本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种基于锁频环的电机控制方法及装置。
背景技术：
：在直流电机驱动电路的设计中，对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的全桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可，但如果需要调速，可以使用三极管、场效应管等开关元件实现pwm(脉冲宽度调制)调速。然而，在普通的pwm驱动模式中，完全由寄存器来设置pwm的占空比、pwm信号为高时的电机方向、以及pwm信号为低时电机是处于高阻态还是刹车态。这种驱动方式的缺点是无法确定电机的实际速度与设计的目标速度是否一致，在变焦电机中无法用于准确定位。技术实现要素：针对以上技术问题，本发明提出了一种可实时检测电机实际速度并可实现电机连续变焦的技术方案。本发明为解决以上技术问题所采用的技术方案如下：根据本发明的一方面，提供了一种基于锁频环的电机控制方法，所述方法包括如下步骤：设定电机的目标转动速度、电机转动速度的误差阈值、pwm逻辑控制器控制信号的周期和初始占空比；获得斩波信号，并通过斩波信号设定pwm逻辑控制器控制信号的频率；通过pwm逻辑控制器的控制信号来控制电机的运转，并检测电机的实际转动速度；利用锁频环将电机的实际转动速度与目标转动速度进行比较，若两者的相对误差超过误差阈值，则通过调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比来调整电机的实际转动速度，直到两者的相对误差处于预设误差范围内。作为本发明上述技术方案的进一步改进，将电机的实际转动速度与目标转动速度转换为实际转动频率与目标转动频率，并将电机的实际转动频率输入锁频环与目标转动频率进行比较。作为本发明上述技术方案的可选方案，通过电机的转动带动遮光片转动，进而影响光-频转换器的通断来将电机的实际转动速度转换为实际转动频率。作为本发明上述技术方案的可选方案，通过比例积分滤波器检测电机的实际转动速度。作为本发明上述技术方案的可选方案，当电机的实际转动频率与目标转动频率的相对误差超过误差阈值时，若电机的实际转动频率大于目标转动频率，则减小pwm逻辑控制器控制信号的占空比，否则增大pwm逻辑控制器控制信号的占空比。作为本发明上述技术方案的进一步改进，调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比时，预先设置调整占空比所需的步数和每步所需的时间。根据本发明的另一方面，提供了一种基于锁频环的电机控制装置，所述装置包括输出端连接至电机的全桥电路，其特征在于，所述装置还包括：微控制单元、与该微控制单元输出端相连的寄存器、与该寄存器输出端相连的锁频环电路、与该锁频环电路输出端相连的pwm逻辑控制器，该pwm逻辑控制器的每个输出端单独连接全桥电路的每个输入控制端，其中：微控制单元设定电机的目标转动速度、电机转动速度的误差阈值、pwm逻辑控制器控制信号的周期和初始占空比；通过寄存器获得斩波信号，由斩波信号设定pwm逻辑控制器控制信号的频率；pwm逻辑控制器的控制信号控制电机的运转；电机的实际转动速度输入锁频环电路然后与目标转动速度进行比较，若两者的相对误差超过误差阈值，则通过调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比来调整电机的实际转动速度，直到两者的相对误差处于预设误差范围内。作为本发明上述技术方案的进一步改进，所述装置还包括光-频转换器，其中光-频转换器的输出端连接锁频环电路的输入端，当电机转动时带动光-频转换器中的遮光片一起转动，进而影响光-频转换器的通断。作为本发明上述技术方案的进一步改进，所述装置还包括输出前级驱动单元，其中输出前级驱动单元的输入端与pwm逻辑控制器的每个输出端相连，输出前级驱动单元的每个输出端单独连接全桥电路的每个输入控制端。作为本发明上述技术方案的可选方案，所述锁频环电路包括基于rtl的数字电路。