无刷直流电机控制方法和装置

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，具体涉及一种无刷直流电机控制方法及装置。

背景技术

目前在无人机产品上动力部分应用的大部分为无刷直流电机，针对无刷直流电机的无传感器控制方法通常有无传感器六步换向控制（简称“方波控制”）和无传感器磁场定向控制（简称“弦波控制”）。而无传感器方波控制由于控制方法简单，通用性强，在无人机动力系统电子调速器（简称“电调”）上应用比较广泛。在方波控制中，关闭相的 MOS 体二极管会发生续流现象，由于二极管续流损耗较大，所以会导致 MOS 发热较大。为了降低发热，提高效率， 一般会使用同步整流技术。同步整流技术是指在上管 MOS 关闭时，打开对应的下管 MOS，以此来降低下管 MOS 的二极管整流损耗。无人机上应用的方波无刷电调一般都会打开同步整流技术以此来降低发热，提高效率，增强续航能力。无人机在空中飞行时会经常遇到需要关闭动力输出的情况，如无人机在滑翔时一般会关闭输出，桨叶在气流和惯性的影响下会维持转动。当桨叶在自由旋转时，如果需要恢复动力输出，电调会响应当前的油门信号并输出相应的动力。如果此时给定的油门信号对应输出的动力与当前自由旋转的转速不匹配，若给定油门对应的输出电压小于反电动势，会出现转速向下突变，若给定油门对应的输出电压大于反电动势，会出现转速向上突变，直观表现为动力衔接不连贯，动力输出会卡顿一下。针对无传感器方波控制下的无刷直流电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式驱动会出现卡顿的问题，本发明设计了一种无刷直流电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式驱动的占空比补偿算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中无人机的无刷电机由风车状态转换为驱动状态的过程中，动力衔接不连贯，动力输出卡顿的缺陷，从而提供一种无刷直流电机控制方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明公开实施例至少提供一种无刷直流电机控制方法和装置方法和装置。

第一方面，本发明公开实施例提供了一种无刷直流电机控制方法，所述方法用于无人机无刷直流电机的无传感器六步换向控制，所述方法包括：

根据第一输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值，所述第一输入油门信号是电机在自由旋转状态时的输入油门信号；

根据当前的母线电压和所述反电动势幅值计算补偿占空比；

通过第二输入油门信号计算得到输出占空比，所述第二输入油门信号是电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号；

以所述补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比。

可选地，所述根据第一输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值包括：在电机运行过程中，持续检测所述第三输入油门信号，在所述第三输入油门小于停止油门时，电子调速器关闭输出，电机进入自由旋转状态，所述第三输入油门信号是电机进入自由旋转状态前的输入油门信号；在电机自由旋转状态下，持续检测所述第一输入油门信号，在所述第一输入油门信号大于油门启动时，读取三相端电压 Vag，Vbg，Vcg；对三相端电压 Vag，Vbg，Vcg 进行克拉克变换，由下面公式计算得到正交信号 Valpha和Vbeta：

可选地，所述根据当前的母线电压和所述反电动势幅值计算补偿占空比为：读取当前的母线电压 Vbus，结合所述反电动势 Vbemf，由以下公式计算得到补偿占空比Duty_comp：

可选地，所述电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比为：所述电子调速器按照预设占空比变化率将所述初始输出占空比调整到所述输出占空比。

第二方面，本发明公开实施例还提供一种无刷直流电机控制装置，所述装置用于无人机无刷直流电机的无传感器六步换向控制，所述装置包括：

反电动势幅值计算模块，用于根据第一输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值，所述第一输入油门信号是电机在自由旋转状态时的输入油门信号；

补偿占空比计算模块，用于根据当前的母线电压和所述反电动势幅值计算补偿占空比；

输出占空比计算模块，用于通过第二输入油门信号计算得到输出占空比，所述第二输入油门信号是电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号；

输出控制模块，用于以所述补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比。

可选地，所述反电动势幅值计算模块包括：状态切换子模块，用于在电机运行过程中，持续检测所述第三输入油门信号，在所述第三输入油门小于停止油门时，电子调速器关闭输出，电机进入自由旋转状态，所述第三输入油门信号是电机进入自由旋转状态前的输入油门信号；电压读取子模块，用于在电机自由旋转状态下，持续检测所述第一输入油门信号，在所述第一输入油门信号大于油门启动时，读取三相端电压 Vag，Vbg，Vcg；正交信号计算子模块，用于对三相端电压 Vag，Vbg，Vcg 进行克拉克变换，由下面公式计算得到正交信号 Valpha和Vbeta：

可选地，补偿占空比计算模块根据当前的母线电压和所述反电动势幅值计算补偿占空比为：补偿占空比计算模块读取当前的母线电压 Vbus，结合所述反电动势 Vbemf，由以下公式计算得到补偿占空比Duty_comp：

