一种直流无刷电机控制系统及方法与流程

本发明涉及直流无刷电机控制领域，尤其涉及一种直流无刷电机控制系统及方法。

背景技术：

传统的直流无刷电动机的控制系统主要是通过模拟器件进行控制，但是模拟器件比较容易老化，系统的可靠性比较低，影响无刷电动机的正常运行。

而现有的市场上的交流有刷电机，缺乏精确、灵活、有效的控制系统，往往表现为电机体积大、重量重、适应性差、控制精度低、油压不稳定、功率损耗大、碳刷和换向器寿命低等缺点。

近年来，在智能高科技的影响下，微机处理和大规模集成电路得到很好的发展，不仅克服了传统模拟系统的缺点，而且能有效的完成各种复杂的控制，简化控制流程，提高控制效率。

如专利号为cn205356206u的中国专利就公开了一种大功率直流无刷电机的控制系统，包括emc电路、ptc和ntc电路、桥式整流电路、滤波储能电路、过流保护电路、降压保护电路、电机驱动电路、igb驱动电路、光电隔离电路、信号换相电路和主控制器控制电路。本实用新型提供的一种大功率直流无刷电机的控制系统输出四种电压大小+310dc、+15vdc、+12vdc以及+5vdc，电压输出纹波小，以保证本实用新型提供的一种大功率直流无刷电机的控制系统正常工作，可靠性高，且系统负载能力强、运行功耗低、生产低成本。该专利其目的在于能够提供四种不同的直流输出电压，其无法对电机的转速进行恒速控制，且缺乏相应的过温保护电路，对电机在工作过程中内部的温度无法进行监测预警，电机的工作寿命等缺乏保障。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题目的在于提供一种直流无刷电机控制系统，用以解决直流无刷电机缺乏精确控制以及电机工作时缺乏保护机制的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直流无刷电机控制系统，包括控制芯片、与所述控制芯片连接的时钟电路、电机驱动电路、独立键盘电路、显示电路以及过温保护电路，所述电机驱动电路包括驱动器、直流电机以及过流保护电路；

所述控制芯片内设置有脉冲宽度调制发生器，所述控制芯片对直流电机的转速与预设转速进行对比，根据预设闭环控制调节算法，通过所述脉冲宽度调制发生器生成对应的脉冲波形，发送至所述驱动器；

所述驱动器与所述控制芯片连接，接收所述控制芯片输出的脉冲波形，并根据所述脉冲波形对直流电机进行驱动；

所述时钟电路用于产生时钟脉冲信号；

所述显示电路用于显示数据信息；

所述独立键盘电路用于输入控制信号；

所述过温保护电路用于采集直流电机温度，判断所述直流电机温度是否超过预设温度值，若是，则发送过温信号至所述控制芯片

所述过流保护电路一端与驱动器连接，另一端接入至控制芯片，用于判断驱动器电流是否超出预设值，若是，则发送过流信号至所述控制芯片。

优选的，所述独立键盘电路中设置有第一按键、第二按键、第三按键、第四按键以及第五按键，所述控制芯片设置有多个i/o接口，所述第一按键、第二按键、第三按键、第四按键以及第五按键分别连接有一个i/o接口。

优选的，所述过温保护电路包括温度检测电路以及报警电路，所述温度检测电路中设置有温度传感器以及第二电阻，所述温度传感器的输出端与控制芯片连接，所述温度传感器的电源端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与所述温度传感器的输出端连接。

优选的，所述报警电路包括报警装置以及第一三极管，所述第一三极管的基极与控制芯片连接，第一三极管的集电极接入电源，第一三极管的发射极与报警装置的输入端连接，报警装置的输出端接地。

优选的，所述报警装置为蜂鸣器，所述蜂鸣器的输入端连接有第一二极管的输出端，所述第一二极管的输入端与蜂鸣器的输出端连接。

优选的，所述第一三极管的基极与控制芯片之间设置有第三限流电阻，所述第一三极管的发射极与报警装置的输入端之间设置有第四限流电阻。

优选的，所述驱动器设置有第一输出端口、第二输出端口、接地端口以及供电端口，所述第一输出端口以及第二输出端口与直流电机连接，所述接地端口与所述第一输出端口之间设置有第六二极管，所述第一输出端口与供电端口之间设置有第九二极管，所述接地端口与所述第二输出端口之间设置有第八二极管，所述第二输出端口与供电端口之间设置有第七二极管。

优选的，所述过流保护电路包括放大器以及电压比较器，所述放大器的同向输入端与驱动器连接，所述放大器的输出端与所述电压比较器的反向输入端连接，所述电压比较器的输出端与控制芯片连接。

