电机堵转保护装置及电机堵转保护方法与流程

1.本发明涉及一种电机堵转保护装置及电机堵转保护方法，属于自动控制技术领域。


背景技术：

2.现有的洗地机所采用的堵转保护方法通常是采用电流传感器检测滚刷电机的电流，当电流大于阈值时判定洗地机堵转，继而控制滚刷电机停机。但是，这样的堵转保护方法引入电流传感器后，不仅增加了成本，而且对电流的采样精度要求较高，需要高性能的处理器来进行处理，使得实现方式相当复杂。
3.此外，现有的堵转保护方法在洗地机触发堵转时才执行保护，由于洗地机的滚刷由带轮驱动，频繁地堵转会增大皮带的张力，且容易产生打齿现象，使带轮上的轮齿被磨损，继而导致滚刷电机因皮带损坏而无法正常使用。
4.有鉴于此，确有必要对现有的电机堵转保护方法提出改进，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电机堵转保护装置，以解决现有洗地机的堵转保护成本高、实现复杂的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种电机堵转保护装置，包括：电机；电机电压检测单元，与所述电机连接，用于实时检测所述电机两端的电压；供电单元，与所述电机连接，用于为所述电机提供电能；控制单元，与所述供电单元和所述电机电压检测单元连接，用于接收所述电机电压检测单元检测到的电压值并根据该电压值输出控制信号；以及驱动单元，与所述供电单元、所述电机以及所述控制单元相连，用以根据所述控制单元输出的控制信号驱动所述电机运行或关断；其中，所述控制单元包括pid稳压控制模块、占空比输出模块、比较模块及控制模块，所述pid稳压控制模块与所述电机电压检测单元和所述控制模块连接，用于在电机启动后对所述电机两端的电压进行pid调节，使所述电机以恒定的目标电压运行；所述占空比输出模块与所述控制模块和所述比较模块连接，用于在电机启动后输出实时占空比，所述比较模块用于将实时占空比与预先设定的最大限制占空比进行比较，并将比较结果传送给所述控制模块，当实时占空比大于最大限制占空比时，所述控制模块输出控制信号给所述驱动单元，以驱动所述电机关断。
7.作为本发明的进一步改进，定义所述目标电压为u、所述实时占空比为d1，则d1＝u/um，其中，um为所述电机电压检测单元实时检测到的电机两端的电压。
8.作为本发明的进一步改进，所述占空比输出模块还用于在电机初始启动时输出初始占空比，直至所述电机两端的电压恒定在目标电压，定义所述初始占空比为de，则de＝u/ue，其中，u为目标电压、ue为供电单元的总线电压。
9.作为本发明的进一步改进，所述电机堵转保护装置还包括电源电压检测单元，所述电源电压检测单元分别与所述供电单元和所述控制模块相连，用于实时检测所述供电单
元两端的电压；所述占空比输出模块还用于在电机初始启动时输出初始占空比，直至所述电机两端的电压恒定在目标电压，定义所述初始占空比为d0，则d0＝u/u0，其中，u为目标电压、u0为所述电源电压检测单元实时检测到的供电单元两端的电压。
10.作为本发明的进一步改进，所述供电单元为电池包，u0为所述电池包的实时输出电压。
11.作为本发明的进一步改进，所述最大限制占空比为一固定值。
12.作为本发明的进一步改进，所述最大限制占空比＝k*实时占空比，其中，k为临界系数，取值范围为1.0～1.5。
13.本发明的目的还在于提供一种电机堵转保护方法，该电机堵转保护方法不仅实现方式简单、实现成本低，而且可以实现电机的最大恒扭矩输出而不触发过流保护，实现了有效的堵转保护。
14.为实现上述目的，本发明提供了一种电机堵转保护方法，应用于前述的电机堵转保护装置，主要包括以下步骤：
15.s1、启动电机，直至电机两端的电压恒定在目标电压；
16.s2、电机电压检测单元对电机两端的电压进行实时检测，同时pid稳压控制模块对电机两端的电压进行pid调节，使电机以恒定的目标电压运行；
17.s3、占空比输出模块输出实时占空比，并将该实时占空比传送至比较模块，比较模块将实时占空比与预先设定的最大限制占空比进行比较，并将比较结果传送给控制模块；
18.s4、当实时占空比大于最大限制占空比时，控制模块输出控制信号给驱动单元，由驱动单元驱动电机关断；当实时占空比小于等于最大限制占空比时，控制模块输出控制信号给驱动单元，由驱动单元驱动电机继续运行。
19.作为本发明的进一步改进，所述步骤s1具体为：以初始占空比启动电机，直至电机两端的电压恒定在目标电压。
