一种多路电机一体化分时控制系统与控制方法与流程

本发明涉及电机数字控制和电力电子技术领域，特别是涉及一种用于多路有刷电机的一体化分时控制系统和控制方法，具有体积小、成本低、功耗低等优点。

背景技术：

在多路电机控制领域中，每一路电机的驱动控制电路通常都是独立结构的，例如，如果有n路电机，就需要n路独立的驱动电路和功率管(或功率模块)，以及n路存有相应电机控制参数的控制芯片。这样，如果电机的数量越多，整个控制电路的体积就越大，成本也就越高。

在另外一些应用场合，例如电池供电的控制系统中，还必须考虑到电路的功耗问题，现有的低功耗控制方案一般可以分为以下三类：第一类是电路中的元器件选型均采用支持低功耗的型号，包括控制芯片、电源芯片等，这类电路对芯片选型要求较高，会增加硬件成本；第二类是通过电子电路来实现电源回路的开通或关断，例如在电源回路上串联功率管等，这类电路会增加部分硬件电路成本，并且需要额外一路外部开关信号用于触发串联在电源回路上的功率管；第三类是通过将电机的启动开关串接在电源回路上，通过断开开关来实现低功耗(零功耗)模式，这类方式对开关的类型有一定的耐压和电流等级要求。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提出一种多路电机一体化分时控制系统，解决了现有技术中多路电机分时控制系统接线复杂、成本高、体积大等问题；本发明的另一个目的是提供一种应用于上述控制系统的多路电机分时控制方法；本发明的创新性涉及到硬件拓扑结构与软件控制算法的结合。

针对第一个目的，本发明采用的一个技术方案是：一种多路电机一体化分时控制系统，包括：电源模块、电机模块、开关模块和控制模块。

进一步的，所述电源模块为直流电源或电池。

进一步的，所述电机模块包含n路有刷电机，每路有刷电机均有独立的电机参数和控制参数；所述n路有刷电机的正端分别连接到所述开关模块；所述n路有刷电机的负端则共联在一起。

进一步的，所述开关模块包括一个多路选择开关，其一端连接所述电源模块，另一端包括一个0触点和n个控制触点；所述n个控制触点分别连接n路有刷电机的正端；当触点拨至0时表示电源模块与电机模块之间的电路关断，当触点拨至第i个控制触点时，所述电源模块与第i路有刷电机正端之间的电路连通；其中，i为1到n之间的数值。

进一步的，所述电机模块的n路有刷电机，每路有刷电机的两端均并联一个续流二极管用于反向续流。

进一步的，所述控制模块包含n路电压采样电路，1路驱动电路和功率管，1路电流采样电路，1路控制芯片，1路线性电源和1路通讯接口；

所述电压采样电路分为独立的n组，分别对应所述电机模块中n路有刷电机的正端电压采样；

所述电流采样电路包括串接在所述电源模块和所述功率管之间的采样电阻，所述电流采样电路通过采集所述采样电阻两端的电压再发送给所述控制芯片进行转换实现电流采样，所述采样电阻的一端连接到所述功率管的源极(s极)，另一端连到所述电源模块的负极；

所述功率管的漏极(d极)与所述电机模块的公共负端相连，功率管的源极(s极)与所述采样电阻的一端相连，功率管的控制端(g极)连接到所述驱动电路的输出端，而所述驱动电路的输入端连接到所述控制芯片的输出引脚。

进一步的，所述控制芯片为可编程单片机mcu，其内部设有多个adc通道，并且存储有n路有刷电机的控制参数和运行程序.

进一步的，所述控制芯片的多个adc通道，分别连接所述n路电压采样电路的输出和所述电流采样电路的输出。

进一步的，所述线性电源的输入通过二极管从n路有刷电机的正端引入，用于为整个控制模块供电。

进一步的，所述通讯接口用于实现所述控制模块和外部上位机的通讯，所述上位机可以通过所述通讯接口监测所述电机模块的运行状态。

针对第二个目的，本发明采用的一个技术方案是：一种多路电机一体化分时控制方法，所述控制方法基于上述多路电机一体化分时控制系统，所述方法包括：

电压采样：电压采样电路采集n路有刷电机的正端电压信号，并传送给所述控制芯片；

电流采样：电流采样电路采集流过所述功率管的电流信号，并传送给所述控制芯片；

电机识别：控制芯片接收电压采样信号和电流采样信号，并通过分析采样结果来判断是哪一路有刷电机被所述开关模块导通，并调用相应一路有刷电机的控制参数和运行程序，对相应的一路有刷电机进行运行控制和保护；

电机缺相识别：控制芯片结合电压采样信号和电流采样信号的大小，判断相应一路有刷电机是否缺相故障。

进一步的，所述控制芯片通过pwm脉冲调制方式控制所述功率管的开通和关断，通过调节pwm的脉冲宽度，即占空比来实现所述电机模块的调速控制。

进一步的，所述电流采样和电压采样均需在所述功率管导通时间内进行，而功率管在导通瞬间，由于受du/dt的影响，电流波动较大，因此电流采样必须在所述功率管导通后延时tring时间才能进行，以保证电流采样信号的稳定性和准确性，其中tring为所述功率管导通的振铃时长，与功率管的参数相关；所述电压采样发生在电流采样以及adc结果转换完成后。

