一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法技术

本发明专利技术涉及一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，包括：初始化；脉宽调制模块PWM驱动直流有刷电机；根据所测直流有刷电机电流估算电机转矩；利用直流有刷电机数学模型，估算出直流有刷电机的转速和对应的直流有刷电机交流频率；将定时器模块ECT的通道定义为输入捕捉功能，利用中断记录输入脉冲波的上升沿个数以及上升沿之间的时间间隔；对于所记录上升沿个数出现遗漏的情况，根据电机转速的估计值对转角转速的计算值进行补偿，得出转速和转角的计算结果。本发明专利技术利用微控制器MCU内部时钟对电机转角和转速进行预估，实时性高，能迅速根据电机转速变化进行信号分析，保证了电机状态的高灵敏检测。

【技术实现步骤摘要】
一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法
本专利技术涉及电机信号分析与控制
，尤其是一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法。
技术介绍
随着电子技术的发展，电机的应用日益普遍，在对电机的控制中尤为重要的便是对电机转速和电机转角数据的采集。现阶段电机转角和转速检测基本都是通过传感器，检测精度高且稳定性强但增大了结构尺寸和零件数，在一些特殊环境如汽车或者其他机械结构中会受到一定的限制。近年来,电机转角检测一直是国内外的研究热点,国外早在二十世纪末开始进行该方向的研究，常见的检测方法有反电动势法、定子电感法、续流二极管法等。这些检测方法都适用于永磁同步电机，而较少涉及到直流有刷电机的转角检测方法。有刷直流电机由于较为低廉的成本，使用范围很广，若能测出电机转角转速将会有很好的实用价值和广阔的市场。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种成本低，利用微控制器MCU内部时钟对电机转角和转速进行预估，实时性高，保证了电机状态的高灵敏检测的直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)初始化微控制器MCU内部的锁相环模块PLL、模数转换模块ATD、定时器模块ECT和脉宽调制模块PWM；(2)脉宽调制模块PWM驱动直流有刷电机；(3)模数转换模块ATD将采集的直流有刷电机电流模拟量和电压模拟量转化为数字量并进行中位值滤波处理，根据所测直流有刷电机电流估算电机转矩；(4)利用直流有刷电机数学模型，根据测量的直流有刷电机电流与电压估算出直流有刷电机的转速和对应的直流有刷电机交流频率；(5)利用定时器模块ECT输出比较功能给带通滤波器输入脉冲波；每次输出动作产生时，利用中断控制下一个动作产生的时间，从而控制输出脉冲波的频率与占空比；(6)电机电刷电流的交流部分经过放大、带通滤波，转化为脉冲波输入微控制器MCU；(7)将定时器模块ECT的通道定义为输入捕捉功能，利用中断记录输入脉冲波的上升沿个数以及上升沿之间的时间间隔；(8)对于所记录上升沿个数出现遗漏的情况，根据电机转速的估计值对转角转速的计算值进行补偿，得出转速和转角的计算结果。所述步骤(3)具体是指：模数转换模块ATD对转换为数字量后的电机电流和电机两端电压进行滤波，利用设定的ATD转换频率连续采样N个数据，去除一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3至14中的任意一个；并根据测量仪测得的实际数据对所求数据进行标定与补偿，从而确保数据的可靠性。所述步骤(5)具体是指：若定时器模块ECT输出的脉冲信号目标周期为T，利用分频后的时钟周期Tclk为单位对T计数，考虑到输出动作为电平翻转，令定义变量n＝T/(2*Tclk)，在定时器模块ECT输出引脚中断设置通道寄存器TCn＝TCNT+n；TCNT为计数寄存器，即直流有刷电机运行后，自由运行计数器启动，TCNT计数寄存器不停地对时钟信号进行计数，一旦检测到TCn＝TCNT时，对应TCn通道输出预定的动作即翻转，同时转向TCn中断服务程序给TCn赋值，等待下一次中断。于是满足输出脉冲波频率为1/T；当Tclk大于1us时，TCn＝TCNT+n；当Tclk等于0.5us时，TCn＝TCNT+n-1；当Tclk等于0.25us时，TCn＝TCNT+n-2。所述步骤(7)具体是指：当定时器模块ECT输入通道出现设置的有效电平跳变即上升沿时，TCNT寄存器的当前值会自动捕捉到TCn；每次捕捉成功触发中断程序，在中断程序中对电平跳变进行计数；在中断程序中通过标志位记录前后相邻两次电平跳变的TCn差值，可得ΔTCn*Tclk即为两次电平跳变的间隔时间；所述步骤(8)具体是指：设步骤(7)所得脉冲信号的实时周期为Tm，由电机数学模型估算周期T0，定义k为遗漏或者重叠的脉冲上升沿次数，定义其估计算法为intk＝(Tm-T0)/T0-L，其中0<L<1，L控制对小数部分的舍入。当k>＝0时即表示相对于估算周期，实际信号周期的上升沿检测存在遗漏，并且k值表示遗漏的个数。由一个上升沿即表示一固定转角从而得出实时电机总转角，通过上升沿之间时间间隔的检测求出实时转速。由上述技术方案可知，本专利技术的优点在于：第一，本专利技术利用微控制器MCU内部时钟对电机转角和转速进行预估，实时性高，能迅速根据电机转速变化进行信号分析，保证了电机状态的高灵敏检测；第二，结构简单，微控制器MCU功能全面，灵活性较高；第三，针对成本低廉、使用广泛的有刷直流电机会有很好的实用价值和广泛的市场前景。附图说明图1为本专利技术检测方法主流程图；图2为输出比较中断程序内赋不同n值所输出脉冲波频率表；图3为本专利技术输出中断服务程序流程图；图4为本专利技术输入中断服务程序流程图；图5为本专利技术针对上升沿个数出现遗漏的处理流程图。