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CN107834917B - 一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法 - Google Patents

一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法 Download PDF

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CN107834917B CN201711051353.4A CN201711051353A CN107834917B CN 107834917 B CN107834917 B CN 107834917B CN 201711051353 A CN201711051353 A CN 201711051353A CN 107834917 B CN107834917 B CN 107834917B
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Abstract

本发明涉及无刷电机技术领域，具体涉及一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法，所述直流无刷电机采用六步换相驱动模式，包括如下步骤：将直流电源与电机的三相绕组连接，使得在每一步中，三相中的两相存在导通电流；采用过零点检测电路采集三相绕组中非导通相的对地端电压信号并输出至单片机；所述单片机基于直流无刷电机的理论模型对采集到的端电压信号进行计算处理，获得反电动势与采样时间的函数关系；通过所述函数关系计算得到反电动势过零点以及换相点。本发明所提供的反电动势换相点检测电路及方法，在不使用比较器的情况下，快速准确地检测出直流无刷电机反电动势的过零点，可靠性高，节省了成本，提高了电机运行的稳定性。

Description

一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法
技术领域
本发明涉及无刷电机技术领域，具体涉及一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法。
背景技术
无刷电机是随着微处理器技术的发展、高频低功耗功率器件的不断应用以及电机驱动控制方法的不断进步而发展起来的一种直流电机，克服了有刷电机的结构复杂、噪声、火花以及维修困难的缺点，无刷电机以结构简单、运行可靠、高效节能、易于控制的优势得到广泛应用。在无刷电机无传感控制中，需要对电机的反电动势进行检测以提取反电动势的过零点信号进行电机换相操作，通常采用硬件比较器对电机反电动势和中心点信号进行比较，得到比较器过零点信号翻转，该方法需要外接比较器，容易受到PWM调制杂波以及其它噪声的干扰，会使信号产生一定的相位滞后，当相位滞后角度超过30度后，造成电机换相滞后，不利于电机正常运行，而且采用比较器成本较高。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法，能够以较低的成本、快速准确地检测出直流无刷电机反电动势的过零点。
为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：一种直流无刷电机的反电动势换相点检测方法，所述直流无刷电机采用六步换相驱动模式，包括如下步骤：
(1)将直流电源与电机的三相绕组连接，使得在每一步中，三相中的两相存在导通电流；
(2)采用过零点检测电路采集三相绕组中非导通相的对地端电压信号并输出至单片机；
(3)所述单片机基于直流无刷电机的理论模型对采集到的端电压信号进行计算处理，获得反电动势与采样时间的函数关系；通过所述函数关系计算得到反电动势过零点以及换相点。
进一步地，所述步骤(2)中过零点检测电路有三个，且三个过零点检测电路的输入端分别与无刷电机的三相绕组连接，输出端与单片机连接。
进一步地，所述步骤(3)具体为：
单片机在每步的周期内采集多个时刻的端电压；
根据所获取的端电压计算各采样时刻对应的反电动势；其中，
Figure GDA0002481265450000021
Vn为三相绕组的端电压Va、Vb或Vc，en为三相绕组的反电动势ea、eb或ec；
获得采样时刻与反电动势的函数关系en＝f(t)；
基于所述函数关系计算反电动势过零点以及换相点。
进一步地，所述步骤(3)进一步包括：所述函数en＝f(t)为一次函数；从任一换相点开始，该换相点记为第一步的初始点，时间计为零；每步中所需计算的换相点为下一步的初始点；