进一步的，所述电压采样通过分时控制实现，即：在所述功率管的每次导通时序内，所述电流采样电路进行一次电流信号采样，所述电压采样电路只进行一路有刷电机的电压信号采样。

进一步的，将所述控制芯片的adc采样加结果转换时间记为tadc，则通过所述电压分时采样的方法，功率管的最小导通脉冲宽度时间为：tring+2*tadc；相应的，如果不采用电压分时采样方法，则功率管的最小导通脉冲宽度时间为：tring+(n+1)*tadc；可以看出，采用本发明提出的电压分时采样方法，可以获得最小的pwm占空比，因此电机的启动电流可以更小，而且在电机识别阶段，通过最小pwm占空比来完成电机的导通识别，可以降低电机的冲击电流和转矩脉动。

进一步的，所述控制芯片上电初始化后，就开始执行分时电压采样和电流采样，不仅仅是在电机识别阶段，也在电机的启动和运行阶段；当发生故障或过流保护或过压保护时，所述控制芯片将关断功率管(此时不发生电压采样和电流采样)，并将故障事件通过所述通讯接口上报给外部的上位机，直到外部的上位机通过通讯接口清除故障事件标志位后，所述控制芯片才重新开始执行分时电压采样和电流采样。

一种多路有刷电机一体化分时控制方法，包括：

(1)所述控制器发出第i＝i+1次测试脉冲信号；

(2)所述电流采样电路在所述功率管导通后延时tring进行一次电流信号采样，第i路电压采样电路采集第i路有刷电机的正端电压信号，电压采样时刻发生在电流采样完成结果转换后，电流采样信号和电压采样信号均通过adc通道输入所述控制芯片；

(3)判断是否完成n个测试脉冲输出，若否，回到步骤(1)；

(4)若已完成n个测试脉冲输出，判断n次电流采样信号是否全为0，若是，再判断n次电压采样信号是否全为0，若n次电压采样信号也全为0，则判断为电压采样模块故障，输出报警信号；若n次电压采样信号全为vdd(假设vdd为所述直流电源的正端电压值)，则判断为驱动电流或功率管故障，输出报警信号；若第i次电压采样信号为vdd，其余各次的电压采样信号为零，则判断为第i路有刷电机缺相故障，输出报警信号；若都不是上述情况，则判断电机识别失败，设i＝0并返回步骤(1)进行新一轮的电机识别；

(5)若第i次电流采样信号非零，则判断第i次电压采样信号是否为vdd，若是，再判断其余各次的电压采样信号是否都为0，若是，则第i路有刷电机识别成功，控制芯片调用该路有刷电机的控制参数和运行程序对其进行运行控制；若其余各次的电压采样信号不是全0，则判断电机识别失败，设i＝0并重新返回步骤(1)开启新一轮电机识别。

本发明的有益效果是：本发明的创新点涉及硬件拓扑结构和软件控制算法，主要发明点为：1、通过一套控制模块实现多路有刷电机的分时控制，降低控制系统的体积、实现低能耗和低成本；2、通过电压采样和电流采样数据的结果来进行电机识别，判断出哪一路电机导通后再调用相应的控制程序进行电机运行控制；3、进一步还可以通过结合电压采样和电流采样可以识别出电机是否缺相故障；4、多路电压采样通过分时控制来实现，可以使功率管的最小pwm占空比尽量小，降低电机的启动电流，以及降低电机识别阶段的电机扭矩脉动问题。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的硬件拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例中电机n接通但功率管未导通状态的简化电路图；

图3是本发明实施例中电机n接通且功率管导通状态的简化电路图；

图4是本发明实施例中电流采样和电压采样与pwm的时序控制图；

图5是本发明实施例的软件流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例涉及到硬件拓扑结构和软件控制算法，需要两者结合才能工作。

本发明实施例的硬件拓扑结构请参阅图1，包括：

电源模块：包括直流电源[001](也可以为电池)；

开关模块：包括多路开关[002]，串接在直流电源[001]的正极和电机模块[002]的正端之间，包括一个0触点和n个控制触点；当触点拨到0时表示电路关断，触点拨到i时则表示直流电源[001]的正极和第i路电机(即电机i)的正端相连，即表示电机i开通；其中，i为1到n之间的数值；

电机模块[003]：包括n路有刷电机，每路有刷电机的正端均通过多路开关[002]连接到直流电源[001]的正极，n路有刷电机的负端则共联在一起，每路有刷电机的两端并联一个二续流极管用于反向续流；

控制芯片：包括单片机mcu[004]，用于软件算法编程及实现，存储有n路有刷电机的控制参数和运行程序，并设有多个adc输入通道；

电压采样：包括n路电压采样电路[005]，每一路电压采样电路分别对应于一路有刷电机的正端，采集对应一路有刷电机的正端电压信号并将电压采样信号送入单片机mcu[004]的adc通道；

ldo电源[006]：通过二极管从电机模块[003]的正端引入，用于给单片机mcu[004]供电；

功率管：包括mosfet管[007]，其d漏极连接电机模块[003]的公共负端，s源极通过采样电阻[009]连接到直流电源[001]的负极，g门极连接到驱动电路[008]；驱动电路[008]：连接单片机mcu[004]的控制信号端和功率管[007]的g门极，以驱动mosfet管[007]的导通和关断；

