CN114967430A - 一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，涉及冲浪板技术领域，海上电动冲浪板包括驱动装置，冲浪板控制器模块，电流采样模块，速度采样模块，PID控制模块，反电动势检测模块，三相全桥驱动模块。其中电流采样模块，速度采样模块，PID控制模块，反电动势检测模块负责对驱动装置的反馈信息进行采样或处理，并输出冲浪板控制器模块；冲浪板控制器模块根据针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，输出PWM控制信号或常开控制信号控制三相全桥驱动模块的开关时间和输出脉冲大小，进而实现驱动装置的加速，进而完成电动冲浪板的稳定启动。

Description

一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法

技术领域

本发明涉及冲浪板技术领域，具体为一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法。

背景技术

海上冲浪运动在我国蓬勃发展，传统的风帆型冲浪板缺少冲浪板驱动装置，必须借助风浪才能够在海上使用，在无风浪与风浪较小时冲浪板的控制性就大幅下降。随着技术的发展，电动冲浪板增加了冲浪板驱动装置，从而可适用于各种环境，在无风浪或小风浪的海面也可行驶，弥补了传统风帆型冲浪板的技术缺陷，促进了海上冲浪运动的广泛普及。

海上电动冲浪板的冲浪板驱动装置通常为BLDCM或永磁同步电动机，其工作方式为两相导通驱动，其余相悬空。因为海上电动冲浪板海上作业的特殊工作环境，以及对重量与体积敏感的工作特性，冲浪板驱动装置均内置于冲浪板体腔内部，且无法安装霍尔位置传感器。因此目前的海上电动冲浪板大都采取检测冲浪板驱动装置反电动势的方式获取其当前位置，进而实现海上电动冲浪板的闭环控制。反电动势为冲浪板驱动装置在一定速度下，悬空相切割两导通相磁场而产生的电动势。

在海上电动冲浪板的启动阶段，此时的冲浪板驱动装置为停止或低速状态，无法产生连续的反电动势，属于开环状态，需采用一定的启动方法对冲浪板驱动装置进行加速，直至其反电动势连续清晰。如果采用不合适的启动方法，则会导致海上电动冲浪板启动失败，使冲浪人员受到溺水或受伤危险，或冲浪板驱动装置产生过大启动电流，使海上电动冲浪板受损。

发明内容

本发明的目的是提供了一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，解决海上电动冲浪板无法稳定启动，使冲浪人员受到溺水或受伤危险的问题。

本发明的进一步目的是提供针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，解决海上电动冲浪板启动阶段冲浪板驱动装置产生过大启动电流，使海上电动冲浪板整体受损的问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，海上电动冲浪板包括冲浪板控制器模块，冲浪板驱动装置，电流采样模块，速度采样模块， PID控制模块，反电动势检测模块，三相全桥驱动模块。其中电流采样模块，速度采样模块，PID控制模块，反电动势检测模块负责对冲浪板驱动装置的反馈信息进行采集，处理，并输出到冲浪板控制器模块。冲浪板控制器模块根据针对海上电动冲浪板的稳定启动方法的逻辑控制，输出PWM信号或常开信号控制三相全桥驱动模块输出脉冲，实现海上电动冲浪板的稳定启动。这里需注意速度采样模块的输出值并非冲浪板控制器模块直接获取，而是需通过PID控制模块处理后，间接输出到冲浪板控制器模块。

优选的，技术方案中，所述一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，包括以下步骤：包括以下步骤：

S1、冲浪板驱动装置初始位置的电感定位，利用冲浪板驱动装置的磁饱和效应，

在相同时间内对冲浪板驱动装置施加六个方向的相同大小的短时脉冲，比较各个脉冲的响应电流的峰值，冲浪板驱动装置初始位置与响应电流值最大的短时脉冲方向一致；

S2、通过施加长短脉冲对冲浪板驱动装置进行加速，其中短时脉冲对加速状态下的冲浪板驱动装置位置进行实时定位，长时脉冲对其进行加速；通过两者峰值电流的比较，进行长短脉冲的切换；

