线圈直流无刷电机换向效率问题，实时监控电机工作状态，实现对电机的控制，对电机进行空转保护、过流保护、欠压保护和过压保护。保护电机可靠工作，若出现异常及时停机。

实施例三

图3是本发明实施例三提供的双相线圈直流无刷电机控制装置的结构示意图，本实施例对应上述方法实施例，该控制装置300包括：电机状态获取模块301、转速计算模块302和堵转保护模块303。

电机状态获取模块301用于获取双相线圈直流无刷电机的母线电流和位置信号。转速计算模块302用于根据母线电流和位置信号，计算双相线圈直流无刷电机的转速。堵转保护模块303用于在双相线圈直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值时，判定双相线圈直流无刷电机堵转，并控制双相线圈直流无刷电机停机；其中，第一转速阈值小于所述第二转速阈值。

本发明实施例所提供的双相线圈直流无刷电机控制装置可执行本发明任意实施例所提供的双相线圈直流无刷电机控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

值得注意的是，上述双相线圈直流无刷电机控制装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

实施例四

图4是本发明实施例四提供的双相线圈直流无刷电机的控制系统的信号关系示意图；图5是本发明实施例四提供的双相线圈直流无刷电机控制系统的电路关系示意图。

本实施例提供的双相线圈直流无刷电机控制系统可执行本发明任意实施例所提供的控制方法，其技术原理和产生的效果类似。具体地，参见图4和图5，该控制系统包括直流无刷电机401、半桥驱动电路402、霍尔传感器403和控制器404。

半桥驱动电路402用于控制直流无刷电机401的双相线圈的电流方向；霍尔传感器403用于采集所述直流无刷电机401的位置信号；控制器404用于执行上述方法实施例中任一项所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法。其中，霍尔传感器403连接直流无刷电机401，并采集电机的旋转位置信号，控制器404连接霍尔传感器20并接收位置信号，控制器404连接并控制半桥驱动电路402控制线圈导通或截止，改变半桥驱动电路402的状态实现直流无刷电机401电流方向持续换向维持电机持续旋转，实现对电机的换向控制。

可选地，双相线圈直流无刷电机为水泵电机，其使用永磁无刷直流电机的原理，在其转子上加上叶轮，在外壳结构上设计成使液体作离心运动的腔体构成，因没有碳刷摩擦，所以不会产生火花。其具有效率高、低功耗、比有刷电机寿命长、噪音低的有益效果。该系统可以检测水泵是否堵转，当水泵卡滞或冷却液中混入杂质堵住转子的叶轮时，控制水泵停机，从而避免叶轮损坏与电机损坏。

双相线圈直流无刷电机的控制系统还包括：采样电阻405，采样电阻405的第一端与半桥驱动电路402电连接，采样电阻405的第二端接地；以及，采样电阻405的第一端与控制器的AD采样端电连接。

示例性的，采样电阻405的第一端与半桥驱动电路402电连接，采样电阻405的第二端接地，采样电阻405的第一端还与控制器404的采样端AD电连接。该控制系统中的采样电阻是为了完成对母线电流和母线电压的采集。控制器404的端口GND接地，控制器404的端口VCC通过低压差线性稳压器LD0连接电源，霍尔传感器403发送位置信号至控制器404的端口HAL1。直流无刷电机401包括第一线圈L1和第二线圈L2，半桥驱动电路402由第一低边驱动MOS管H1和第二低边驱动MOS管H2组成，两个低边驱动MOS管分别控制对应的线圈导通或者关闭，实现对电流的换向控制。

其中，当直流无刷电机由0°开始旋转至180°，则控制第一线圈导通，第二线圈关闭，电流方向从上到下；当直流无刷电机继续旋转至359°，则控制第二线圈导通，第一线圈关闭，电流方向从上向下。