可选地，输出控制模块以所述补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比为：输出控制模块控制所述电子调速器按照预设占空比变化率将所述初始输出占空比调整到所述输出占空比。

第三方面，本发明公开实施例还提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行上述第一方面，或第一方面中任一种可能的实施方式中的步骤。

第四方面，本发明公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面，或第一方面中任一种可能的实施方式中的步骤。

本发明的实施例提供的技术方案可以具有以下有益效果：

设计了一个电机反电动势的检测方法，根据电机在自由旋转状态时的输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值；根据当前的母线电压和反电动势幅值计算补偿占空比；通过电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号计算得到输出占空比；以补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比，通过该方法可以准确计算出在自由旋转状态下的电机反电动势幅值，然后再以检测出来的反电动势计算出一个用于补偿的占空比。使用该占空比可以解决无刷电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式启动会出现卡顿的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1示出了本发明公开实施例所提供的一种无刷直流电机控制方法的流程图；

图2示出了本发明公开实施例所提供的一种无刷直流电机控制装置的结构示意图；

图3示出了本发明公开实施例所提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例1

针对无传感器方波控制下的无刷直流电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式驱动会出现卡顿的问题，本发明实施例提供一种无刷直流电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式驱动的占空比补偿算法，能够消除无传感器方波控制下无刷电机自由旋转状态下切换到同步整流方式驱动时的卡顿现象，提高了动力系统的平顺性和稳定性。

如图1所示，本发明公开实施例所提供的一种无刷直流电机控制方法的流程图，该方法用于无人机无刷直流电机的无传感器六步换向控制，该方法包括：

S101，根据第一输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值，第一输入油门信号是电机在自由旋转状态时的输入油门信号。

S102，根据当前的母线电压和反电动势幅值计算补偿占空比。

在一些可选实施例中，可以读取当前的母线电压 Vbus，结合所述反电动势Vbemf，由以下公式计算得到补偿占空比Duty_comp：

S103，通过第二输入油门信号计算得到输出占空比，第二输入油门信号是电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号。

S104，以补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比。

在一些可选实施例中，所述电子调速器按照预设占空比变化率将所述初始输出占空比调整到所述输出占空比。

在一些可选实施例中，S101可以但不限于通过以下过程实现（图中未示出）：

S1011，在电机运行过程中，持续检测第三输入油门信号，在第三输入油门小于停止油门时，电子调速器关闭输出，电机进入自由旋转状态，第三输入油门信号是电机进入自由旋转状态前的输入油门信号。

S1012，在电机自由旋转状态下，持续检测第一输入油门信号，在第一输入油门信号大于油门启动时，读取三相端电压 Vag，Vbg，Vcg。

S1013，对三相端电压 Vag，Vbg，Vcg 进行克拉克变换，由下面公式计算得到正交信号 Valpha和Vbeta：

；

，其中，Vag是A相端电压，Vbg是B相端电压，Vcg是C相端电压。

S1014，对正交信号Valpha和Vbeta 进行平方和再开平方操作，并由以下公式计算得到反电动势 Vbemf：

为了便于读着理解，下面对上述实施例做如下详细描述：

步骤 1：电机在运行过程中，持续检测输入油门信号，如果输入油门小于停止油门点，电调关闭输出，6 个桥臂 MOS 全部关闭，电机进入自由旋转状态。

步骤 2：在电机自由旋转状态下，持续检测输入油门信号，如果输入油门信号大于油门启动点，进入步骤 3。

步骤 3：读取三相端电压 Vag，Vbg，Vcg，然后对 Vag，Vbg，Vcg 进行 Clarke 变换，由公式（1）和（2）可以计算得到正交信号 Valpha，Vbeta，进入步骤 4。

（1）；

（2）。

步骤 4：对 Valpha，Vbeta 进行平方和再开平方操作，由（3）可以计算得到反电动势 Vbemf，进入步骤 5。

（3）。

步骤 5：读取当前的母线电压 Vbus，结合反电动势 Vbemf，由（4）可以计算得到占空比Duty_comp，进入步骤 6。

（4）。

步骤 6：以步骤 5 得到的 Duty_com 作为初始输出占空比，电调开始以同步整流方式进行输出，此时电调输出电压刚好完全抵消反电动势电压，电机相当于以零电压开始启动。进入步骤 7。

步骤 7：通过输入油门计算得到的输出占空比为 Duty_ref，设定一个占空比变化率ΔDuty，最终输出的占空比由 Duty_com 以变化率ΔDuty 向 Duty_ref 靠近，最终会跟随上 Duty_ref。占空比变化率ΔDuty 如果设置合适，可以完全消除转速突变带来的冲击，卡顿现象可以完全消失。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计了一个电机反电动势的检测方法，根据电机在自由旋转状态时的输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值；根据当前的母线电压和反电动势幅值计算补偿占空比；通过电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号计算得到输出占空比；以补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比，通过该方法可以准确计算出在自由旋转状态下的电机反电动势幅值，然后再以检测出来的反电动势计算出一个用于补偿的占空比。使用该占空比可以解决无刷电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式启动会出现卡顿的问题。