S3、启动过程中的过流保护，冲浪板控制器模块通过电流采样模块的电流反馈量与PID控制模块输出的电流反馈量进行实时比较判断，防护海上电动冲浪板因过大启动电流而损坏；

S4、检测冲浪板驱动装置的反电动势，输出到冲浪板控制器模块，并为其预设阈值，如果检测到连续稳定的反电动势，则会减少反电动势阈值，加快海上电动冲浪板启动完成；如果检测到非连续不稳定的反电动势，则增加冲浪板驱动装置速度，使反电动势更加明显；

S5、当反电动势阈值减小为0，海上电动冲浪板启动成功。

优选的，技术方案中，所述冲浪板控制器模块根据针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，并结合冲浪板驱动装置的反馈信息，对三相全桥驱动模块提供PWM信号或常开信号。

优选的，技术方案中，所述冲浪板驱动装置为BLDCM或永磁同步电动机，其工作方式为两相导通驱动，其余相悬空。

优选的，技术方案中，所述电流采样模块输入端连接冲浪板驱动装置，通过电流采样芯片加滤波电容的方式获取冲浪板驱动装置的电流值。输出端连接冲浪板控制器模块与PID控制模块，将冲浪板驱动装置的电流反馈到冲浪板控制器模块与PID控制模块。

优选的，技术方案中，所述速度采样模块输入端连接冲浪板驱动装置，通过对冲浪板驱动装置在一定时间内产生反电动势次数的统计与计算，获取当前冲浪板驱动装置的速度值。输出端连接PID控制模块，将冲浪板驱动装置的速度值反馈到PID控制模块。

优选的，技术方案中，所述PID控制模块，输入端连接速度采样模块与电流采样模块，通过速度采样模块与电流采样模块的输出量，以速度外环制控制和电流内环控制的方式进行双闭环控制。输出端连接冲浪板控制器模块，并将通过PID控制模块后输出调节电流值反馈到冲浪板控制器模块。

优选的，技术方案中，所述反电动势检测模块输入端连接冲浪板驱动装置，通过将冲浪板驱动装置悬空相电动势与其导通两相中点电压的比较，去检测当前冲浪板驱动装置的反电动势。输出端连接冲浪板控制器模块，并将比较结果反馈输入到冲浪板控制器模块。

优选的，技术方案中，所述三相全桥驱动模块由场效应管构成，三相全桥驱动模块输入端连接冲浪板控制器模块，冲浪板控制器模块根据针对海上电动冲浪板的启动方法为三相全桥驱动模块的上桥臂提供PWM信号，为下桥臂栅极提供常开信号或PWM信号。场效应管包括：Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6.上桥臂由Q1,Q2,Q3组成，下桥臂由Q4,Q5,Q6组成。输出端连接冲浪板驱动装置，根据冲浪板控制器模块所提供的PWM信号或常开信号，控制上，下两桥臂的开关时间与输出脉冲大小，实现驱动装置的加速，进而实现海上电动冲浪板的稳定启动。

本发明与现有技术相比有如下优点：（1）避免了传统启动方法中，冲浪板驱动装置初始位置检测不准，多次脉冲检测运行状态下的冲浪板驱动装置位置使海上电动冲浪板产生反向电磁转矩，导致海上电动冲浪板启动失败，使冲浪人员面临溺水或受伤的危险。本方法易于实施，通用性强，可广泛应用于海上电动冲浪板工作的场合。（2）本发明通过电流采样模块与PID控制模块，将冲浪板驱动装置的电流值作为针对海上电动冲浪板的稳定启动方法的控制逻辑中的变量，电流的采样值与PID控制模块的输出值将同步进行反馈，避免了海上电动冲浪板在启动时因冲浪板驱动装置较大的启动电流损坏。相较于传统启动方法中的启动过流保护具备更好的安全性与实时同步性。

附图说明

图1为本发明的海上电动冲浪板的启动控制系统示意图。

图2为本发明的反电动势检测模块示意图。

图3为本发明的三相全桥驱动模块示意图。

图4为本发明的PID控制模块示意图。

图5为本发明的针对海上电动冲浪板的稳定启动方法流程示意图。

图6为本发明的电感定位冲浪板驱动装置位置示意图。

图7为本发明的长短脉冲加速流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述。以下实施例只是本发明实施例的一部分，用于对本发明进行本发明的技术方案进行更加清晰的说明，因此只用作示例。本领域的其他技术人员在没有进行创新型劳动的而获得的实施例，都属于本发明的保护范围。需注意，本申请中所使用的学术或技术术语均为本领域人员所理解的通常含义。

