吹草机控制装置的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种吹草机控制装置。

背景技术：

吹草机作为常用的园林工具，通常用于推动气体喷出以移除杂草。现有的吹草机普遍采用有感方波方案进行驱动，但由于电机转速高，工况很复杂等问题，导致有感方波方案中霍尔器件的位置检测不准确。同时，由于吹草机的工作电流比较大，采样电阻比较小，导致电机在很低转速的时候电机采样电阻端的电压比较小，容易受到外部干扰，这种问题特别体现在小电感高转速的电机上面，使得电机运行效率低，位置估算不准确。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种吹草机控制装置，旨在解决现有技术中吹草机的电机位置估算不准确的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种吹草机控制装置，所述吹草机控制装置包括低速启动模块和foc控制模块；所述foc控制模块包括foc驱动电路及位置估算电路；其中，

所述低速启动模块，分别与所述位置估算电路及电机连接，所述低速启动模块用于在所述吹草机控制装置上电后以预设速度启动所述电机，并向所述位置估算电路发送启动信号；

所述位置估算电路，包括观测器及带宽滤波器，所述带宽滤波器分别与所述低速启动模块、所述观测器及所述foc驱动电路连接，所述观测器与所述foc驱动电路连接；所述带宽滤波器用于从所述foc驱动电路获取电流及电压信号，在接收到所述启动信号时以第一带宽对所述电流及电压信号进行滤波，获得并发送第一信号至所述观测器；

所述观测器用于根据所述第一信号对所述电机的运行速度及角度进行估算；

所述带宽滤波器还用于在所述运行速度大于预设阈值时，以第二带宽对所述电流及电压信号进行滤波，获得并发送第二信号至所述观测器；

所述观测器还用于根据所述第二信号估算所述电机的角度。

优选地，所述foc驱动电路包括电流采集单元、坐标轴变换单元、电流环控制单元、坐标轴反变换单元及逆变单元；其中，

所述电流采集单元，分别与所述电机及所述坐标轴变换单元连接，用于采集所述电机运行时的相电流，并发送所述相电流至所述坐标轴变换单元；

所述坐标轴变换单元，分别与所述电流环控制单元、所述带宽滤波器及所述观测器连接，用于将所述相电流经坐标轴转换为第一电流信号及第二电流信号后，将所述第一电流信号及所述第二电流信号转换为第三电流信号及第四电流信号，并发送所述第一电流信号及所述第二电流信号至所述带宽滤波器，发送所述第三电流信号及所述第四电流信号至所述电流环控制单元；

所述电流环控制单元，分别与所述坐标轴反变换单元及微控制器连接，用于根据所述微控制器发送的预设参考电流信号对所述第三电流信号及所述第四电流信号进行调整，对应获得第一电压信号及第二电压信号，并发送所述第一电压信号及所述第二电压信号至所述坐标轴反变换单元；

所述坐标轴反变换单元，分别与所述带宽滤波器、所述观测器及所述逆变单元连接，用于根据所述观测器反馈的角度信号对所述第一电压信号及所述第二电压信号进行反变换处理后，对应输出第三电压信号及第四电压信号至所述逆变单元；

所述逆变单元，与所述电机连接，用于根据所述第三电压信号及所述第四电压信号输出占空比信号，以驱动所述电机转动。

优选地，所述电流采集单元包括滤波子单元及采样子单元；所述滤波子单元分别与所述电机、所述采样子单元及所述微控制器连接，所述采样子单元与所述微控制器连接。

优选地，所述滤波子单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、第五mos管、第六mos管、第一电容、第二电容及第三电容；其中，

所述第一电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第一电阻的第二端与所述第一mos管的栅极连接，所述第一电阻的第二端还经所述第二电阻与所述电机连接；

所述第一mos管的漏极与电源连接，所述第一mos管的漏极还经所述第一电容接地，所述第一mos管的源极与所述第二mos管的漏极连接；

所述第三电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第三电阻的第二端与所述第二mos管的栅极连接，所述第三电阻的第二端还经所述第四电阻与所述第二mos管的源极连接；

所述第二mos管的源极与所述第五电阻的第一端连接；

所述第六电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第六电阻的第二端与所述第三mos管的栅极连接，所述第六电阻的第二端还经所述第七电阻与所述电机连接；