实施例2

如图2所示，本发明公开实施例所提供的另一种无刷直流电机控制装置的功能结构图，该装置用于无人机无刷直流电机的无传感器六步换向控制，该装置包括：

反电动势幅值计算模块21，用于根据第一输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值，所述第一输入油门信号是电机在自由旋转状态时的输入油门信号。

补偿占空比计算模块22，用于根据当前的母线电压和所述反电动势幅值计算补偿占空比。

在一些可选实施例中，补偿占空比计算模块22读取当前的母线电压 Vbus，结合所述反电动势 Vbemf，由以下公式计算得到补偿占空比Duty_comp：

输出占空比计算模块23，用于通过第二输入油门信号计算得到输出占空比，所述第二输入油门信号是电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号。

输出控制模块24，用于以所述补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比。

在一些可选实施例中，输出控制模块24控制所述电子调速器按照预设占空比变化率将所述初始输出占空比调整到所述输出占空比。

在一些可选实施例中，反电动势幅值计算模块21包括：

状态切换子模块211，用于在电机运行过程中，持续检测所述第三输入油门信号，在所述第三输入油门小于停止油门时，电子调速器关闭输出，电机进入自由旋转状态，所述第三输入油门信号是电机进入自由旋转状态前的输入油门信号。

电压读取子模块212，用于在电机自由旋转状态下，持续检测所述第一输入油门信号，在所述第一输入油门信号大于油门启动时，读取三相端电压 Vag，Vbg，Vcg。

正交信号计算子模块213，用于对三相端电压 Vag，Vbg，Vcg 进行克拉克变换，由下面公式计算得到正交信号 Valpha和Vbeta：

；

，其中，Vag是A相端电压，Vbg是B相端电压，Vcg是C相端电压。

反电动势计算子模块214，用于对正交信号Valpha和Vbeta 进行平方和再开平方操作，并由以下公式计算得到所述反电动势 Vbemf：

。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计了一个电机反电动势的检测装置，根据电机在自由旋转状态时的输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值；根据当前的母线电压和反电动势幅值计算补偿占空比；通过电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号计算得到输出占空比；以补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比，通过该方法可以准确计算出在自由旋转状态下的电机反电动势幅值，然后再以检测出来的反电动势计算出一个用于补偿的占空比。使用该占空比可以解决无刷电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式启动会出现卡顿的问题。

实施例3

基于同一技术构思，本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器1和处理器2，如图3所示，所述存储器1存储有计算机程序，所述处理器2执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的无刷直流电机控制方法。

其中，存储器1至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器1在一些实施例中可以是无刷直流电机控制系统的内部存储单元，例如硬盘。存储器1在另一些实施例中也可以是无刷直流电机控制系统的外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器1还可以既包括无刷直流电机控制系统的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器1不仅可以用于存储安装于无刷直流电机控制系统的应用软件及各类数据，例如无刷直流电机控制程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

处理器2在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器1中存储的程序代码或处理数据，例如执行无刷直流电机控制程序等。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计了一个电机反电动势的检测方法，根据电机在自由旋转状态时的输入油门信号和三相端电压计算电机在自由旋转状态时的反电动势幅值；根据当前的母线电压和反电动势幅值计算补偿占空比；通过电机从自由旋转状态恢复驱动状态后的输入油门信号计算得到输出占空比；以补偿占空比作为初始输出占空比，电子调速器开始以同步整流方式进行输出，直至占空比达到最终输出占空比，通过该方法可以准确计算出在自由旋转状态下的电机反电动势幅值，然后再以检测出来的反电动势计算出一个用于补偿的占空比。使用该占空比可以解决无刷电机在自由旋转状态下切换到同步整流方式启动会出现卡顿的问题。

本发明公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中所述的无刷直流电机控制方法的步骤。其中，该存储介质可以是易失性或非易失的计算机可读取存储介质。

本发明公开实施例所提供的无刷直流电机控制方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行上述方法实施例中所述的无刷直流电机控制方法的步骤，具体可参见上述方法实施例，在此不再赘述。

本发明公开实施例还提供一种计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述实施例的任意一种方法。该计算机程序产品可以具体通过硬件、软件或其结合的方式实现。在一个可选实施例中，所述计算机程序产品具体体现为计算机存储介质，在另一个可选实施例中，计算机程序产品具体体现为软件产品，例如软件开发包（Software DevelopmentKit，SDK）等等。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。