采用最小二乘法对所获得各采样时刻的反电动势进行拟合得到反电动势与采样时刻的一次函数关系en＝f(t)；
根据所获取的一次函数关系计算反电动势过零点，即en为零处时所对应的采样时刻；
根据初始点以及反电动势过零点得到换相点。
本技术方案中，所述步骤(3)进一步包括：在每步中，单片机对每一采样时刻的反电动势进行检测，判断是否出现正负变化，当出现正负变化时，停止采样。
另一方面，本发明提供了一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路，包括单片机、驱动电路和过零点检测电路，所述驱动电路连接在单片机与无刷电机的三相绕组之间；所述过零点检测电路的输入端与无刷电机的三相绕组连接，检测每相绕组的端电压，过零点检测电路的输出端与单片机连接，所述单片机根据所检测的端电压计算出反电动势过零点以及换相点，所述驱动电路根据计算出的换相点驱动无刷电机。
进一步地，所述过零点检测电路包括第一检测电路、第二检测电路和第三检测电路，三个检测电路分别与三相绕组连接；所述第一检测电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻串联在A相绕组与地之间，第一电阻与第二电阻之间为输出端，输出端与单片机连接；
第一电阻的一端为输入端，连接A相绕组，另一端与第二电阻串联，第二电阻的另一端接地；第一电阻与第二电阻之间为输出端，输出端与单片机连接；
所述第二检测电路包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻串联在B相绕组与地之间，第三电阻与第四电阻之间为输出端，输出端与单片机连接；
第三电阻的一端为输入端，连接B相绕组，另一端与第四电阻串联，第四电阻的另一端接地；
所述第三检测电路包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻和第六电阻串联在C相绕组和地之间，第五电阻与第六电阻之间为输出端，输出端与单片机连接。
第五电阻的一端为输入端，连接C相绕组，另一端与第六电阻串联，第六电阻的另一端接地；
进一步地，所述第一检测电路、第二检测电路、第三检测电路中分别包含有第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容的一端与第一检测电路的输出端连接，另一端接地；所述第二电容的一端与第二检测电路的输出端连接，另一端接地；所述第三电容的一端与第三检测电路的输出端连接，另一端接地。
进一步地，所述驱动电路包括驱动器和开关电路。
本发明还提供了一种直流无刷电机，包括上述的反电动势换相点检测电路。
采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的直流无刷电机的反电动势换相点检测电路及方法，在不使用比较器的情况下，快速准确地检测出直流无刷电机反电动势的过零点，可靠性高，节省了成本，提高了电机运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例所提供无刷直流电机的反电动势波形图；
图2为本发明实施例所提供的反电动势换相点检测电路的电路图；
图3为图2中100处放大图；
图4为图2中200处放大图；
图5为图2中300处放大图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1：
无刷直流电机是一种永磁式同步电机，转子上有永磁体以及梯形反电动势。无刷直流电机采用定子线圈中的直流电源切换相位的方式来控制，切换时序由转子位置决定。无刷直流电机的当前相位，标准的是矩形波，与恒定转速下提供恒定扭矩的反电动势同步；在无刷电机无传感控制中，需要对电机的反电动势进行检测以提取反电动势的过零点信号进行电机换相操作，通常采用硬件比较器对电机反电动势和中心点信号进行比较，得到比较器过零点信号翻转，该方法需要外接比较器，容易受到PWM调制杂波以及其它噪声的干扰，会使信号产生一定的相位滞后，当相位滞后角度超过30度后，造成电机换相滞后，不利于电机正常运行，而且采用比较器成本较高。
为了克服该缺陷，本实施例提供了一种直流无刷电机的反电动势换相点检测方法，直流无刷电机采用六步换相驱动模式，包括如下步骤：
S1、将直流电源与电机的三相绕组连接，使得在每一步中，三相中的两相存在导通电流；
三相无刷直流电机采用六步120度换相模式进行驱动，在同一瞬间，只有三相中的两相通电流。例如，当A相和B相通电时，C相悬空，这个通电传导间隔持续60度电角度，称作一步。传统的从一步跳到下一步的方式称作换相，所以，在一个周期内总共有6步。为了获得最佳控制和最大扭矩 /安培值，切换电流方式如下：保持相内的电流与相反电动势同相，切换时间由转子位置决定。因为反电动势的波形由转子位置决定，这就使在反电动势已知的情况下确定换向时间成为可能，相电流与相反电动势同相，可以通过测量过零点的相反电动势获得切换电流的时间。