电流采样：通过在mosfet管[007]的s源极和直流电源[001]的负极之间串联一个采样电阻[009]来实现，通过采集采样电阻[009]两端的电压并将采样信号送入单片机mcu[004]的adc通道，单片机mcu[004]对采样信号进行转换来实现对mosfet管[007]的电流采样；

通讯接口[010]：用于实现单片机mcu[004]和外部上位机的通讯，上位机可以通过通讯接口[010]监测电机模块[003]的运行状态。

本发明实施例的功能说明如下：

当多路开关[002]连接到触点0时，控制系统和直流电源[001]之间的电路断开，电机模块[003]整体处于关断状态，系统零功耗。

若要开启第i路有刷电机(即电机i，i为1到n之间的数值)，则将多路开关[002]拨到第i触点；单片机mcu[004]通过电压采样电路[005]和电流采样电路的输入，并结合一系列的控制逻辑来实现：电机识别(判断哪一路电机被开启)、过压保护、过流保护、电机缺相判断、电机软启动等功能。

其中，电机识别是本发明需要保护的发明点之一。只有识别出哪一路有刷电机被导通，单片机mcu[004]才能调用相应的控制参数来完成该路电机的软启动以及带载运行。

假设多路开关[002]由外部拨到第n控制触点(此时单片机mcu[004]不知道哪一路电机被导通)，第n路有刷电机(即电机n)、直流电源[001]、mosfet管[007]之间的回路可以简化为以下两种情况。

第一种情况请参阅图2，mosfet管[007]未导通时，电机n中一般不存在电流回路(电机关断期间反电势通过续流二极管续流情况除外)，每路电机的正端电压可以认为等效于直流电源[001]的电压，记做vdd，因此单片机mcu[004]无法通过电压采样电路[005]的采样结果来识别电机。

第二种情况请参阅图3，mosfet管[007]导通时，被多路开关[002]连接的电机n通过mosfet管[007]和直流电源[001]组成回路，它的正端电压等效于直流电源[001]的电压vdd，而其余未被导通的各路电机的正端电压则等效于直流电源[001]的负端电压，即gnd。(若未被导通电机存在反电势，例如电机刚刚被关断瞬间，正端电压会随着电机转速的下降而减小)，此时，可以通过判断各路电压采样电路[005]的采样数据大小来识别哪一路电机被多路开关[002]导通。

电机缺相识别是本发明需要保护的另一个发明点。假设多路开关[002]的触点由外部拨到电机i的正端，且当mosfet管[007]导通时，如果相应的电机i正常连接时，电流采样的采样结果为非零；如果相应的电机i没有连接时(缺相)，电流采样的采样结果为零。此时，通过结合电压采样结果和电流采样结果可以识别出第i路有刷电机是否缺相故障。

进一步的，当完成电机识别后，可以通过调用单片机mcu[004]中相应的电机控制参数(例如预设的pwm占空比曲线)来实现对应一路有刷电机的软启动，带负载运行，过压/欠压保护和过流保护等。例如，在单片机mcu[004]中预存储过压阈值、欠压阈值和过流阈值，当电机识别成功后，将该路有刷电机的电压采样结果与过压阈值/欠压阈值进行比对，若电压采样结果超过预设的过压阈值，则断开mosfet管[007]，实现过压保护；若电压采样结果小于欠压阈值，也断开mosfet管[007]，实现欠压保护；类似的，若电流采样结果大于过流阈值，通过mosfet管[007]断开电路，实现过流保护。当保护事件发生后，软件里相应的标志位会被设置为1，只有上位机通过通讯接口[010]来清除相应的标志位，电机才能进入识别阶段。

上位机可以通过通讯接口[010]来监测整个控制系统的运行状态，也可以清除相应的故障标志位。

电压采样和电流采样的时序是本发明需要保护的另一个发明点。如之前分析，电压采样和电流采样需要在mosfet管[007]的导通期间进行采样才能有效识别电机的开通和关断。而mosfet管[007]在导通瞬间，由于受du/dt的影响，电流采样需要在mosfet管[007]开通后延时tring才能进行采样，其中tring为mosfet管[007]导通的振铃时长，与mosfet管[007]的参数有关；另外，由于电压采样的路数较多(共n路)，而mosfet管[007]在单个pwm周期内的导通时间如果太长，会引起较大启动电流和电机转矩脉动，因此电压采样需要通过分时采样来实现。

请参阅图4，mosfet管[007]每一个脉冲周期内，电流采样在导通瞬间延时tring后进行，同时每一个脉冲内只进行一路有刷电机的电压采样，且电压采样紧跟在电流采样adc转换完成之后，这样可以获得最小的pwm占空比，从而能有效的降低电机识别和电机启动时的冲击电流和转矩脉动影响，

请参阅图5，为本发明实施例的软件流程框图。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。