如图1所示，本发明实施例是一种海上电动冲浪板的稳定启动控制系统，包括：冲浪板控制器模块，冲浪板驱动装置，电流采样模块，速度采样模块，反电动检测模块，三相全桥驱动模块，PID控制模块。其中，冲浪板驱动装置主要作用为海上电动冲浪板提供动能；冲浪板控制器模块通过获取电流采样模块，速度采样模块，反电动检测模块，PID控制模块采集到的冲浪板驱动装置的反馈值，采用针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，输出PWM信号或常开信号控制三相全桥驱动模块输出脉冲，实现对冲浪板驱动装置的加速，进而完成海上电动冲浪板的稳定启动。这里需要说明速度采样模块的输出值并非冲浪板控制器模块直接获取，而是需通过PID控制模块处理后，间接输出到冲浪板控制器模块。

本发明实施例中的冲浪板驱动装置，为无霍尔传感器的三相BLDCM，其具有结构简单，扭矩大，调速性能好，适应恶劣环境等优点，符合海上电动冲浪板长期海上作业，且对重量与体积敏感的工作特性。三相BLDCM的工作方式为A,B,C三相中两相导通，一相悬空。

本发明实施例中电流采样模块，通过电流采样芯片加滤波电容的方式，对冲浪板驱动装置的电流值进行采样，同时过滤掉过大的电流干扰，将准确的电流值反馈至冲浪板控制器模块与PID控制模块。

本发明实施例中速度采样模块，通过在一定时间内对冲浪板驱动装置产生反电动势次数的统计，计算当前冲浪板驱动装置的速度。冲浪板驱动装置的速度应为六分之一产生反电动势次数在当前时间内的比值，并将当前冲浪板驱动装置速度值反馈至PID控制模块。

如图2所示，本发明实施例通过反电动势检测模块检测冲浪板驱动装置的反电动势的产生。输入端Phase-A，Phase-B，Phase-C分别接入驱动装置A,B,C三相，输出端接冲浪板控制器模块。反电动势检测模块采用等效检测电路的方式间接引出冲浪板驱动装置导通两相的中点电压进行判断。其中NULL_A、NULL_B、NULL_C点为用于比较的冲浪板驱动装置悬空相的反电动势，Average点为用于比较的导通两相的中点电压。以AB相导通，C相悬空时为例：因冲浪板驱动装置的旋转，C相虽不导通，但也会因切割AB相导通而产生的磁场，进而产生明显的反电动势，随着冲浪板驱动装置的继续旋转，C相的反电动势会有一个明显的减小，再反向增加的过程。根据基尔霍夫定律，当C相反电动势等于0时，NULL_C点电压等于中点电压，当C相反电动势大于或小于0时，NULL_C点电压大于或小于中点电压。我们将NULL_C与Average相等的时间点，即产生一次反电动势的中点时间视为一次反电动势产生。

如图3所示，本发明实施例中三相全桥驱动模块由6个场效应管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6构成。其中Q1，Q2控制冲浪板驱动装置A相的上下桥臂，其中Q3，Q4控制冲浪板驱动装置B相的上下桥臂，其中Q5，Q6控制冲浪板驱动装置C相的上下桥臂。三相全桥驱动模块的输入端连接冲浪板控制器模块，输出端连接冲浪板驱动装置，根据冲浪板控制器模块按照针对海上电动冲浪板的稳定启动方法提供的PWM信号或常开信号，控制上，下两桥臂的开关时间与输出脉冲大小，实现冲浪板驱动装置的加速，进而实现海上电动冲浪板的稳定启动。