优选的，所述过流保护电路还设置有第十三电阻，所述第十三电阻的一端与所述电压比较器的输出端连接，另一端与控制芯片连接。

优选的，所述过流保护电路还设置有第十发光二极管，所述发光二极管的输入端与所述电压比较器的输出端连接，所述发光二极管的输出端与电压比较器的反向输入端连接之后接地。

一种直流无刷电机控制方法，包括步骤：

控制芯片获取直流电机的转速，与预设转速进行比较，获得比较差值；

根据pid闭环控制调节算法，通过脉冲宽度调制发生器生成对应的脉冲波形，发送至驱动器；

所述驱动器根据所述脉冲波形对直流电机的转速进行调节。

采用本发明，通过闭环控制调节算法，控制芯片能够实时的对电机的转速进行调节，保证电机恒速转动，同时设置过流保护电路能够监测流经电机的电流大小，反馈控制芯片，防止流经电机的电流过大，并设置过温保护电流监测电机内部的温度，当电机内部温度不断升高时，可以将温度信息反馈至控制芯片，以下调电机的转速，增强了电机的安全可靠性以及稳定性，使得整个控制系统具备自主故障处理功能。

附图说明

图1是本发明一个实施方式提供的电路原理图；

图2是本发明一个实施方式提供的电机驱动电路原理图；

图3是本发明一个实施方式提供的过温保护电路原理图；

图4是本发明一个实施方式提供的直流无刷电机控制系统控制流程示意图；

图5是本发明一个实施方式提供的电压放大器工作原理示意图；

图6是本发明一个实施方式提供的直流无刷电机故障处理流程图；

图7是本发明一个实施方式提供的直流无刷电机控制流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

参考图1、图2以及图3，本实施例提供了一种直流无刷电机控制系统，包括控制芯片、与控制芯片连接的时钟电路、电机驱动电路、独立键盘电路、显示电路以及过温保护电路，电机驱动电路包括驱动器、直流电机以及过流保护电路；

控制芯片内设置有脉冲宽度调制发生器，控制芯片对直流电机的转速与预设转速进行对比，根据预设闭环控制调节算法，通过脉冲宽度调制发生器生成对应的脉冲波形，发送至驱动器；

驱动器与控制芯片连接，接收控制芯片输出的脉冲波形，并根据脉冲波形对直流电机进行驱动；

时钟电路用于产生时钟脉冲信号；

显示电路用于显示数据信息；

独立键盘电路用于输入控制信号；

过温保护电路用于采集直流电机温度，判断直流电机温度是否超过预设温度值，若是，则发送过温信号至控制芯片

过流保护电路一端与驱动器连接，另一端接入至控制芯片，用于判断驱动器电流是否超出预设值，若是，则发送过流信号至控制芯片。

本实施例中，控制芯片为单片机，采用的为at系列的单片机，通过单片机来对直流电机的转速进行控制，实现直流电机的恒速转动，相应的，在其它的实施方式中还可采用stc等其它系列的单片机作为控制芯片，图1示出的为at系列单片机以及与其管脚连接的复位电路、时钟电路、独立键盘电路以及显示电路，下文将对这些电路进行详细介绍。

首先时钟电路连接的是单片机的18脚xtal2，19脚xtal1，时钟电路包括一个晶振x2以及两个电容c2、c6，晶振x2以及两个电容c2、c6的连接方式为图1所示。

其中，晶振x2的为12mhz晶振，电容c2以及电容c6为22pf电容。

时钟电路的作用是在单片机电路接通电源时，时钟电路开始振荡工作，为单片机提供源源不断的时钟脉冲，晶振的频率决定了时钟电路的频率，时钟频率也就决定了单片机运行一个周期的频率。

因此本实施例中，时钟电路的一个时钟周期为1/12us，一个机器周期为12个时钟周期即为1us。

图1中的复位电路包括一个电阻r5以及一个电容c1，接入到单片机的9脚以及31脚，电阻r5与电容c1的具体电路连接方式可直接从图1中直观的了解到，本文不做详细说明

其中，电阻r5为10k，电容c1为10uf，电阻r5与电容c1构成一个rc电路，复位电路的作用就是把电路恢复到起始状态，电路通过通电瞬间对电解电容充电，由于电解电容的电压不能突变，相当于瞬间短路，也就是5v高电平通到单片机复位脚上，电容慢慢充电过程，复位脚上的电压会慢慢降低，只要复位脚上的高电平时间保持在2微秒就能可靠地复位。

图1中，单片机还具有p1口(即1-8脚)，本实施例中，独立键盘电路具有五个按键，即第一按键、第二按键、第三按键、第四按键以及第五按键，每一个按键都与p1口中的一个i/o口连接。