所述第三mos管的漏极与所述电源连接，所述第三mos管的漏极还经所述第二电容接地，所述第三mos管的源极与所述第四mos管的漏极连接；

所述第八电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第八电阻的第二端与所述第四mos管的栅极连接，所述第八电阻的第二端还与所述第五电阻的第二端连接；

所述第四mos管的源极分别与所述采样子单元及所述第九电阻的第一端连接；

所述第十电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第十电阻的第二端与所述第五mos管的栅极连接，所述第十电阻的第二端还经所述第十一电阻与所述电机连接；

所述第五mos管的漏极与所述电源连接，所述第五mos管的漏极还经所述第三电容接地，所述第五mos管的源极与所述第六mos管的漏极连接；

所述第十二电阻的第一端与所述微控制器连接，所述第十二电阻的第二端分别与所述第六mos管的栅极及所述第九电阻的第二端连接；

所述第六mos管的源极与所述第九电阻的第一端连接。

优选地，所述采样子单元包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第四电容、第五电容、第六电容、运算放大器及开关；其中，

所述开关的第一端与所述第四mos管的源极连接，所述开关的第二端与所述第九电阻的第一端连接，所述开关的第三端与所述第五电阻的第一端连接，所述开关的第四端分别与所述第十三电阻的第一端、第十四电阻的第一端连接；

所述第十三电阻的第一端还分别与所述第四电容的第一端及所述第十五电阻的第一端连接，所述第十三电阻的第二端分别与所述第十六电阻的第一端、所述第四电容的第二端及地连接；

所述第十四电阻的第二端接地；

所述第十七电阻与所述第五电容并联，所述第十七电阻的第一端分别与所述第十六电阻的第二端及所述运算放大器的反相输入端连接，所述第十七电阻的第二端分别与所述第十八电阻的第一端及所述运算放大器的输出端连接；

所述第十八电阻的第二端经所述第六电容接地，所述第十八电阻的第二端还与所述微控制器连接；

所述运算放大器的同相输入端与所述第十五电阻的第二端连接，所述运算放大器的同相输入端还经所述第十九电阻与所述微控制器连接。

优选地，所述坐标轴变换单元包括clark变换子单元和park变换子单元，所述clark变换子单元分别与所述电流采集单元、所述带宽滤波器及所述park变换子单元连接，所述park变换子单元分别与所述带宽滤波器、所述观测器、所述微控制器及所述电流环控制单元连接。

优选地，所述电流环控制单元包括第一pi控制器及第二pi控制器，所述第一pi控制器及所述第二pi控制器均分别与所述park变换子单元、所述微控制器及所述坐标轴反变换单元连接。

优选地，所述观测器为滑膜观测器、pll自适应观察器或龙伯格观测器。

优选地，所述逆变单元包括svpwm子单元及三相逆变器，所述svpwm子单元分别与所述坐标轴反变换单元及所述三相逆变器连接，所述三相逆变器分别与所述电机及所述电流采集单元连接。

优选地，还包括吹草机壳及设置于所述吹草机壳内的电机。

本实用新型中的所述吹草机控制装置通过设置低速启动模块、foc驱动电路及位置估算电路。低速启动模块分别与位置估算电路及电机连接，用于在吹草机控制装置上电后以预设速度启动电机，并向位置估算电路发送启动信号；位置估算电路包括观测器及带宽滤波器，带宽滤波器分别与低速启动模块、观测器及foc驱动电路连接，观测器与foc驱动电路连接，用于在接收到启动信号时以第一带宽对从foc驱动电路获取的电流及电压信号进行滤波，根据滤波后的第一信号对电机的运行速度及角度进行估算，在运行速度大于预设阈值时，以第二带宽对电流及电压信号进行滤波，根据滤波后的第二信号估算电机的角度。其中，通过设置带宽滤波器和观测器，使得能够根据吹草机工作电流的特点在电机运行过程中调整观测器的角度估算带宽，滤除不在带宽内的信号干扰，确保观测的角度紧跟输出角度，解决了电机角度位置估算不准确的问题，降低了电机运行噪音，提高了电机效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用吹草机控制装置一实施例的功能模块图；