本发明相对现有技术具有如下有益的技术效果：本发明一种基于锁频环的电机控制方法通过将电机的实际转动速度与寄存器设定的目标转动速度进行比较，并通过调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比来调整电机的实际转动速度，最终可以实现将电机实际转动速度与目标转动速度两者的相对误差控制在误差阈值范围内。本发明一种基于锁频环的电机控制方法将电机的实际转动频率输入锁频环电路然后与目标转动频率进行比较，可以利用锁频环电路的输出结果来控制pwm逻辑控制器控制信号的占空比的改变。本发明一种基于锁频环的电机控制方法通过电机的转动带动光-频转换器中的遮光片转动，进而影响光-频转换器的通断来将电机的实际转动速度转换为实际转动频率，可实时检测电机速度，保证电机平滑工作。并且通过结合锁频环的频率比较功能，本方法可以实现电机的连续变焦和准确定位。本发明一种基于锁频环的电机控制装置通过光-频转换器的通断来将电机的实际转动速度转换为实际转动频率，可实时检测电机转动速度。并通过锁频环电路的输出影响pwm逻辑控制器控制信号的占空比的改变，进而改变电机的实际转动速度，这就可以利用直流电机来实现电机精准变焦的功能，从而实现电机的小型化。附图说明图1为本发明一种基于锁频环的电机控制方法的一个实施例的流程示意图；图2为本发明一种基于锁频环的电机控制装置的一个实施例的装置示意图；图3为本发明一种基于锁频环的电机控制装置的另一个实施例的锁频环结构示意图；图4为pwm逻辑控制器的控制信号duty的占空比的变化示意图；图5为本发明一种基于锁频环的电机控制装置的另一个实施例的锁频环结构示意图；图6为图5的具体电路设计示意图；图7为本发明应用各个实施例的代表性测试结果。具体实施方式首先，锁频环(fll，frequencylockloop)实质上就是动态运用的自动频率微调电路，它是一种典型的自动控制环路。自动控制环路的特性不仅取决于环路的“阶”数，即传递函数极点数目，更取决于环路的“型”。这里所谓“型”是指环路无静差的阶数，即传递函数在原点处的极点数目，从物理意义上讲，就是指环路中包括的理想积分器(传递函数为1/s)的数目。目前使用的锁频环多为数字锁频环，其设计上一般包括滤波器、频率检测器、累加器、数字压控振荡器等。其传递函数为1/s，因此一般的数字锁频环可设计成一阶无静差环路。本发明基于锁频环的自动控制环路设计，提供了一种基于锁频环的电机控制方法即装置。本发明可以利用直流电机来实现电机精准变焦的功能，从而实现电机的小型化。以下结合附图对本发明的各个实施例作进一步详细的说明。根据本发明的一方面，在开启锁频环的功能并且电机工作在pwm模式之后，一种基于锁频环的电机控制方法的一个实施例，如图1所示，可以包括如下步骤：通过微控制单元设定电机的目标转动速度、电机转动速度的误差阈值t、pwm逻辑控制器控制信号duty(在本发明的以下实施例中均以duty表示pwm逻辑控制器的控制信号，此后不再做累赘陈述)的周期和初始占空比。优选地，duty的初始占空比可以设定为50％。通过寄存器设置并经数字运算获得斩波信号chop(在本发明的以下实施例中均以chop表示斩波信号，此后不再做累赘陈述)，并通过斩波信号chop来设定pwm逻辑控制器的控制信号duty的频率。通过pwm逻辑控制器的控制信号duty来控制电机的运转，这种功能的实现是由于电机的转速与duty的占空比成正比，然后可以进一步检测电机的实际转动速度。作为本实施例优选的实施方式，可以将电机的实际转动速度与目标转动速度均转换为实际转动频率与目标转动频率，并将电机的实际转动频率输入锁频环电路然后与目标转动频率进行比较。作为可选的实施方式，通过电机的转动带动与电机相连的遮光片(遮光片可以是包含在光-频转换器内)转动，遮光片转动时会影响光-频转换器的通断，装置中光-频转换器的通断频率就反映了电机的转动速度，从而实现电机的实际转动速度的检测，也就可以将电机转动速度转化成频率。更优选地，在将电机的实际转动频率输入锁频环之前，可以对电机的实际转动频率进行滤波。作为本实施例的可选实施方式，也可以通过比例积分滤波器检测电机的实际转动速度。