CN1872598A - 一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法与系统。在该系统启动时先将电动机预先刹车，以检测并记录电动机静止时的静止电枢电流值。之后，在需要将电动机刹车时，输出反向控制电压，并检测电枢电流值。当所检测的电枢电流值与静止电枢电流值相等时，即完成直流有刷电动机刹车控制的动作。本发明可以在任何状态下，在短时间内完成将直流有刷电动机完全刹车停转的目的，同时，可应用在不同的直流有刷电动机上而得到相同的效果。

Description

一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及直流有刷电动机(Direct Current Brushed Motor)的刹车方法与系统，尤其是涉及一种无霍尔组件(Hall Sensor)的直流有刷电动机刹车控制方法及其系统。

背景技术

在一般的直流无刷电动机(Brushless Motor)控制系统中，多数安装有霍尔组件，因此可直接获得转速FG(Frequency Generator)信号，或是利用三相控制信号经由外部芯片生成转速信号。而当转速信号为零时，即表示电动机完成刹车进入停止状态。

另外，许多直流有刷电动机也包含霍尔组件，以具有较好的控制性能并易于获得反馈(Feedback)信号。但在价格逐渐低廉的消费市场中，此种电动机无法满足成本需求，因此需要一种结构较简易的无霍尔组件的直流电动机。

然而，使用无霍尔组件的电动机有多种以往不存在的问题亟待解决，其中之一便是电动机的刹车(停止)问题。

一般电动机刹车的方法有两种：第一种为立即停止向电动机提供电流，使电动机失去动力而逐渐进入停止状态。但此种方式所需时间较长，无法快速达到完全停止的目的，在许多场合无法满足使用需求。第二种为提供电动机反向电流(Reverse Current)而使其有较大的减速度(Deceleration)，以迅速完成刹车动作。但在无转速信号反馈的直流电动机系统中，此方法不易准确得知电动机是否为完全静止不动的状态，尤其在负载(Load)不同时，有可能会发生提前停止刹车动作或是刹车过度造成反转的现象。

请参考图1，为现有技术中具有霍尔组件的无刷直流电动机系统的电路方框图。现有技术中具有霍尔组件的直流无刷电动机系统100可直接检测并反馈电动机转速。处理单元(Processing Unit)101经由电动机驱动器(Driver)102驱动直流无刷电动机103，电动机103转动之后再经由电动机驱动器102产生转速信号，提供给予处理单元101进行转速控制及刹车控制。但是，此系统的缺点是价格较高，且电路复杂度较高。

我国台湾省第584836号专利提出一种利用检测无霍尔组件直流电动机的电枢电流(Armature Current)，来计算电动机系数及转速的控制装置与方法。此方法需要分别依据不同的电动机进行数学运算以得到电动机系数，程序可移植性较低。另外，此方法使用一差动放大电路(Differential Amplifiercircuit)来计算电枢电流，但无法确保所使用电阻间的匹配及解决噪声干扰问题，故计算出的电枢电流亦有误差。因此，利用这一有误差的电枢电流代入公式，其所推导出的电动机系数与转速的准确度较低。而且，该专利是用来计算电动机系数及转速，并未披露如何进行刹车控制。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种无霍尔组件的直流有刷电动机的刹车控制方法。