S2、采用过零点检测电路采集三相绕组中非导通相的对地端电压信号并输出至单片机；
每一次换相，都有一个绕组连接到直流电源的正极，电流进入到该绕组，第二绕组连接到直流电源的负极，电流从该绕组流出，第三个绕组处于开路状态，处于开路状态相绕组的相电压为反电动势，无刷直流电机每转动一周，需要换相六次，每一相的反电动势过零点两次，由于反电动势不能直接被测得，只能通过测量端电压来获取反电动势。
S3、所述单片机基于直流无刷电机的理论模型对采集到的端电压信号进行计算处理，获得反电动势与采样时间的函数关系；通过所述函数关系计算得到反电动势过零点以及换相点。
根据无刷电机的理论模型可知，
Figure GDA0002481265450000061
其中Vn为断开相的端电压，Vxn为是电机中立点电压。
电机的电路理论模型，当A相的上部开关闭合，电流流经开关到AB的线圈。当半桥的上部晶体管关断，电流通过二极管续流流经A相下部开关。在此续流器件，在C相没有电流的情况下，端电压Vc在C相被检测到产生的反电动势。通过电路，得到Vc＝ec+VXn，Vc是悬空端C相的端电压，ec是相反电动势，VXn是电机中立点电压。
相A，前端的二极管电压降被忽略，
Figure GDA0002481265450000062
对于B相，开关的前端压降忽略，
Figure GDA0002481265450000063
将(1.1)和(1.2)相加得：
Figure GDA0002481265450000064
假设这是一个平衡三相系统，忽略三次谐波，
ea+eb+ec＝0 (1.4)
忽略三次谐波，通过1.3和1.4我们有：
Figure GDA0002481265450000065
因此，端电压Vc:
Figure GDA0002481265450000066
在PWM关闭期间，也就是电流续流器件，悬空相的端电压是直接与反电动势电压成正比的没有叠加任何开关噪声，通过检测端悬空相的端电压可以得到反电动势。
在本实施例中，具体地，包括如下步骤：
S31、单片机在每步的周期内采集多个时刻的端电压；
S32、根据所获取的端电压计算各采样时刻对应的反电动势；其中，
Figure GDA0002481265450000071
Vn为三相绕组的端电压Va、Vb或Vc，en为三相绕组的反电动势ea、eb或ec；
S33、获得采样时刻与反电动势的函数关系en＝f(t)；
S34、基于所述函数关系计算反电动势过零点以及换相点。
具体地，所述函数en＝f(t)为一次函数；从任一换相点开始，该换相点记为第一步的初始点，时间计为零；每步中所需计算的换相点为下一步的初始点；采用最小二乘法对所获得各采样时刻的反电动势进行拟合得到反电动势与采样时刻的一次函数关系en＝f(t)；
根据所获取的一次函数关系计算反电动势过零点，即反电动势为零处；
根据初始点以及反电动势过零点得到换相点。
参阅图1，电机反电动势的部分波形图，做具体说明，电机在转动过程中，转动一周换相六次，A-B-C-D-E-F-G代表一个周期内检测到的反电动势波形图，本实施例中，将A-B作为第一步，A点为第一步的初始点，由A点开始采集多个时刻的反电动势；在第一步进入第二步时，需要获知换相点B的具体时间点，采用最小二乘法对所采集到的反电动势数据进行拟合，获得AB间的一次函数en＝f(t)，根据所获得的一次函数关系，计算en为零时对应的时间，由于第一步中的初始时间以及过零点时间已知，可以计算出换相点对应的时刻，t相1＝t初1+2(t零1-t初1),t相1为第一步切换到第二步的换相点时刻，t初1第一步初始时刻，t零1为第一步中过零点对应时刻，t相1为第二步中起始点C对应的时刻，同理，可以求得，第二步切换到第三步的换相点C。
在本实施例中，为了提高测量的精确度，在每步中，单片机对每一采样时刻的反电动势进行检测，判断是否出现正负变化，当出现正负变化时，停止采样。具体地，在每步中进行采样时，只针对每步中的前半周期进行采样，即在反电动势过零点一侧进行采样，以此保证测量的准确性，一旦判断出所采样点对应的反电动势正负发生变化，停止采样，且不把该点作为采样点。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种直流无刷电机的反电动势换相点检测电路，包括单片机、驱动电路和过零点检测电路，所述驱动电路连接在单片机与无刷电机的三相绕组之间；所述过零点检测电路的输入端与无刷电机的三相绕组连接，检测每相绕组的端电压，过零点检测电路的输出端与单片机连接，所述单片机根据所检测的端电压计算出反电动势过零点以及换相点，所述驱动电路根据计算出的换相点驱动无刷电机。