其中，五个按键具备不同的功能，本实施例中，第一按键为开始按键，即控制电机开始转动，第二按键为停止按键，第三案件为转向调整按键，第四按键为加速按键，第五按键为降速按键。

相应的，根据具体的使用情况，每一个按键对应的功能可以进行相应的调整，以适应对直流无刷电机进行控制的需要。

五个按键由于是不同的i/o接口，使得五个按键能够互相独立，每一个按键的工作不会影响其它i/o口线的状态。

图1中，显示电路中设置有lcd液晶显示屏，显示屏型号为lcd1602，与单片机的p0口(即32-39脚)连接。

液晶显示屏用于显示单片机发送的各种数据，包括直流电机的实时温度、转速以及部分故障信息。

由于at系列单片机的p0口为开漏输出，其无法输出高电平，故在本实施例中，设置有排阻respck-8作为上拉电阻，其中排阻respck-8的参数为10k。

通过设置排阻respck-8作为上拉电阻，能够使得p0口输出高电平，实现lcd液晶显示屏显示数据。

本实施例中的显示电路中还设置有滑动电阻rv2，滑动电阻rv2的电路连接方式可参考图1。

通过设置滑动电阻rv2，能够作为lcd1602液晶显示屏的调节电阻，以调节lcd1602液晶显示屏的黑白对比度，方便操作人员更加直观快速的了解到显示信息，防止误读。

参考图2，图2示出了电机驱动电路的电路原理图，其中的驱动器u5采用的型号为l298n驱动器，l298n是一种二相和四相电机专用的驱动器，内含两个h桥的高压大电流双全桥驱动器，接受标准ttl逻辑电平信号，可驱动46v、2a以下的电机，并且该芯片有过热自动关断的功能，其通过单片机的i/o输入改变芯片控制端ena、in1、in2的电平，即可以对电机进行正反转，停止等操作。其中out1接电机的正极，out2接电机的负极，分别控制电机在正转与反转。

其中，驱动器设置有第一输出端口out1、第二输出端口out2、接地端口gnd以及供电端口vs，第一输出端口out1以及第二输出端口out2与直流电机连接，接地端口vs与第一输出端口out1之间设置有第六二极管d6，第一输出端口out1与供电端口vs之间设置有第九二极管d9，接地端口vs与第二输出端口out2之间设置有第八二极管d8，第二输出端口out2与供电端口vs之间设置有第七二极管d7。

第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8以及第九二极管d9都为续流管，其型号为1n4007。

其中，续流二极管是一种配合电感性负载使用的二极管，当电感性负载的电流有突然的变化或减少时，电感二端会产生突变电压，可能会破坏其他元件，配合续流二极管时，其电流可以较平缓的变化，避免突变电压的发生，保证电路中元器件不被损坏。

本实施例的工作原理是通过单片机采集直流电机当前的实时转速，将直流电机的实时转速与预设转速(即期望转速)对比，当直流电机的实时转速与预设转速不相同时，单片机通过闭环pid算法进行运算(即本申请中的预设闭环控制调节算法)，再通过pwm发生器模块(即本申请中的脉冲宽度调制发生器)生产pwm波，发送至驱动器，驱动器根据pwm波形，再对直流电机的转速进行调节，从而实现直流电机的速度保持在预设转速，达到使直流电机恒速转动的目的。

参考图4，图4示出了闭环控制调节算法的控制流程，其中，闭环控制调节算法采用的是pid增量式算法：

上式中，kp表示控制器的比例系数，t为采样周期，ti表示控制器的积分系数，td表示控制器的微分系数。

通过采用闭环控制，在直流电机的转速控制方面，闭环控制的机械性能具有更好的优势，例如闭环控制的机械性能就比开环控制性能高，并且闭环控制的静差率比较小，具有更好的控制效果。

参考图2，图2示出了电机驱动电路的电路原理图，本实施例中，过流保护电路包括放大器以及电压比较器，放大器的同向输入端与驱动器连接，放大器的输出端与电压比较器的反向输入端连接，电压比较器的输出端与控制芯片连接。

其中，放大器的型号为lm324,电压比较器的型号为tlc393，放大器的同向输入端与驱动器的15脚连接，采集驱动器内部流经检流电阻的电压，进行放大，再将放大后的电压输出至电压比较器，再与电压比较器的预设电压值进行比较。

图5为一种电压放大器的示意图，其中，输出电压uo：

上式中，rrf为图2中的电阻r16，其阻值为10k，r表示图2中的电阻r15，其阻值为10k，u1即表示驱动器内部中检流电阻的电压。

本实施例中，过流保护电路还设置有第十三电阻r13，第十三电阻r13的一端与电压比较器的输出端连接，另一端与控制芯片连接。

其中，第十三电阻r13为限流电阻，其阻值为1m。

本实施例中，过流保护电路还设置有第十发光二极管d10，发光二极管的d10输入端与电压比较器的输出端连接，发光二极管d10的输出端与电压比较器的反向输入端连接之后接地。