为达成上述目的，本发明之无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，包括：

1)将无霍尔组件的直流有刷电动机预先刹车后，检测该直流有刷电动机的电枢电流值作为静止电枢电流值；以及

2)当收到刹车命令时，进行该电动机的刹车动作，并同时检测该电动机的电枢电流值，直到其等于所述静止电枢电流值。

其中所述步骤1)包括：

11)检测该直流有刷电动机的电枢电流值；

12)根据上述检测的电枢电流值，产生周期性变化的刹车控制信号，并在该刹车控制信号处于低电平状态时，检测该电动机的电枢电流值；以及

13)若连续测量达到预定次数的电枢电流值皆相同时，则停止产生所述刹车控制信号，并将所测得的电枢电流值记录为所述静止电枢电流值。

优选地，所述步骤12)的刹车控制信号的低电平的状态为无电压状态。

优选地，所述步骤12)的刹车控制信号的低电平的状态为电压为0。

优选地，所述步骤12)还包括根据每次测得的电枢电流值的差距量的变化，改变刹车控制信号的电压。

所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，所述步骤2)包括：

21)产生一周期性变化的刹车控制信号；

22)在所述刹车控制信号的低电平期间，检测所述电动机的电枢电流值，记录为检测电枢电流值；以及

23)比较所述电动机的检测电枢电流值与所述静止电枢电流值，若所述检测电枢电流值等于所述静止电枢电流值，则停止产生所述刹车控制信号。

优选地，所述步骤21)还包括：根据每次测得的电枢电流值的差距量的变化，改变的刹车控制信号的电压。

本发明同时提供一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统，包括：

处理单元，根据刹车命令，产生周期性变化的刹车控制信号；

电动机驱动器，接收所述周期性变化的刹车控制信号，产生电动机驱动信号；

直流有刷电动机，接收该电动机驱动信号的驱动；

电流检测装置，在该刹车控制信号的低电平期间检测该直流有刷电动机的电枢电流值，并将检测到的电枢电流值输出至所述处理单元；

其中，所述处理单元在所述电枢电流值等于所述静止电枢电流值时，则停止产生所述刹车控制信号。

优选地，所述处理单元在接收到所述刹车命令之后，产生固定电压值的所述刹车控制信号或者根据所述电流检测装置所测得的电枢电流值调整所述刹车控制信号的电压值。

优选地，所述处理单元为中央处理器。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

首先，本发明提供的方法通过检测电枢电流值判断电机是否停转，可以精确、快速地控制直流电动机在短时间内完全刹车停转的目的。其次，本发明提供的方法可应用在不同的直流有刷电动机上而得到相同的效果，能避免电动机的组件误差值、电路偏移、电动机的个别差异所造成的影响。这是由于，该方法针对每一台电动机都进行静止电枢电流检测，并获得该电动机的静止电枢电流值。将该值用于刹车，可以避免电动机之间的差异影响刹车的精确性。

附图说明

图1为现有技术中具有霍尔组件的无刷直流电动机系统的电路方框图；

图2是本发明实施例中无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法流程图；

图3是图2中的预先刹车过程的流程图；

图4为脉波检测电流方式时的刹车控制信号的输出波形；

图5是图2中的执行刹车过程的流程图；

图6是本发明实施例中无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统电路方框图。

元件标号说明：

100 具有霍尔组件的无刷直流电动机系统

101 处理单元

102 电动机驱动器

103 直流无刷电动机

600 无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统

603 直流有刷电动机

604 电流检测装置

具体实施方式

本发明的原理是：通过检测直流有刷电动机的电枢电流值，以得知是否有因电动机转动造成的反电动势(Back Electromotive Force)而产生的电流。

本发明在系统启动时，先将电动机预先刹车，检测并记录电动机静止时的静止电枢电流值。

在需要将电动机刹车时，利用反向电流迅速将电动机减速，并持续检测电枢电流值，将该电枢电流值与静止电枢电流值进行比较。当该电枢电流值与静止电枢电流值相等时，即表示电动机为静止状态，停止提供反向电流并完成刹车动作。

由于电流值相同，即表示电动机转动而产生的反电动势亦相同，所以电动机达到和预先刹车(原先静止状态)相同的转速，即转速为零，也就完成了直流有刷电动机刹车控制的动作。

请参照图2，为本发明无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法的流程图。该方法包括如下步骤：

步骤S202，将无霍尔组件的直流有刷电动机预先刹车后，检测电动机的电枢电流值作为静止电枢电流值。该步骤仅需在系统启动时执行一次即可。

步骤S204，检查是否接收到刹车命令，若是，跳到步骤S206；若否，则重复本步骤。

步骤S206，进行电动机的刹车动作，并同时检测电动机的电枢电流值，直到电动机的电枢电流值等于步骤S202所述的静止电枢电流值。

图3是图2中的预先刹车过程的流程图。以下根据该图说明预先刹车过程的步骤。

步骤S302，检测电动机的电枢电流值。

步骤S304，根据步骤S302所检测的电枢电流值产生具有反向电压的周期性刹车控制信号，以使该直流有刷电动机进行减速动作。

步骤S306，检测电枢电流。在刹车控制信号为低电压时，检测电枢电流值。此为脉宽检测电流方式，于稍后说明。所述的刹车控制信号为低电压是指刹车控制信号的电压为0或无电压的状态。

步骤S308，检查是否在预设次数N(N为正整数)的连续脉宽周期中所测得的电枢电流值皆相同。若是，则跳到步骤S310。若否，则回到步骤S306。

步骤S310，停止产生刹车控制信号，同时将所测得的电枢电流值记录为静止电枢电流值。

本发明在进行预先刹车的减速过程中，是利用脉宽检测电流来检测电动机的电枢电流值。以下详细说明脉宽检测电流方式。

图4为所述脉宽检测电流方式的刹车控制信号的输出波形。如该图所示，该刹车控制信号为周期性脉宽信号。在每个脉宽周期中，在一部份时间输出控制电压，如图4中的第一、第二控制电压(即反向电压或高电压)，其余时间则不输出控制电压(即刹车控制信号为低电压或无电压状态或电压为0)。在不输出控制电压时，电动机的电流即完全由电动机的反电动势产生，此时可进行电流检测。从第k(k为正整数)次检测电流值开始，若在预设次数N的连续脉宽周期中所测得的电枢电流值皆相同，即表示此直流电动机在足够长的时间内没有转速上的变化，因此可判定电动机的转速为0。在检测电流过程中，可根据每次测得的电枢电流值的差距量而改变控制电压。例如，各电流检测值差距量较大时，可提供较大的电动机控制电压(如第一控制电压)。而各电流检测值差距量变小时，可提供较小的电动机控制电压(如第二控制电压)。