利用锁频环将电机的实际转动速度(或频率)与目标转动速度(或频率)进行比较，若两者的相对误差超过误差阈值t，则通过调整pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比来调整电机的实际转动速度，直到两者的相对误差不超过误差阈值t。优选地，误差阈值t可以设置为3％或-3％，也就是说，在-3％至3％的范围内，可以不再对电机的实际转动速度进行调整。当然也可以根据实际作业情况设置其它误差阈值来保证控制的精度，例如，绝对值小于5％的误差阈值都是可以的。作为本实施例的可选实施方式，当电机的实际转动速度(或频率)与目标转动速度(或频率)的相对误差超过误差阈值t时，若电机的实际转动速度(或频率)大于目标转动速度(或频率)，则减小pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比，否则增大pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比。这种占空比如何调整可通过锁频环的输出结果来决定。例如，可以定义一个占空比减小信号decr与一个占空比增加信号incr，当电机的实际转动速度(或频率)与目标转动速度(或频率)的相对误差超过误差阈值t时，若电机的实际转动速度(或频率)大于目标转动速度(或频率)，可以使能占空比减小信号decr(即令decr＝1；incr＝0)，反之使能占空比增加信号incr(即令decr＝0；incr＝1)，直到两者的相对误差不超过误差阈值t，即由锁频环的输出信号来决定占空比的调整。根据本发明的另一个实施例，其包括上述实施例的基本步骤，并在上述实施例的基础上，所述方法还包括：调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比时，预先设置调整占空比所需的步数和每步所需的时间，即预先设置锁频环锁频所需的步数和每步所需的时间。进一步，还可以预先设定duty可变化的最大占空比数值。值得说明的是，对于本发明的方法实施例，一些设定参数的步骤，例如，设定电机的目标转动速度、电机转动速度的误差阈值t、pwm逻辑控制器控制信号duty，和/或设置锁频环锁频所需的步数和每步所需的时间，和/或设定duty可变化的最大占空比数值，可以是在系统正式启动之前一次性设定好，也可以是分步骤设置。根据本发明的另一方面，如图2所示，一种基于锁频环的电机控制装置的一个实施例，所述装置可以包括输出端连接至电机的全桥电路、微控制单元、与该微控制单元输出端相连的寄存器、与该寄存器输出端相连的锁频环电路、与该锁频环电路输出端相连的pwm逻辑控制器，该pwm逻辑控制器的每个输出端单独连接全桥电路的每个输入控制端，其中：微控制单元设定电机的目标转动速度tarsp、电机转动速度的误差阈值t、pwm逻辑控制器控制信号duty的周期和初始占空比；寄存器获得斩波信号chop，由斩波信号chop设定pwm逻辑控制器控制信号duty的频率；pwm逻辑控制器的控制信号duty控制电机的运转；电机的实际转动速度输入锁频环电路然后与目标转动速度tarsp进行比较，若两者的相对误差超过误差阈值t，则通过调整pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比来调整电机的实际转动速度，直到两者的相对误差不超过误差阈值t。作为本实施例优选的实施方式，可以将电机的实际转动速度与目标转动速度tarsp均转换为实际转动频率与目标转动频率，然后将电机的实际转动频率输入锁频环电路然后与目标转动频率进行比较。作为本发明上述实施例的进一步改进，所述装置还可以包括光-频转换器。其中光-频转换器的输出端连接锁频环电路的输入端，电机转动时会带动与电机相连的遮光片一起转动，进而影响光-频转换器的通断。作为优选的实施方式，所述光-频转换器可以包括遮光片、光中断器(pi，photointerrupter)和光中断器驱动电路，光中断器可以由发光二极管和感光三极管组成。当电机转动时会带动与电机相连的遮光片(遮光片优选地包含在光频转换器内)一起转动，当遮光片遮挡发光二极管时，感光三极管关断，此时光-频转换器的输出信号为低电平；当遮光片不遮挡发光二极管时，感光三极管导通，此时光-频转换器的输出信号为高电平。