发光二极管d10用于进行报警提示，若电压比较器输出的为高电平，则发光二极管d10将会亮起，起到提示的作用。

上述的输出电压uo即为电压比较器的反向输入端，参考电压uref为电压比较器的同向输入端。若同向输入端电压高于反向输入端电压则电压比较器则输出高电平，若同向输入端电压低于反向输入端电压则输出低电平，发光二极管d10亮，达到报警效果。然后通过低电平触发单片机的外部中断p3.2口通过程序编译，开启中断，再使电机停止运行。

参考图3，图3示出了过温保护电路的电路原理图，过温保护电路包括温度检测电路以及报警电路，温度检测电路中设置有温度传感器以及第二电阻r2，温度传感器的输出端与控制芯片连接，温度传感器的电源端与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与温度传感器的输出端连接。

在本实施例中，，第二电阻r2的阻值为10k，温度传感器的型号为ds18b20，其能够检测-55℃-125℃范围内的温度，并且温度检测精度较高。

温度检测电路的整个电路结构相对简单，体积比较小，方便接线，直接设置在直流电机内部，对直流电机内部的温度进行检测。

在本实施例中，报警电路包括报警装置以及第一三极管q1，第一三极管q1的基极与控制芯片连接，第一三极管q1的集电极接入电源，第一三极管q1的发射极与报警装置的输入端连接，报警装置的输出端接地。

当三极管导导通后，将给报警装置供电，此时就有导通电流流过报警装置，报警装置将进行声音报警，同时第一三极管q1也会将过流信号发送至控制芯片。

通过设置第一三极管q1，可以防止流经报警装置的电流过大，损坏报警装置或影响其使用寿命，

在一个较佳的实施方式中，报警装置为蜂鸣器，蜂鸣器的输入端连接有第一二极管d1的输出端，第一二极管d1的输入端与蜂鸣器的输出端连接。

采用蜂鸣器能够进行声音报警，相对于发光二极管发光闪烁报警，具有更好的效果，其中，第一二极管d1为续流管，通过设置第一二极管d1，能够防止蜂鸣器承受反向电流冲击，当没有电流流经蜂鸣器时，续流管就能续接关断时候的电流，减少蜂鸣器收到反向电流的冲击。

在另一个较佳的实施方式中，第一三极管q1的基极与控制芯片之间设置有第三限流电阻r3，第一三极管q1的发射极与报警装置的输入端之间设置有第四限流电阻r4。

其中，第三限流电阻r3的阻值为1kω，第四限流电阻的阻值为100ω，通过设置限流电阻，防止流向控制芯片以及蜂鸣器的电流过大，损坏电路以及元器件。

通过闭环控制调节算法，控制芯片能够实时的对电机的转速进行调节，保证电机恒速转动，同时设置过流保护电路能够监测流经电机的电流大小，反馈控制芯片，防止流经电机的电流过大，并设置过温保护电流监测电机内部的温度，当电机内部温度不断升高时，可以将温度信息反馈至控制芯片，以下调电机的转速，增强了电机的安全可靠性以及稳定性，使得整个控制系统具备自主故障处理功能。

实施例二

参考图7，本实施例提供了一种直流无刷电机控制方法，包括步骤：

控制芯片获取直流电机的转速，与预设转速进行比较，获得比较差值；

根据pid闭环控制调节算法，通过脉冲宽度调制发生器生成对应的脉冲波形，发送至驱动器；

所述驱动器根据所述脉冲波形对直流电机的转速进行调节。

本实施例中，预设转速即期望转速，操作者可以对预设转速进行设置，以控制直流电机在预设转速恒速转动。

本实施例中，pid闭环控制调节算法采用的为pid增量式算法：

上式中，kp表示控制器的比例系数，t为采样周期，ti表示控制器的积分系数，td表示控制器的微分系数。

脉冲宽度调制发生器即pwm发生器模块，控制芯片为单片机，单片机根据预设转速与直流电机实时转速之间的比较，通过闭环控制进行调节，其具体的表现形式为通过脉冲宽度调制发生器来生成相应的脉冲波形，发送至驱动器，驱动器再根据该脉冲波形对直流电机的转速进行调节，实现直流电机的转速达到预设转速。

通过pid闭环控制算法进行调节，闭环控制的机械性能具有更好的优势，并且闭环控制的静差率比较小，具有更好的控制效果。

参考图6，在上述直流无刷电机控制方法步骤中，还包括有对直流电机过流以及过温监测的步骤，当直流电机出现过流或过温故障时，就会进行报警，并停止直流电机的转动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。