可选的，控制器可以选用单片机。单片机根据位置信号控制驱动线圈导通或截止以对电机进行换向控制。采用霍尔磁传感器检测电机旋转位置，把检测得到的位置信号送到单片机处理，单片机输出换向后PWM控制信号，电机每旋转180度霍尔传感器状态发生一次改变。过程一、当电机从0度开始旋转，霍尔传感器检测到位置1，单片机处理输出PWM控制信号使线圈L1导通、L2关闭，电流方向从上到下；过程二、当电机旋转到181度霍尔传感器检测到位置2，单片机处理输出PWM控制信号使L2导通、L1关闭，电流方向从上向下。其中由于线圈的绕法，线圈L1与线圈L2的电流流向成180度的方向，重复过程一和过程二，实现电机电流方向持续换向维持电机持续旋转。位置1、位置2根据实际电机设计进行选择，通常位置为磁极交叉点，具体根据电机设计选择。

输入PWM信号可以调节电机转速，PWM输入信号频率、占空比及调节对应转速可以自定义。PWM输入控制电机转速，转速可调，调节曲线可定义。控制器发出处理后的PWM控制信号至半桥驱动线圈。

本发明实施例中的控制系统包括直流无刷电机、半桥驱动电路、霍尔传感器和控制器；直流无刷电机为水泵电机；采样电阻可以采集母线电流和母线电压的数据。该控制系统可以保护电机可靠工作，出现异常及时停机保护设备，电气恢复正常自动恢复，是一种性能优良的双相线圈直流无刷电机的控制系统。

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)

1.一种双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，包括：

获取所述直流无刷电机的母线电流和位置信号；

根据所述母线电流和所述位置信号，计算所述直流无刷电机的转速；

若所述直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值，则判定所述直流无刷电机堵转，并控制所述直流无刷电机停机；

其中，所述第一转速阈值小于所述第二转速阈值。

2.根据权利要求1所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，所述第一转速阈值小于或等于100rpm；所述第二转速阈值大于或等于(Nmax+1000)rpm；其中，Nmax是额定转速。

3.根据权利要求1所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，在计算所述直流无刷电机的转速之前，还包括：

根据控制信号、母线电压和所述母线电流生成转速指令，以驱动所述直流无刷电机运行。

4.根据权利要求3所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，驱动所述直流无刷电机运行，包括：

当所述直流无刷电机由0°开始旋转至180°，则控制第一线圈导通，第二线圈关闭；

当所述直流无刷电机继续旋转至359°，则控制所述第二线圈导通，所述第一线圈关闭。

5.根据权利要求1所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，还包括：

若所述母线电流小于第一电流阈值，则判定所述直流无刷电机为空转，并控制所述直流无刷电机停机；

若所述母线电流大于第二电流阈值，则判定所述直流无刷电机为过流运行，并控制所述直流无刷电机停机。

6.根据权利要求1所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法，其特征在于，还包括：

若母线电压小于第一电压阈值，则判定所述直流无刷电机为欠压运行，并控制所述直流无刷电机停机；

若母线电压大于第二电压阈值，则判定所述直流无刷电机为过压运行，并控制所述直流无刷电机停机。

7.一种双相线圈直流无刷电机的控制装置，其特征在于，包括：

电机状态获取模块，用于获取所述直流无刷电机的母线电流和位置信号；

转速计算模块，用于根据所述母线电流和所述位置信号，计算所述直流无刷电机的转速；

堵转保护模块，用于在所述直流无刷电机的转速小于第一转速阈值，或大于第二转速阈值时，判定所述直流无刷电机堵转，并控制所述直流无刷电机停机；其中，所述第一转速阈值小于所述第二转速阈值。

8.一种双相线圈直流无刷电机的控制系统，其特征在于，包括：直流无刷电机、半桥驱动电路、霍尔传感器和控制器；

所述半桥驱动电路用于控制所述直流无刷电机的双相线圈的电流方向；所述霍尔传感器用于采集所述直流无刷电机的位置信号；所述控制器用于执行权利要求1-6任一项所述的双相线圈直流无刷电机的控制方法。

9.根据权利要求8所述的双相线圈直流无刷电机的控制系统，其特征在于，所述直流无刷电机为水泵电机。

10.根据权利要求8所述的双相线圈直流无刷电机的控制系统，其特征在于，还包括：

采样电阻，所述采样电阻的第一端与所述半桥驱动电路电连接，所述采样电阻的第二端接地；以及，所述采样电阻的第一端与所述控制器的AD采样端电连接。