参阅图2-5，本实施例中过零点检测电路包括第一检测电路101、第二检测电路201和第三检测电路301，三个检测电路分别与三相绕组连接；
所述第一检测电路101包括第一电阻R9和第二电阻R19，所述第一电阻R9和第二电阻R19串联在A相绕组与地之间，第一电阻R9与第二电阻R19之间为输出端，输出端与单片机连接；
第一电阻R9的一端为输入端，连接A相绕组，另一端与第二电阻R19 串联，第二电阻R19的另一端接地；第一电阻R9与第二电阻R19之间为输出端，输出端与单片机连接；
第一检测电路101中采用两个分压电阻第一电阻R9与第二电阻R19 采集A相绕组的端电压，并反馈至单片机。
所述第二检测电路201包括第三电阻R10和第四电阻R20，所述第三电阻R10和第四电阻R20串联在B相绕组与地之间，第三电阻R10与第四电阻R20之间为输出端，输出端与单片机连接；
第三电阻R10的一端为输入端，连接B相绕组，另一端与第四电阻 R20串联，第四电阻R20的另一端接地；
第二检测电路201中采用两个分压电阻第一电阻R10与第二电阻R20 采集B相绕组的端电压，并反馈至单片机。
所述第三检测电路包括第五电阻R26和第六电阻R31，所述第五电阻 R26和第六电阻串联在C相绕组和地之间，第五电阻R26与第六电阻之间为输出端，输出端与单片机连接。
第五电阻R26的一端为输入端，连接C相绕组，另一端与第六电阻 R31串联，第六电阻R31的另一端接地；
第三检测电路301中采用两个分压电阻第一电阻R26与第二电阻R31 采集C相绕组的端电压，并反馈至单片机。
总地来说，无刷电机的三相绕组分别输出端电压到对应的过零点检测电路的输入端，分压电阻采集对应绕组的端电压后输入至单片机，单片机对采集到的端电压进行计算处理后得到反电动势，并采用最小二乘法多采集到的数据组进行拟合，得到反电动势与时间的一次函数关系，基于该一次函数关系计算得到反电动势过零点，进而求得换相点，驱动电路根据单片机的控制信号驱动三相绕组。所述驱动电路包括驱动器和开关电路，图2-5中，102、202以及302皆为开关电路，开关电路根据单片机的信号控制通断，从而使得，每次换相，A、B和C之中有一个连接到直流电源的正极，另一个连接到直流电源的负极，第三个处于断电状态。
为了滤除反电动势检测电路内的干扰噪声，使得输出的电压稳定可靠，所述第一检测电路、第二检测电路、第三检测电路中分别包含有第一电容C6、第二电容C7和第三电容C11，所述第一电容C6的一端与第一检测电路的输出端连接，另一端接地；所述第二电容C7的一端与第二检测电路的输出端连接，另一端接地；所述第三电容C11的一端与第三检测电路的输出端连接，另一端接地。
另外，本实施例还提供了一种直流无刷电机，包括上述的反电动势换相点检测电路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种直流无刷电机的反电动势换相点检测方法，其特征在于，所述直流无刷电机采用六步换相驱动模式，包括如下步骤：
(1)将直流电源与电机的三相绕组连接，使得在每一步中，三相中的两相存在导通电流；
(2)采用过零点检测电路采集三相绕组中非导通相的对地端电压信号并输出至单片机；过零点检测电路有三个，且三个过零点检测电路的输入端分别与无刷电机的三相绕组连接，输出端与单片机连接；
(3)所述单片机基于直流无刷电机的理论模型对采集到的端电压信号进行计算处理，获得反电动势与采样时间的函数关系；通过所述函数关系计算得到反电动势过零点以及换相点；
所述步骤(3)具体为：
单片机在每步的周期内采集多个时刻的端电压；
根据所获取的端电压计算各采样时刻对应的反电动势；其中，
Figure FDA0002481265440000011
Vn为三相绕组的端电压Va、Vb或Vc，en为三相绕组的反电动势ea、eb或ec；
获得采样时刻与反电动势的函数关系en＝f(t)；
基于所述函数关系计算反电动势过零点以及换相点；
所述函数en＝f(t)为一次函数；
采用最小二乘法对所获得各采样时刻的反电动势进行拟合得到反电动势与采样时刻的一次函数关系en＝f(t)；
根据所获取的一次函数关系计算反电动势过零点，即en为零处时所对应的采样时刻；
根据初始点以及反电动势过零点得到换相点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：在每步中，单片机对每一采样时刻的反电动势进行检测，判断是否出现正负变化，当出现正负变化时，停止采样。
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