如图4所示，本发明实施例中PID控制模块，通过速度采样模块的反馈，获取当前冲浪板驱动装置的速度，将速度反馈值与通过计算PWM信号所得的启动速度预值进行比较，比较值为速度PID 外环得输入值。通过电流采样模块的反馈，获取当前冲浪板驱动装置的电流值，将电流反馈值与速度PID外环的输出值进行比较，比较值为电流PID 内环的输入值。经电流PID内环，输出调节电流值至冲浪板控制器模块，进而控制冲浪板驱动装置。这里需要说明，PID控制模块输出到冲浪板控制器模块的电流值，与电流采样模块输出到冲浪板控制器模块的电流值不为同一反馈量。

本发明实施例提供一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法以解决海上电动冲浪板在启动初期因冲浪板驱动装置速度不足而启动失败的问题。具体步骤如图5所示。

步骤一，冲浪板驱动装置的初始位置的电感定位。

步骤一具体流程，如图6所示：冲浪板驱动装置初始位置的电感定位，利用冲浪板驱动装置的磁饱和效应。冲浪板控制器模块通过输出PWM信号或常开信号控制三相全桥驱动模块，在相同时间内对冲浪板驱动装置施加六个方向的相同大小的短时脉冲，使用电流采样模块获取各个响应电流的峰值，通过比较各个响应电流的峰值，冲浪板驱动装置初始位置与响应电流值最大的短时脉冲方向一致，进而将冲浪板驱动装置的初始位置确定在001，010，011，100，101，110区域之一中。以冲浪板驱动装置当前位于100区域为例，在相同时间内，分六个方向导通冲浪板驱动装置三相中的两相，即A+B-,A+C-，B+A-,B+C-,C+A-,C+B-，通过对这六次短时脉冲的所产生的峰值电流进行比较，A+B-相所产生的电流值应为最大，进而确定冲浪板驱动装置的初始位置当前位于100区域。

步骤二，长短脉冲加速，通过长时脉冲增加冲浪板驱动装置速度，同时也不断利用短时脉冲的去判断冲浪板驱动装置的当前位置。

步骤二具体流程，如图6，图7所示：冲浪板控制器模块通过输出PWM信号或常开信号控制三相全桥驱动模块，对冲浪板驱动装置施加长短脉冲加速。其中对冲浪板驱动装置施加的短时脉冲完成对加速状态下的冲浪板驱动装置位置的定位，对冲浪板驱动装置施加的长时脉冲对其进行加速，使用电流采样模块获取短时脉冲和长时脉冲的电流的峰值，通过两者峰值电流的比较，进行长短脉冲切换。以冲浪板驱动装置位于A+B-相即100区域为例，此时A+C-脉冲为短时脉冲，B+C-脉冲为长时脉冲，当冲浪板驱动装置处于100区域时，B+C-所产生的峰值电流应大于A+C-所产生的峰值电流，即长时脉冲电流大于短时脉冲电流。当冲浪板驱动装置转入110区域，B+C-所产生的峰值电流应小于A+C-所产生的峰值电流，即短时脉冲电流大于长时脉冲电流，此时即可进行长短脉冲切换，长时脉冲切换B+A-,短时脉冲切换为B+C-，继续对冲浪板驱动装置进行长短脉冲加速。

步骤三，冲浪板控制器模块根据长时脉冲的峰值电流与PID控制模块反馈电流值，进行启动的过流保护。

步骤三具体流程，如图5所示：通过在步骤三采集的长时脉冲的峰值电流与PID控制模块反馈电流值进行对比，进行启动的过流保护。若长时脉冲的峰值电流小于或等于PID控制模块反馈电流值，进入反电动势判断。若长时脉冲的峰值电流大于PID控制模块反馈电流值，说明当前启动电流过大，应减少PWM信号，防止启动过流损坏海上电动冲浪板，并通过步骤二再次对长时脉冲峰值电流采样。

步骤四，检测并判断当前冲浪板驱动装置的反电动势状态。

步骤四具体流程：为反电动势预设阈值，通过反电动势检测模块检测加速状态下的冲浪板驱动装置的反电动势，如果检测到连续稳定的反电动势，则会减少反电动势阈值，加快海上电动冲浪板启动。如果捕获到到非连续不稳定的反电动势，则会增加PWM信号，增加冲浪板驱动装置速度，使接下来的反电动势更加明显，连续。