光-频转换器的输出信号呈现周期性高低变化(初始占空比为50％)，其输出信号的频率因此可以反映电机的实际转动速度。值得说明的是，上述光-频转换器的具体结构只是示例性结构说明，其它任何可以将光信号转换为电信号的光-电或光-频转换装置，只要其能实现本发明所称光-频转换器的功能，均属于本发明要求保护的范围内。在上述实施例中，优选地，误差阈值t可以设置为3％或-3％，也就是说，在-3％至3％的范围内，可以不再对电机的实际转动速度进行调整。当然也可以根据实际作业情况设置其它误差阈值来保证控制的精度，例如，绝对值小于5％的误差阈值都是可以的。作为本实施例的可选实施方式，当电机的实际转动速度(或频率)与目标转动速度(或频率)的相对误差超过误差阈值t时，若电机的实际转动速度(或频率)大于目标转动速度(或频率)，则减小pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比，否则增大pwm逻辑控制器控制信号duty的占空比。这种占空比如何调整可通过锁频环的输出结果来决定。例如，可以定义一个占空比减小信号decr与一个占空比增加信号incr，当电机的实际转动速度(或频率)与目标转动速度(或频率)的相对误差超过误差阈值t时，若电机的实际转动速度(或频率)大于目标转动速度(或频率)，可以使能占空比减小信号decr(即令decr＝1；incr＝0)，反之使能占空比增加信号incr(即令decr＝0；incr＝1)，直到两者的相对误差不超过误差阈值t，即由锁频环电路的输出信号来决定占空比的调整。作为本发明上述实施例的优选实施方式，所述装置在光-频转换器与锁频环之间还包括整形电路(waveformingcircuit)，该整形电路对光-频转换器的输出信号si进行滤波，优选地，该整形电路用施密特滤波器对光-频转换器的输出信号si进行滤波。作为本发明上述实施例的优选实施方式，所述装置还可以包括输出前级驱动单元，其中输出前级驱动单元的输入端与pwm逻辑控制器的每个输出端相连，输出前级驱动单元的每个输出端单独连接全桥电路的每个输入控制端。进一步，所述装置还可以包括振荡器，该振荡器给锁频环电路提供时钟信号。作为本实施例优选的实施方式，其中微控制单元可以通过串行外设接口(spi，serialperipheralinterface)连接至寄存器的输入端，其中，微控制单元可以是单片机，串行外设接口spi可以是三线spi。根据本发明一种基于锁频环的电机控制装置的另一个实施例，其包括上述实施例的基本部件，并在上述实施例的基础上，其中锁频环可通过如图3(为了画图简便，只示意了装置的关键部件)所示的数字电路架构来实现。其中，寄存器的速度控制使能信号sp_en＝1时，锁频环功能开启，设定目标速度tarsp，初始化pwm控制信号duty的周期以及占空比；由寄存器设置并经数字运算得出chop(chop初始占空比为50％)，chop再设定duty的频率，duty即为pwm控制信号，通过驱动电路驱动直流电机m工作在pwm模式。电机m的转动速度则与duty的占空比成正比。其中，spc_initial设定duty初始占空比，spc_limit设定duty可变化的最大占空比数值，psp、isp设置电机实际转动速度fb与目标转动速度tarsp锁频所需的时间和步数，如表1所示。光-频转换器会对电机转速进行检测，其具体过程为：电机转动时会带动与电机相连的遮光片转动，当遮光片遮挡发光二极管时，感光三极管关断，此时光-频转换器的输出信号fb为低电平；当遮光片不遮挡发光二极管时，感光三极管导通，此时光-频转换器的输出信号fb为高电平。输出信号fb呈现周期性高低变化，其频率反映电机的实际转动速度。输出信号fb反馈到芯片内部，与目标转动速度tarsp比较，fb和tarsp经频率比较器比较可以输出高低电平信号——减少信号decr和增加信号incr。根据频率比较器的输出信号，占空比调整器可以改变duty的占空比，从而调整电机的实际转动速度来实现锁频环锁频功能，直至fb与tarsp的频率相对误差被锁定在误差阈值，如±3％之内。