一种直流有刷电机控制系统及方法与流程

本技术涉及直流有刷电机领域，尤其是涉及一种直流有刷电机控制系统及方法。

背景技术：

1、随着电子技术的飞速发展和消费电子产品的广泛普及，直流有刷电机因其结构简单、成本低廉、易于控制等优点，在多个领域得到了广泛应用。在新能源汽车及相关智能设备的推动下，直流有刷电机的驱动及其调速技术成为了研究的热点。为了满足不同应用场景的需求，直流有刷电机的驱动电路设计不断优化，旨在提高其控制性能和可靠性。

2、直流有刷电机的控制主要分为转向控制和转速控制两大部分。根据这两种控制方法，驱动电路的设计可分为继电器驱动、三极管驱动和mos管驱动三种主要类型。继电器驱动因其设计简单、价格低廉而受到青睐，但其体积较大、响应频率低、不利于精确调速且电流诊断较为困难。三极管驱动则具备设计简单和可调速的优点，但其驱动功率相对较低。相比之下，mos管（场效应管）驱动具有体积小、功能安全、开关频率高、调速容易以及可进行电流诊断等诸多优势，但其价格相对较高且驱动功率一般。

3、现有的控制电路往往针对特定需求单独设计，缺乏将多种驱动方式融合的新型设计，导致控制电路的功能较为单一，控制目的性强但适应性不足。此外，尽管这些控制电路能够有效实现电机的换向和调速功能，却往往忽略了直流有刷电机在不同负载条件下的特性变化，在电机出现变载或堵转时，无法及时做出有效的补偿控制，增加了电机和负载损坏的风险。

技术实现思路

1、为了有助于解决直流有刷电机的控制电路功能单一和缺少补偿控制的问题，本技术提供一种直流有刷电机控制系统及方法。

2、第一方面，本技术提供一种直流有刷电机控制系统，采用如下的技术方案：

3、一种直流有刷电机控制系统，其中，所述控制系统包括：

4、控制器模块，所述控制器模块包括反电动势采集单元和控制单元，所述反电动势采集单元用于采集所述直流有刷电机旋转时切割磁感线产生的反电动势，所述控制单元用于根据所述反电动势控制所述直流有刷电机的转速和转向；

5、转向控制模块，所述转向控制模块用于连接所述直流有刷电机，并控制所述直流有刷电机的转向；

6、转速控制模块，所述转速控制模块内设置有晶体管电路，所述晶体管电路的一端连接所述控制器模块，另一端用于连接所述直流有刷电机，并控制所述直流有刷电机的转速。

7、通过上述技术方案，提出了一种直流有刷电机控制系统，该系统集成了控制器模块、转向控制模块和转速控制模块。控制器模块通过采集电机的反电动势来估算电机的转速，并根据预设条件控制电机的转速和转向。这种设计使得控制系统能够实时感知电机的运行状态，并据此进行精确的转速和转向控制。通过闭环控制策略，即使电机负载变化，系统也能迅速响应并调整控制参数，确保电机稳定运行。此外，集成化的设计简化了系统的复杂性，提高了系统的可靠性和可维护性。

8、优选的，所述转向控制模块内设置有继电器电路，所述继电器电路用于控制所述直流有刷电机两端电压的极性。

9、通过采用上述技术方案，转向控制模块内设置继电器电路，通过切换继电器的状态来改变电机两端电压的极性，从而实现电机的正反转控制。继电器电路具有结构简单、成本低廉、可靠性高的特点。采用继电器进行转向控制，不仅确保了转向的准确性，还降低了控制系统的成本。此外，继电器的高可靠性保证了转向控制的长期稳定性，减少了因转向故障导致的电机损坏风险。

10、优选的，所述控制系统还包括三极管，所述三极管的基极连接所述控制器模块，所述三极管的集电极连接所述继电器电路。

11、通过采用上述技术方案，控制系统引入三极管作为驱动元件，连接控制器模块和继电器电路，用于控制继电器的切换。三极管作为电子开关，具有快速响应、低损耗的特点。通过三极管驱动继电器，实现了电气隔离和信号放大的功能，提高了系统的抗干扰能力和驱动能力。这种设计使得控制系统能够更准确地控制继电器的切换时机，进而实现电机的精确转向控制。

12、优选的，所述晶体管电路包括第一晶体管电路和第二晶体管电路，所述第一晶体管电路中的晶体管连接第一电平，所述第二晶体管电路中的晶体管连接第二电平，所述第一电平高于所述第二电平。

13、通过采用上述技术方案，转速控制模块内的晶体管电路分为第一晶体管电路和第二晶体管电路，分别连接不同的电平，通过调整晶体管的导通占空比来控制电机的转速。通过改变晶体管的导通占空比，可以灵活调节电机两端的平均电压，从而实现电机的无级调速。这种设计使得控制系统能够根据实际需求快速调整电机的转速，满足不同应用场景的需求。同时，由于无需额外的机械调速装置，降低了系统的复杂性和成本。

14、优选的，所述控制器模块还包括噪音处理单元，所述噪音处理单元内设置有傅里叶变换算法和扫频算法，所述傅里叶变换算法用于转换所述直流有刷电机旋转时产生的噪音信号，所述扫频算法用于处理经过所述傅里叶变换算法转换后的所述噪音信号。