图2是本实用吹草机控制装置一实施例的结构示意图；

图3是图2中电流采集单元的结构示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种吹草机控制装置。

参照图1，在一实施例中，所述吹草机控制装置包括低速启动模块10和foc控制模块20；所述foc控制模块20包括foc驱动电路21及位置估算电路22；其中，所述低速启动模块10，分别与所述位置估算电路22及电机m连接，所述低速启动模块10用于在所述吹草机控制装置上电后以预设速度启动所述电机m，并向所述位置估算电路22发送启动信号；所述位置估算电路22，包括观测器(未标示)及带宽滤波器(未标示)，所述带宽滤波器分别与所述低速启动模块10、所述观测器及所述foc驱动电路21连接，所述观测器与所述foc驱动电路21连接，所述带宽滤波器用于从所述foc驱动电路21获取电流及电压信号，在接收到所述启动信号时以第一带宽对所述电流及电压信号进行滤波，获得并发送第一信号至所述观测器，所述观测器用于根据所述第一信号对所述电机m的运行速度及角度进行估算，所述带宽滤波器还用于在所述运行速度大于预设阈值时，以第二带宽对所述电流及电压信号进行滤波，获得并发送第二信号至所述观测器，所述观测器还用于根据所述第二信号估算所述电机m的角度。

需要说明的是，吹草机的工作电流比较大，所以采样电阻比较小，这导致电机在很低转速的时候电机采样电阻端的电压比较小，容易受到外部干扰，本实施例在启动的时间段降低电机m的角度估算带宽，使得带宽滤波器可以滤除不在带宽内的高频干扰，观测器可以在低转速下依然保持观测的准确。当电机的运行速度大于预设阈值，如15000rpm/min以上时，增加观测器的带宽，确保观测的角度可以紧跟输出角度，增加了角度位置估算的准确性。

可理解的是，foc(filedorientedcontrol，磁场定向控制)技术在电机低速运转时估算位置不准确，不能提供大扭矩启动，无法在吹草机上应用，本实施例通过低速启动模块10在电机启动时驱动电机m，通过foc控制模块20调整电机m的运行速度，当电机m的运行速度大于预设阈值时进入无感foc闭环正常运行模式，确保力矩输出平稳，解决了吹草机电机转速高和工况复杂时使用有感霍尔导致位置检测不准确，引起噪音和振动的问题；同时也解决了无感方波方案输出力矩不平衡引起的电磁噪音的问题。

进一步地，请一并参照图1及图2，本实施例中所述foc驱动电路21包括电流采集单元210、坐标轴变换单元211、电流环控制单元212、坐标轴反变换单元213及逆变单元214；其中，所述电流采集单元210，分别与所述电机m及所述坐标轴变换单元211连接，用于采集所述电机m运行时的相电流，并发送所述相电流至所述坐标轴变换单元211；所述坐标轴变换单元211，分别与所述电流环控制单元212、所述带宽滤波器及所述观测器连接，用于将所述相电流经坐标轴转换为第一电流信号iα及第二电流信号iβ后，将所述第一电流信号iα及所述第二电流信号iβ转换为第三电流信号iq及第四电流信号id，并发送所述第一电流信号iα及所述第二电流信号iβ至所述带宽滤波器，发送所述第三电流信号iq及所述第四电流信号id至所述电流环控制单元212；所述电流环控制单元212，分别与所述坐标轴反变换单元213及微控制器mcu连接，用于根据所述微控制器mcu发送的预设参考电流信号对所述第三电流信号iq及所述第四电流信号id进行调整，对应获得第一电压信号ud及第二电压信号uq，并发送所述第一电压信号ud及所述第二电压信号uq至所述坐标轴反变换单元213；所述坐标轴反变换单元213，分别与所述带宽滤波器、所述观测器及所述逆变单元214连接，用于根据所述观测器反馈的角度信号对所述第一电压信号ud及所述第二电压信号uq进行反变换处理后，对应输出第三电压信号uα及第四电压信号uβ至所述逆变单元214；所述逆变单元214，与所述电机m连接，用于根据所述第三电压信号uα及所述第四电压信号uβ输出占空比信号，以驱动所述电机m转动。

在具体实现中，电流采集单元210可以使用单电阻采样、双电阻采样、三电阻采样或功率器件内阻采样等不同采样方式，本实施例对此不加以限制。

作为一实施例，请一并参照图3，所述电流采集单元210包括滤波子单元2101及采样子单元2102；所述滤波子单元2101分别与所述电机m、所述采样子单元2102及所述微控制器mcu连接，所述采样子单元2102与所述微控制器mcu连接。