步骤五，判断电动势阈值是否为0。

步骤五具体流程：断电动势阈值是否为0。若电动势阈值不为0，则重复步骤二，三，四。当反电动势阈值减小为0，则海上电动冲浪板启动成功，这里应注意，为防止冲浪板驱动装置反转，启动后进入闭环的PWM信号应与启动中最后一次长时脉冲PWM信号一致。

本发明通过设计针对海上电动冲浪板的启动方法，实现了海上电动冲浪板的稳定启动。解决了海上电动冲浪板因冲浪板驱动装置初始位置检测不准，多次脉冲检测运行状态下的冲浪板驱动装置位置使海上电动冲浪板产生反向电磁转矩，启动过流，损坏海上电动冲浪板，或使冲浪人员受伤等问题。

最后应当说明，以上实施例仅用于对本发明进行技术方案说明，而不能作为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明实施例所采用的技术方案进行修改，替代或者变形。而这些改变，并不使相应技术实施方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，海上电动冲浪板包括冲浪板控制器模块，冲浪板驱动装置，电流采样模块，速度采样模块，PID控制模块，反电动势检测模块，三相全桥驱动模块；其特征在于：所述稳定启动方法，包括以下步骤：

S1、冲浪板驱动装置初始位置的电感定位，利用冲浪板驱动装置的磁饱和效应，

通过三相全桥驱动模块在相同时间内对冲浪板驱动装置施加六个方向的相同大小的短时脉冲，比较各个脉冲的响应电流的峰值，冲浪板驱动装置初始位置与响应电流值最大的短时脉冲方向一致；

S2、通过三相全桥驱动模块施加长短脉冲对冲浪板驱动装置进行加速，其中短时脉冲对加速状态下的冲浪板驱动装置位置进行实时定位，长时脉冲对其进行加速；通过两者峰值电流的比较，进行长短脉冲的切换；

S3、启动过程中的过流保护，冲浪板控制器模块通过电流采样模块的电流反馈量与PID控制模块输出的电流反馈量进行实时比较判断，防护海上电动冲浪板因过大启动电流而损坏；

S4、检测冲浪板驱动装置的反电动势，输出到冲浪板控制器模块，并为其预设阈值，如果检测到连续稳定的反电动势，则会减少反电动势阈值，加快海上电动冲浪板启动完成；如果检测到非连续不稳定的反电动势，则增加冲浪板驱动装置速度，使反电动势更加明显；

S5、当反电动势阈值减小为0，海上电动冲浪板启动成功。

2.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的冲浪板控制器模块，根据针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，结合冲浪板驱动装置的反馈信息为三相全桥驱动模块提供PWM信号或常开信号。

3.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的冲浪板驱动装置，通常为BLDCM或永磁同步电动机，其工作方式为两相导通驱动，其余相悬空。

4.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的冲浪板驱动装置的响应电流，峰值电流，启动电流的采集，是通过电流采样模块，即电流采样芯片加滤波电容的方式进行获取，并输出至冲浪板控制器模块的。

5.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的PID控制模块，即通过速度采样模块和电流采样模块获取冲浪板驱动装置当前速度和电流反馈量，经过PID控制模块的调节后输出反馈电流值至冲浪板控制器模块。

6.根据权利要求5所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的速度采样模块，即通过对冲浪板驱动装置在一定时间内产生反电动势次数的统计与计算，获取冲浪板驱动装置速度，并输出至PID控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的检测冲浪板驱动装置的反电动势，是通过反电动势检测模块，即通过将冲浪板驱动装置悬空相电动势与其导通两相中点电压的比较，去检测当前冲浪板驱动装置的反电动势，并输出至冲浪板控制器模块。

8.根据权利要求1所述的一种针对海上电动冲浪板的稳定启动方法，其特征在于：所述的三相全桥驱动模块，即六个场效应管，接受冲浪板控制器模块根据针对海上电动冲浪板的稳定启动方法所提供的PWM信号或常开信号，控制场效应管开关时间与输出脉冲大小，输出脉冲到冲浪板驱动装置，实现对冲浪板驱动装置的加速。

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