图4为经锁频环的锁频调节，pwm逻辑控制器的控制信号duty的占空比的变化示意图。表1psp、isp选择频率校准的时间和步数psp/isp实现目标频率的步数每步时间低速820ms中速710ms高速65ms根据本发明一种基于锁频环的电机控制装置的另一个实施例，其包括上述实施例的基本部件，并在上述实施例的基础上，锁频环的功能还可以通过如图5所示的基于rtl(寄存器转换级电路，registertransferlevel)的数字框架来实现。在本实施例中，该fll设计目的是调整电机的实际转动频率fb达到系统设定的目标转动频率tarsp，至少fb与tarsp的频率相对误差被控制在误差阈值范围内。锁频环调整电机转动频率的方法是通过改变驱动电机的运转电平的占空比来实现电机速度的加速减速，最后将电机频率调整到目标频率，并锁定电机的转动频率。图5中f为用于驱动电机速度的电平频率，在同样占空比的条件下电平频率与电机转动速度成正比。当设定目标频率时，pwm产生模块基于f的频率并根据pwm调整模块所输出的调整因子δ，产生调整后的占空比，从而实现对电机速度的调整。在此过程中，电机提供表示实际转动速度的反馈频率fb，经频率检测模块计算反馈频率fb以及实际转动频率tarsp之间的差值并产生fdiff，fdiff经过pwm调整模块产生δ，由此构成锁频环的运算回路。该回路可以实现电机转动频率的调整以及锁定功能。上述实施例的具体电路设计示意图如图6所示。锁频环可以划分为频率比较鉴定器和微调频率产生器两部分。其中，频率比较鉴定器用于侦测电机反馈信号fb的频率，将其与系统设置的电机目标频率tarsp进行比较，并得出fb与tarsp的差值。由该差值可以判断出电机当前速度/频率是否达到系统设定的目标频率，如果没有达到，则需要根据差值传递一个参数incr或decr给微调频率产生器来调整当前驱动电机电平的占空比从而来调整电机速度。然后，再做新一轮的检测以及调整。频率比较鉴定器可以分为五个部分：频率比较步数划分器、频率检测器、占空比调整器，频率步数比较检测器和频率比较处理器。微调频率产生器是对锁频环产生的电机驱动电平信号的占空比进行微调整来实现对电机速度/频率的控制。微调频率产生器可以分为以下六个部分：初始频率产生器、限定频率产生器，占空比基数、斩波信号设定器(如设定斩波信号的周期)，pwm调整因数控制器、pwm调整运算模块和pwm控制信号生成器(包括斩波信号生成单元和pwm控制信号duty的周期生成单元)。根据本发明的再一方面，本发明提供一种基于锁频环的电机控制装置，所述装置包括：存储器，用于储存应用程序；和处理器，用于运行所述应用程序以执行如下步骤：设定电机的目标转动速度、电机转动速度的误差阈值、pwm逻辑控制器控制信号的周期和初始占空比；获得斩波信号，并通过斩波信号设定pwm逻辑控制器控制信号的频率；通过pwm逻辑控制器的控制信号来控制电机的运转，并检测电机的实际转动速度；利用锁频环将电机的实际转动速度与目标转动速度进行比较，若两者的相对误差超过误差阈值，则通过调整pwm逻辑控制器控制信号的占空比来调整电机的实际转动速度，直到两者的相对误差处于预设误差范围内。以下通过举例的形式给出本发明应用各个实施例的代表性测试结果。图7为带锁频环的闭环系统的某一通道输出波形，其中输出i_load为正，信号out_a为pwm控制信号，信号out_b为低电平(反之若输出i_load为负，信号out_b为pwm控制信号，信号out_a为低电平)。关于光-频转换器的反馈信号si的频率fb，由于它反映的是电机转速，所以接电机的通道信号输出out_a的频率很快，而反馈信号si的频率fb较慢。对其放大可以看到反馈信号si的的频率fb在逐渐变化，对应信号out_a的占空比也在变化。其中锁频环的调整如下表表2所示，从表中可以看出，反馈信号si的频率低于目标转动频率，即调整前反馈信号si的周期大于寄存器设定的目标转动频率的周期，故增加out_a的占空比，以加快电机转动速度，使反馈信号si的频率增大。表2锁频环调整对应表以上是对本发明的较佳实施例进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。当前第1页12