具体地，所述滤波子单元2101包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第六mos管q6、第一电容c1、第二电容c2及第三电容c3；其中，所述第一电阻r1的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第一电阻r1的第二端与所述第一mos管q1的栅极连接，所述第一电阻r1的第二端还经所述第二电阻r2与所述电机m连接；所述第一mos管q1的漏极与电源b+连接，所述第一mos管q1的漏极还经所述第一电容c1接地，所述第一mos管q1的源极与所述第二mos管q2的漏极连接；所述第三电阻r3的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第三电阻r3的第二端与所述第二mos管q2的栅极连接，所述第三电阻r3的第二端还经所述第四电阻r4与所述第二mos管q2的源极连接；所述第二mos管q2的源极与所述第五电阻r5的第一端连接；所述第六电阻r6的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第六电阻r6的第二端与所述第三mos管q3的栅极连接，所述第六电阻r6的第二端还经所述第七电阻r7与所述电机m连接；所述第三mos管q3的漏极与所述电源b+连接，所述第三mos管q3的漏极还经所述第二电容c2接地，所述第三mos管q3的源极与所述第四mos管q4的漏极连接；所述第八电阻r8的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第八电阻r8的第二端与所述第四mos管q4的栅极连接，所述第八电阻r8的第二端还与所述第五电阻r5的第二端连接；所述第四mos管q4的源极分别与所述采样子单元2102及所述第九电阻r9的第一端连接；所述第十电阻r10的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第十电阻r10的第二端与所述第五mos管q5的栅极连接，所述第十电阻r10的第二端还经所述第十一电阻r11与所述电机m连接；所述第五mos管q5的漏极与所述电源b+连接，所述第五mos管q5的漏极还经所述第三电容c3接地，所述第五mos管q5的源极与所述第六mos管q6的漏极连接；所述第十二电阻r12的第一端与所述微控制器mcu连接，所述第十二电阻r12的第二端分别与所述第六mos管q6的栅极及所述第九电阻r9的第二端连接；所述第六mos管q6的源极与所述第九电阻r9的第一端连接。

进一步地，所述采样子单元2102包括第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17、第十八电阻r18、第十九电阻r19、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、运算放大器u1及开关k；其中，所述开关k的第一端与所述第四mos管q4的源极连接，所述开关k的第二端与所述第九电阻r9的第一端连接，所述开关k的第三端与所述第五电阻r5的第一端连接，所述开关k的第四端分别与所述第十三电阻r13的第一端、第十四电阻r14的第一端连接；所述第十三电阻r13的第一端还分别与所述第四电容c4的第一端及所述第十五电阻r15的第一端连接，所述第十三电阻r13的第二端分别与所述第十六电阻r16的第一端、所述第四电容c4的第二端及地连接；所述第十四电阻r14的第二端接地；所述第十七电阻r17与所述第五电容c5并联，所述第十七电阻r17的第一端分别与所述第十六电阻r16的第二端及所述运算放大器u1的反相输入端连接，所述第十七电阻r17的第二端分别与所述第十八电阻r18的第一端及所述运算放大器u1的输出端连接；所述第十八电阻r18的第二端经所述第六电容c6接地，所述第十八电阻r18的第二端还与所述微控制器mcu连接；所述运算放大器u1的同相输入端与所述第十五电阻r15的第二端连接，所述运算放大器u1的同相输入端还经所述第十九电阻r19与所述微控制器mcu连接。

请继续参照图2，进一步地，所述坐标轴变换单元211包括clark变换子单元(未标示)和park变换子单元(未标示)，所述clark变换子单元分别与所述电流采集单元210、所述带宽滤波器及所述park变换子单元连接，所述park变换子单元分别与所述带宽滤波器、所述观测器、所述微控制器mcu及所述电流环控制单元212连接。

应当理解的是，clark变换子单元把三相旋转坐标轴电流ia、ib、ic变换成α、β垂直旋转坐标轴电流iα和iβ，park变换子单元把iα和iβ变换成d、q轴垂直坐标轴电流id和iq。

所述电流环控制单元212包括第一pi控制器(未标示)及第二pi控制器(未标示)，所述第一pi控制器及所述第二pi控制器均分别与所述park变换子单元、所述微控制器mcu及所述坐标轴反变换单元213连接。