20.作为本发明的进一步改进，定义所述初始占空比为de，则de＝u/ue，其中，u为目标电压、ue为与电机相连的供电单元的总线电压。
21.作为本发明的进一步改进，定义所述初始占空比为d0，则d0＝u/u0，其中，u为目标电压、u0为与电机相连的供电单元的输出电压。
22.作为本发明的进一步改进，所述步骤s4还包括：当实时占空比在设定时间段内持续大于最大限制占空比时，控制模块输出控制信号给驱动单元，由驱动单元驱动电机关断。
23.作为本发明的进一步改进，所述设定时间段为200ms～1s。
24.本发明的有益效果是：本发明的电机堵转保护装置及电机堵转保护方法通过将占空比输出模块输出的实时占空比与预先设定的最大限制占空比进行比较，且在实时占空比大于最大限制占空比时，由控制模块及时的控制电机关断即可，不仅实现方式简单、实现成本低，而且可以实现电机的最大恒扭矩输出而不触发过流保护，实现了有效的堵转保护。
附图说明
25.图1是符合本发明优选实施例的电机堵转保护装置的结构框图。
26.图2是图1中控制单元的优选实施例的结构框图。
27.图3是本发明电机堵转保护方法的流程图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
29.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
30.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
31.如图1与图2所示，本发明提供了一种电机堵转保护装置，包括电机10、电机电压检测单元20、供电单元30、控制单元40以及驱动单元50。其中，供电单元30与电机10连接，用于为电机10提供电能；电机电压检测单元20与电机10连接，用于实时检测电机10两端的电压；控制单元40与供电单元30和电机电压检测单元20连接，用于接收电机电压检测单元20检测到的电压值并根据该电压值输出控制信号；驱动单元50与所述供电单元30、所述电机10以及所述控制单元40相连，用于根据所述控制单元40输出的控制信号驱动所述电机10运行或关断。
32.在本发明的一较佳实施例中，所述供电单元30为电池包，所述电机10为滚刷电机，且优选为有刷电机，此时该电机堵转保护装置就可应用于洗地机，且在洗地机的滚刷发生堵转时能够保护滚刷电机。
33.具体地，所述控制单元40包括pid稳压控制模块41、占空比输出模块42、比较模块43及控制模块44，其中，所述pid稳压控制模块41与所述电机电压检测单元20和所述控制模块44连接，用于在电机10启动后对所述电机10两端的电压进行pid调节，使所述电机10保持以恒定的目标电压u运行。所述占空比输出模块42与所述控制模块44和所述比较模块43连接，用于在电机10启动后输出实时占空比d1，所述比较模块43用于将实时占空比d1与预先设定的最大限制占空比dlim进行比较，并将比较结果传送给所述控制模块44，由所述控制模块44根据具体的比较结果来控制电机10继续运行或关断。
34.所述驱动单元50包括电子开关(未图示)，所述电子开关的一端与所述供电单元30相连、另一端与所述电机10相连，与此同时，该电子开关还与控制模块44通讯连接，从而可利用控制模块44发出的控制信号来控制电子开关闭合，使得供电单元30与电机10导通，供电单元30为电机10供电，保证电机10能够正常运行；也可利用控制模块44发出的控制信号来控制电子开关断开，使得供电单元30与电机10断开，供电单元30停止为电机10供电，电机10断电。
35.在电机10正常启动后，实时占空比d1的计算公式为：d1＝u/um，其中，u为目标电压，um为电机电压检测单元20实时检测到的电机10两端的电压。设置实时占空比d1的目的在于：在电机10初始启动时，电机10的输出电压能够达到目标电压u，而在电机10运行一段时间后，由于负载的存在，会使得电机10的输出电压发生变化，此时若想判断出滚刷是否因为外部原因产生堵转，则必须了解负载的情况，而在省略电流传感器对电机10电流进行检测的情况下，最优的选择就是通过电机10两端的电压值变化情况来进行判断，也就是说，可
以设定一个系数(优选为占空比)，通过该系数的变化来判断滚刷是否发生堵转。
36.回到本实施例，当实时占空比d1大于最大限制占空比dlim时，判断滚刷发生堵转，此时所述控制模块44输出控制信号给所述驱动单元50，驱动所述电子开关断开，使电机10断电；当实时占空比d1小于等于最大限制占空比dlim时，所述控制模块44输出控制信号给所述驱动单元50，驱动所述电机10继续运行。由此可见，本发明利用实时占空比d1与最大限制占空比dlim进行比较，可以快速的判断出电机10的负载情况，具有实现方式简单、实现成本低的优点。