具体实施方式如图1所示，一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)初始化微控制器MCU内部的锁相环模块PLL、模数转换模块ATD、定时器模块ECT和脉宽调制模块PWM；(2)脉宽调制模块PWM驱动直流有刷电机；(3)模数转换模块ATD将采集的直流有刷电机电流模拟量和电压模拟量转化为数字量并进行中位值滤波处理，根据所测直流有刷电机电流估算电机转矩；(4)利用直流有刷电机数学模型，根据测量的直流有刷电机电流与电压估算出直流有刷电机的转速和对应的直流有刷电机交流频率；(5)利用定时器模块ECT输出比较功能给带通滤波器输入脉冲波；每次输出动作产生时，利用中断控制下一个动作产生的时间，从而控制输出脉冲波的频率与占空比；(6)电机电刷电流的交流部分经过放大、带通滤波，转化为脉冲波输入微控制器MCU；(7)将定时器模块ECT的通道定义为输入捕捉功能，利用中断记录输入脉冲波的上升沿个数以及上升沿之间的时间间隔；(8)对于所记录上升沿个数出现遗漏的情况，根据电机转速的估计值对转角转速的计算值进行补偿，得出转速和转角的计算结果。所述步骤(1)具体是指：考虑到输出为脉冲波，输出电平始终在高低电平间切换，故通过控制寄存器TCTL1和TCTL2设置对应通道输出动作为电平翻转；考虑定时器计数寄存器TCNT和输出比较寄存器TCn是每隔4个总线周期比较一次以及电机转动时相应交流电频率范围，利用控制寄存器TSCR2对自由运行计数器预分频器的分频因子进行选取；考虑转角计算原理，通过控制寄存器TCTL3和TCTL4设置对应通道为上升沿捕捉。所述步骤(2)具体是指：微控制器MCU利用脉宽调制模块PWM编写程序，输出四路脉冲信号给H桥电机驱动电路，通过改变对应H桥电机驱动电路四个MOS管的四个脉冲信号的占空比从而控制直流有刷电机的转向和转速。所述步骤(3)具体是指：模数转换模块ATD对转换为数字量后的电机电流和电机两端电压进行滤波，利用设定的ATD转换频率连续采样N个数据，去除一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3至14中的任意一个；并根据测量仪测得的实际数据对所求数据进行标定与补偿，从而确保数据的可靠性。所述步骤(5)具体是指：若定时器模块ECT输出的脉冲信号目标周期本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)初始化微控制器MCU内部的锁相环模块PLL、模数转换模块ATD、定时器模块ECT和脉宽调制模块PWM；(2)脉宽调制模块PWM驱动直流有刷电机；(3)模数转换模块ATD将采集的直流有刷电机电流模拟量和电压模拟量转化为数字量并进行中位值滤波处理，根据所测直流有刷电机电流估算电机转矩；(4)利用直流有刷电机数学模型，根据测量的直流有刷电机电流与电压估算出直流有刷电机的转速和对应的直流有刷电机交流频率；(5)利用定时器模块ECT输出比较功能给带通滤波器输入脉冲波；每次输出动作产生时，利用中断控制下一个动作产生的时间，从而控制输出脉冲波的频率与占空比；(6)电机电刷电流的交流部分经过放大、带通滤波，转化为脉冲波输入微控制器MCU；(7)将定时器模块ECT的通道定义为输入捕捉功能，利用中断记录输入脉冲波的上升沿个数以及上升沿之间的时间间隔；(8)对于所记录上升沿个数出现遗漏的情况，根据电机转速的估计值对转角转速的计算值进行补偿，得出转速和转角的计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)初始化微控制器MCU内部的锁相环模块PLL、模数转换模块ATD、定时器模块ECT和脉宽调制模块PWM；(2)脉宽调制模块PWM驱动直流有刷电机；(3)模数转换模块ATD将采集的直流有刷电机电流模拟量和电压模拟量转化为数字量并进行中位值滤波处理，根据所测直流有刷电机电流估算电机转矩；(4)利用直流有刷电机数学模型，根据测量的直流有刷电机电流与电压估算出直流有刷电机的转速和对应的直流有刷电机交流频率；(5)利用定时器模块ECT输出比较功能给带通滤波器输入脉冲波；每次输出动作产生时，利用中断控制下一个动作产生的时间，从而控制输出脉冲波的频率与占空比；(6)电机电刷电流的交流部分经过放大、带通滤波，转化为脉冲波输入微控制器MCU；(7)将定时器模块ECT的通道定义为输入捕捉功能，利用中断记录输入脉冲波的上升沿个数以及上升沿之间的时间间隔；(8)对于所记录上升沿个数出现遗漏的情况，根据电机转速的估计值对转角转速的计算值进行补偿，得出转速和转角的计算结果。2.根据权利要求1所述的直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是指：模数转换模块ATD对转换为数字量后的电机电流和电机两端电压进行滤波，利用设定的ATD转换频率连续采样N个数据，去除一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3至14中的任意一个；并根据测量仪测得的实际数据对所求数据进行标定与补偿，从而确保数据的可靠性。3.根据权利要求1所述的直流有刷电机转矩转角和转速的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指：若定时器模块ECT输出的脉冲信号目标周期为T，利用分频后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，左妮娜，胡伟全，肖宇，胡延平，田博，赵林峰，
申请(专利权)人：蚌埠高灵传感系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34