应当理解的是，第一pi控制器为转子转矩pi控制器，第一pi控制器为转子磁通pi控制器。pi控制器根据微控制器mcu提供的参考电流和坐标轴变换单元211发送的反馈电流信号，通过现有技术中的pi算法对电流进行控制，并输出第一电压信号ud和第二电压信号uq。

进一步地，所述逆变单元214包括svpwm子单元(未标示)及三相逆变器(未标示)，所述svpwm子单元分别与所述坐标轴反变换单元213及所述三相逆变器连接，所述三相逆变器分别与所述电机m及所述电流采集单元210连接。

应当理解的是，通过svpwm子单元可以把α、β垂直旋转坐标轴的电压信号变换成三相的输出占空比信号，该信号经三相逆变器发送至电机m，以实现对电机m的驱动。

进一步地，所述观测器为滑膜观测器、pll自适应观察器或龙伯格观测器。

应当理解的是，观测器可以根据带宽滤波器发送的第一信号和第二信号估算电机的角度和运行速度，以龙伯格观测器为例，龙伯格观测器可以将输入的电流反馈值离散化，得到当前的反向电动势eα和eβ，由反向电动势eα和eβ进行反正切计算出转子的角度。

进一步地，所述吹草机控制装置还可以包括吹草机壳及设置于所述吹草机壳内的电机。

以下，结合图1至图3说明本实用新型的工作原理，图中部分元器件虽未标号，但从图中可以准确且毫无疑义地确定各元器件的连接关系：

当吹草机控制装置上电后，低速启动模块10以预设速度启动电机m，无需获取电机m初始位置，实现了电机m的快速启动，同时向所述位置估算电路22发送启动信号。

当电机m启动后，电流采集单元210采集电机m运行时的相电流ia、ib、ic，该三相旋转坐标轴电流经clark变换子单元转换为第一电流信号iα及第二电流信号iβ，再经park变换子单元转换为d、q轴垂直坐标轴的第三电流信号iq及第四电流信号id，其中，第一电流信号iα及第二电流信号iβ发送至带宽滤波器，第三电流信号iq及第四电流信号id分别发送至第一pi控制器及第二pi控制器，第一pi控制器及第二pi控制器分别根据微控制器mcu发送的预设参考电流(d轴参考电流idref、q轴参考电流iqref)和反馈电流信号(d轴反馈电流id，q轴反馈电流iq)，通过pi算法对d轴和q轴电流进行控制，得到id和iq对应的第一电压信号ud和第二电压信号uq，再经坐标轴反变换单元213把d、q垂直坐标轴的ud和uq信号变换成α、β垂直旋转坐标轴的第三电压信号uα和第四电压信号uβ，逆变单元214根据第三电压信号uα和第四电压信号uβ生成占空比信号，驱动电机m转动，带宽滤波器以降低后的第一带宽对第三电压信号uα、第四电压信号uβ、第一电流信号iα及第二电流信号iβ进行滤波，获得第一信号，观测器根据第一信号估算电机m的运行速度和角度。

当电机m的运行速度大于预设阈值时，电机m进入无感foc闭环运行模式，带宽滤波器以增加后的第二带宽对第三电压信号uα、第四电压信号uβ、第一电流信号iα及第二电流信号iβ进行滤波，获得第二信号，观测器根据第二信号估算电机m的运行速度和角度。

本实施例通过所述吹草机控制装置包括低速启动模块、foc驱动电路及位置估算电路。低速启动模块分别与位置估算电路及电机连接，用于在吹草机控制装置上电后以预设速度启动电机，并向位置估算电路发送启动信号；位置估算电路包括观测器及带宽滤波器，带宽滤波器分别与低速启动模块、观测器及foc驱动电路连接，观测器与foc驱动电路连接，用于在接收到启动信号时以第一带宽对从foc驱动电路获取的电流及电压信号进行滤波，根据滤波后的第一信号对电机的运行速度及角度进行估算，在运行速度大于预设阈值时，以第二带宽对电流及电压信号进行滤波，根据滤波后的第二信号估算电机的角度。其中，通过设置带宽滤波器和观测器，使得能够根据吹草机工作电流的特点在电机运行过程中调整观测器的角度估算带宽，滤除不在带宽内的信号干扰，确保观测的角度紧跟输出角度，解决了电机角度位置估算不准确的问题，降低了电机运行噪音，提高了电机效率。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。