15、通过采用上述技术方案，噪音处理单元是控制系统中用于降低电机运行噪音的关键部分，该单元通过内置的傅里叶变换算法将电机运行产生的噪音信号从时域转换到频域进行分析和处理，在此基础上应用扫频算法将噪音能量均匀分布到各个频带中，从而有效降低了特定频带内的噪音尖峰现象。

16、第二方面，本技术提供一种第一方面中所述的直流有刷电机控制系统的控制方法，采用如下的技术方案：

17、一种如前述第一方面所述的直流有刷电机控制系统的控制方法，其中，所述控制方法包括：

18、通过所述转向控制模块控制所述直流有刷电机的转向；

19、通过所述转速控制模块控制所述直流有刷电机的转速，所述反电动势采集单元采集所述直流有刷电机旋转时切割磁感线产生的反电动势，所述控制单元根据所述反电动势计算所述直流有刷电机的实际转速，并根据所述实际转速和预设转速控制所述转速控制模块。

20、通过采用上述技术方案，描述了一种直流有刷电机控制系统的控制方法，包括通过转向控制模块控制电机的转向，以及通过转速控制模块控制电机的转速。该方法将转向和转速控制整合到一个统一的控制流程中，确保了两者之间的协调性和一致性。这种系统性的控制方法提高了整个控制系统的效率和稳定性。通过对电机的实时监测和反馈调节，系统能够迅速响应外部指令或负载变化，确保电机始终处于最佳工作状态。此外，基于反电动势采集和转速估算的闭环控制策略，实现了对电机转速的精确控制，提高了控制的准确性和稳定性。

21、优选的，所述转向控制模块内设置有继电器电路，当所述继电器电路处于第一工作状态时，所述直流有刷电机正转，当所述继电器电路处于第二工作状态时，所述直流有刷电机反转。

22、通过采用上述技术方案，继电器电路的设计简单，可靠性高，能够稳定地实现电机的正反转切换。继电器切换速度快，使得转向控制的响应时间短，满足对控制精度和实时性要求较高的应用场景。此外，继电器的使用在一定程度上实现了电气隔离，有助于保护控制系统免受电机侧电气噪声的干扰。

23、优选的，所述控制系统还包括三极管，所述三极管的基极连接所述控制器模块，所述三极管的集电极连接所述继电器电路，当所述控制单元驱动所述三极管时，所述继电器电路从所述第一工作状态切换至所述第二工作状态，或所述继电器电路从所述第二工作状态切换至所述第一工作状态。

24、通过采用上述技术方案，描述了通过控制三极管的导通状态来驱动继电器电路切换，进而实现电机的转向控制。三极管作为驱动元件，能够放大来自控制单元的控制信号，确保继电器电路得到足够的驱动电流，实现稳定切换。此外，三极管的使用进一步增强了电气隔离效果，防止了控制单元直接受到电机侧电气环境的影响，提高了系统的安全性和可靠性。

25、优选的，所述转速控制模块内设置有晶体管电路，所述晶体管电路的一端连接所述控制器模块，另一端用于连接所述直流有刷电机，当所述晶体管电路输出占空比升高时，所述直流有刷电机转速升高，当所述晶体管电路输出占空比降低时，所述直流有刷电机转速降低。

26、通过采用上述技术方案，描述了通过动态调整晶体管电路的占空比来实现电机的转速控制。通过精确控制晶体管的占空比，可以实现对电机供电电压的精确调节，从而达到精确控制电机转速的目的。同时，通过调整占空比的大小，系统可以覆盖从低速到高速的广泛调速范围，满足不同负载和工况下的需求。在保持电机稳定运行的同时，通过优化占空比控制策略，可以最大限度地降低电机运行过程中的能耗，提高系统效率。

27、优选的，所述控制方法还包括：

28、通过傅里叶变换算法将所述直流有刷电机旋转时产生的噪音从时域领域转换至频域领域，确定基频和倍频，并通过扫频算法根据所述基频和所述倍频将所述时域中的能量均匀分布到所述频域中的各个频带。

29、通过采用上述技术方案，傅里叶变换算法将电机旋转时产生的噪音信号从时域转换到频域。在时域中，噪音表现为随时间变化的波形，难以直接识别和处理其主要成分,而频域转换则使得噪音信号的频率成分变得清晰可见，能够区分出基频和各种倍频成分。利用扫频算法根据基频和倍频信息，对时域中的噪音能量进行重新分配,将集中的能量分散到频域中的各个频带，从而避免某个特定频带内出现过高的噪音尖峰,显著降低噪音的总体水平，使得设备运行更加安静、舒适，提升了用户的体验。

30、综上所述，本技术提出的一种直流有刷电机控制系统及方法，通过集成化的硬件设计和先进的控制策略，实现了对电机的全面、精确控制。该系统充分利用了反电动势采集技术、继电器驱动技术和晶体管调速技术的优点，克服了传统控制电路在负载特性补偿、响应速度和精度等方面的不足。通过闭环控制策略和软件算法的优化，本技术不仅提高了电机的运行效率和稳定性，还降低了控制系统的能耗和成本。此外，该系统还具有较强的自适应能力和智能化水平，能够满足不同应用场景的需求，具有显著的技术进步性和实用性。