37.优选的，所述最大限制占空比dlim为一固定值。当然，在其他实施例中，所述最大限制占空比dlim也可以通过计算公式dlim＝k*d1计算获得，其中，k为临界系数，取值范围为1.0～1.5。当然，临界系数k的取值也可以根据电机10初始启动时的初始占空比d0的大小计算获得，此时最大限制占空比dlim的计算公式可以调整为dlim＝k(d0)*d1。
38.以下将对电机10初始启动时的初始占空比的计算方式进行举例说明。
39.方式一：在电机10初始启动时，可通过所述占空比输出模块42输出初始占空比来驱动电机10启动，直至所述电机10两端的电压恒定在目标电压u，此时滚刷的输出转矩恒定在目标转矩。定义初始占空比为de，则de＝u/ue，其中，u为目标电压，ue为供电单元的总线电压，即电池包的标称满包电压。
40.方式二：作为本发明的另一优选实施例，所述电机堵转保护装置还包括电源电压检测单元60，该电源电压检测单元60分别与所述供电单元30和所述控制模块44相连，用于实时检测所述供电单元30两端的电压，即实时检测电池包的输出电压。此时，也可通过占空比输出模块42输出初始占空比d0来驱动电机10启动，直至所述电机10两端的电压恒定在目标电压u，此时初始占空比d0的计算公式为：d0＝u/u0，其中，u为目标电压，u0为电源电压检测单元60实时检测到的供电单元30两端的电压，即电池包的实时输出电压。
41.当然，电机10初始启动时的初始占空比的计算方式还可以为其他，此处不再举例说明。
42.如图3所示，为本发明电机堵转保护方法的流程图，从该流程图可以看出，本发明的电机堵转保护方法主要包括以下步骤：
43.s1、启动电机10，直至电机10两端的电压恒定在目标电压u；
44.s2、电机电压检测单元20对电机10两端的电压进行实时检测，同时pid稳压控制模块41对电机10两端的电压进行pid调节，使电机10以恒定的目标电压u运行；
45.s3、占空比输出模块42输出实时占空比d1，并将该实时占空比d1传送至比较模块43，比较模块43将实时占空比d1与预先设定的最大限制占空比dlim进行比较，并将比较结果传送给控制模块44；
46.s4、当实时占空比d1大于最大限制占空比dlim时，控制模块44输出控制信号给驱动单元50，由驱动单元50驱动电机10关断；当实时占空比d1小于等于最大限制占空比dlim时，控制模块44输出控制信号给驱动单元50，由驱动单元50驱动电机10继续运行。
47.其中，步骤s1具体为：以初始占空比启动电机10，直至电机10两端的电压恒定在目标电压u。初始占空比具有两种计算方式：
①
定义初始占空比为de，则de＝u/ue，其中，u为目标电压、ue为与电机10相连的供电单元30的总线电压；
②
定义初始占空比为d0，则d0＝u/u0，其中，u为目标电压、u0为与电机10相连的供电单元30的输出电压。
48.步骤s4还包括：当实时占空比d1在设定时间段内持续大于最大限制占空比dlim时，控制模块44输出控制信号给驱动单元50，使电子开关断开，电机10断电。优选的，所述设定时间段为200ms～1s。也就是说，只要实时占空比d1在200ms～1s内持续大于最大限制占空比dlim时，无需再做其他判断或操作，控制模块44直接控制电机10断电。
49.简而言之，本发明利用电子开关来控制电机10的运行和断电，在电机10正常启动后，控制单元40控制电子开关进行脉冲宽度调制，以控制实时占空比d1的输出，以此来保证电机10能够以恒定的目标电压u运行。在此基础上，控制单元40再根据实时占空比d1与最大限制占空比dlim之间的大小关系，来判断滚刷是否发生堵转，进而在判定发生堵转时，能够快速的切断供电单元30与电机10之间的电性连接，使电机10断电，起到了很好的堵转保护作用。
50.综上所述，本发明的电机堵转保护装置通过将占空比输出模块42输出的实时占空比d1与预先设定的最大限制占空比dlim进行比较，且在实时占空比d1大于最大限制占空比dlim时，由控制模块44及时的控制电机10关断即可，不仅实现方式简单、实现成本低，而且可以实现电机10的最大恒扭矩输出而不触发过流保护，实现了有效的堵转保护；此外，在进行堵转保护的同时，还有效避免了电机10过流给滚刷驱动机构带来的磨损。
51.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。