图5是图2中执行刹车过程的流程图。

步骤S502，产生具反向电压的周期性刹车控制信号。

步骤S504，在刹车控制信号的电压为0时检测电动机的电枢电流值。

步骤S506，判断所测得的电枢电流值是否等于静止电枢电流值。若是，则跳到步骤S508；若否，则回到步骤S504。

步骤S508，电动机已处于静止状态，停止产生刹车控制信号。

由于在刹车控制信号的每个脉宽检测电流中，一部分脉宽时间中有电压，而在其余时间内电压为0，以期检测到的电枢电流值为原完全静止状态下的静止电枢电流值，与直流电动机转动所产生的反电动势而形成的电流值的总和。当检测到的电枢电流值和原完全静止状态下的静止电枢电流值相同时，即表示电动机产生的反电动势为零，电动机为静止状态。

值得注意的是，不论在预先刹车过程或执行刹车过程，若持续供应控制电压给电动机，而不检测电枢电流，有可能会造成电动机的反转。由于本发明利用了电路的速度远快于电动机机械反应速度的特性，并在预先刹车过程或执行刹车过程中密切地监控电动机的电枢电流，所以可以精确地控制所有的刹车过程。

图6是本发明无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统的电路方块图。此系统600包含处理单元101、电动机驱动器102、直流有刷电动机603与电流检测装置604。处理单元101系根据刹车命令来产生具反向电压的周期性刹车控制信号。电动机驱动器102接收此刹车控制信号后产生电动机驱动讯号来驱动直流有刷电动机603。电流检测装置604在每一个脉宽周期的低电平(即无电压状态或电压为0)时间内检测电动机的电枢电流值，并将所测得的电枢电流值输出至处理单元101。

另外，处理单元101在接收到预先刹车命令或刹车命令之后，也会根据电流检测装置604所测得的电枢电流值来调整刹车控制信号的电压值。例如，各电流检测值差距量较大时，可提供电压较高的刹车控制信号。而各电流检测值差距量变小时，可提供电压较低的刹车控制信号。

其中，处理单元101可以用一般的中央处理器来实施，电流检测装置604可利用电阻与运算放大电路来实施。

本发明可应用在不同的直流有刷电动机上而有相同的效果，能避免电路上的组件误差值、电路偏移、电动机的个别差异所造成的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，包括步骤：

1)将无霍尔组件的直流有刷电动机预先刹车后，检测该直流有刷电动机的电枢电流值作为静止电枢电流值；以及

2)当收到刹车命令时，进行该电动机的刹车动作，并同时检测该电动机的电枢电流值，直到其等于所述静止电枢电流值。

2、根据权利要求1所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，其中所述步骤1)包括：

11)检测该直流有刷电动机的电枢电流值；

12)根据上述检测的电枢电流值，产生周期性变化的刹车控制信号，并在该刹车控制信号处于低电平状态时，检测该电动机的电枢电流值；以及

13)若连续测量达到预定次数的电枢电流值皆相同时，则停止产生所述刹车控制信号，并将所测得的电枢电流值记录为所述静止电枢电流值。

3、根据权利要求2所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，所述步骤12)的刹车控制信号的低电平的状态为无电压状态。

4、根据权利要求2所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，所述步骤12)的刹车控制信号的低电平的状态为电压为0。

5、根据权利要求2所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，所述步骤12)还包括：根据每次测得的电枢电流值的差距量的变化，改变刹车控制信号的电压。

6、根据权利要求1所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，所述步骤2)包括：

21)产生一周期性变化的刹车控制信号；

22)在所述刹车控制信号的低电平期间，检测所述电动机的电枢电流值，记录为检测电枢电流值；以及

23)比较所述电动机的检测电枢电流值与所述静止电枢电流值，若所述检测电枢电流值等于所述静止电枢电流值，则停止产生所述刹车控制信号。

7、根据权利要求6所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制方法，其特征为，所述步骤21)还包括：根据每次测得的电枢电流值的差距量的变化，改变的刹车控制信号的电压。

8、一种无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统，包括：

处理单元，根据刹车命令，产生周期性变化的刹车控制信号；

电动机驱动器，接收所述周期性变化的刹车控制信号，产生电动机驱动信号；

直流有刷电动机，接收该电动机驱动信号的驱动；

其特征为，进一步包括：

电流检测装置，在该刹车控制信号的低电平期间检测该直流有刷电动机的电枢电流值，并将检测到的电枢电流值输出至所述处理单元；

其中，所述处理单元在所述电枢电流值等于所述静止电枢电流值时，则停止产生所述刹车控制信号。

9、根据权利要求8所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统，其特征为，所述处理单元在接收到所述刹车命令之后，根据所述电流检测装置所测得的电枢电流值调整所述刹车控制信号的电压值。

10、根据权利要求8所述的无霍尔组件的直流有刷电动机刹车控制系统，其特征为，所述处理单元为中央处理器。

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