一种可变驱动方式的直流有刷电机控制方法与流程

本发明涉及电机控制领域，更具体地，涉及一种可变驱动方式的直流有刷电机控制方法。

背景技术：

现有的有刷电机控制系统主要采用的是H桥驱动电路。如图1，为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图1及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图1所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图2中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

EPS系统中的功率管因功率较大，一般会选用内阻较小的场效应管，即MOSFET。

根据H桥驱动时和续流时功率管的开启方式可以分为单极性控制和双极性控制。续流时电流往电源回流的控制方式称为双极性控制方式（图4），续流时电流不往电源回流而只在H桥内部流动的方式称为单极性控制（图5）。

单极性控制在大电流时具有效率高损耗低的优点，双极性控制在小电流时具有精细控制优点，而同时两者也存在不同的不足，即单极性控制在小电流时难以实现精细控制，而双极性控制在大电流时存在损耗大，电磁兼容性差的缺陷。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种可变驱动方式的直流有刷电机控制方法。该控制方法结合了单一控制方法各自的优点，避免了其各自的缺点，即在电机电流较小时采用双极性控制方法，在电机电流较大时采用单极性控制方法，采用该方法保证了小电流的精细控制和大电流时的高效率低损耗。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种可变驱动方式的直流有刷电机控制方法，其具体实现过程为：对电机的电流进行分段划分，基于设定的电流阈值将电流划分为大电流和小电流，小电流时采用双极性控制方式，大电流采用单极性控制方式；同时在大电流和小电流交接处选取一个切换工作范围，所采用的控制方式在该切换工作范围对单极性和双极性控制方法进行迟滞切换。

优选的，所述切换工作范围的选取条件同时满足以下三个条件：

（1）双极性效率曲线拐点处至电机最大电流之间；

（2）不大于电机最大电流的二分之一；

（3）单极性控制方式和双极性控制方式的效率最接近的区域。

优选的，在切换工作范围进行切换时采用切换过程模型输出切换数据，所述切换过程模型具体为：

基于当前的电机电流进行基础计算，根据当前的控制方式和电流得到切换后基础输出值；

基于当前电机的温度、转速和电压进行补偿计算，根据当前的控制方式得到切换后补偿输出值；

将基础输出值和补偿输出值两者相加得到切换模型的输出值，并基于该输出值进行平滑的切换。

优选的，所述基于当前的电机电流进行基础计算的过程为：当电源电压在额定电压12V，温度在常温25摄氏度时，根据切换方向分别得到：

X=A*Iy

Y=B*Ix

X代表从双极性切换到单极性的切换后基础输出值，Iy代表切换之前即工作在双极性时的电机电流，Y代表从单极性切换到双极性的切换后基础输出值，Ix代表切换之前即工作在单极性时的电机电流，系数A和B由实验分别测得；

基于当前电机的温度、转速和电压进行补偿计算的过程为：

Z = f（T，V，n）

Z为切换后补偿输出值，是电机的温度、转速和电压的非线性函数，其函数关系通过实验测量再拟合得到，通过查表方法实现；T为电机温度，V为电机电压，n为电机转速。

优选的，所述在使用切换过程模型前还包括基于当前的电机电流进行切换判断，当需要切换时则采用切换过程模型进行切换，否则按照当前的控制方式进行控制。

优选的，所述设定的电流阈值为15A。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明实现了单极性和双极性控制方法共存，实时动态切换，合理利用了两种控制方式的优点；能够提高有刷电机在小电流工作时的控制精度；减小有刷电机在大电流工作时的系统损耗；同时降低有刷电机在大电流工作时的电磁干扰。

附图说明

图1为 H桥驱动电路示意图。

图2为H桥电路驱动电机顺时针转动示意图。

图3 为H桥驱动电机逆时针转动示意图。

图4为双极性控制方式示意图。

图5为单极性控制方式示意图。

图6为本发明控制方法工作流程示意图。

图7为单极性控制PWM与电流关系示意图。

图8为双极性控制PWM与电流关系示意图。

图9为本发明控制方法PWM与电流关系示意图。

图10为本电机特性关系示意图。

图11为本发明切换过程模型示意图。

图12为本发明切换过程模型作用环节示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明控制方法的改进之处就是将两种控制方法结合在一起，取其优点，避其缺点。

本发明控制方法同时采用了成熟的单极性控制方法和双极性控制方法，突破了采用单一控制方法的传统控制方式。有其明显的优势，但增加了一个切换过程，这个切换过程是否顺畅将直接影响电机的控制性能。所以切换过程将是本发明的重中之重。

本发明控制方法的技术原理为根据电流大小进行分段控制，小电流采用双极性控制方法，大电流采用单极性控制方法，在两种控制方法之间进行动态切换。

单极性控制方式PWM与电流关系基本成线性关系，其关系如图7所示。

双极性控制方式PWM与电流关系分成两段线性关系，其关系如图8所示。

同时采用单极性和双极性控制方法的本发明控制方法其PWM与电流关系如图9所示。

选择合适的电机电流切换工作范围对控制方法进行切换，切换过程采用迟滞比较器，避免振荡产生；切换工作范围的选取考虑以下因素：（1）切换工作范围必须在如图8中的拐点（即两条直线的折点处）至最大电流之间，以避开电流为0至拐点之间的小电流控制敏感的区域；（2）切换工作范围不应选择过大（超过最大电流的一半则认为过大）而没有合理利用单极性控制的优点；（3）如图10，为方便进行切换计算，尽量让电机在不同控制方式下的效率比较接近的区域时进行切换。

因为在电机控制过程中更改了控制方式，此过程PWM会出现跳变，所以要做到切换平滑过渡是很困难的，同时因温度变化，电机特性因温度变化，电机转速变化，电源电压变化等因素都会对切换过程产生影响，这众多因素就让切换难上加难。针对这个问题本发明设计了一个集多个因素而自适应的调整切换过程模型，使得在不同的电源电压，不同的电机转速，不同的电机温度等工况下均能自适应，输出恰当的数据进行控制方法的平滑切换，切换模型的示意图如图11所示。切换过程模型作用于控制框图的PI和前馈环节，如图12所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。