专利名称：一种无位置传感器驱动的一体化离心式风机的制作方法
技术领域：
本发明涉及风机技术领域，具体地说是一种集电机、驱动器、叶轮与一体的高效节能的一体化离心式风机。
背景技术：
无刷直流电动机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)凭借其高可靠性、高效率、 调速方便、寿命长等特点在国际上己得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机，并逐步取代其他类型的电动机。目前在风机动力方面，大多使用交流异步电机，但是异步电动机具有起动电流大， 噪声大，工作效率低，调速性能差等一系列问题，因此随着对质量、性能提出了更高的要求， 随着能源的日益匾乏特别是燃油方面，对高效节能也有更高的要求，国家十一五计划也明确提出过限制耗能产业发展，因此采用无刷直流电机来代替性能差、效率低的异步电动机成为大势所趋。BLDC驱动控制方式分为有位置传感器式和无位置传感器式两种。有位置传感器的控制方式中，位置传感器的存在会给流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便首先，位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性， 即便是现在应用最广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；再次，在某些恶劣工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度，特别是当电机尺寸小到一定程度时，使用位置传感器的弊病日渐明显。无位置传感器则省去了位置检测装置，降低成本，缩小驱动器的体积，容易实现与驱动器与电机的一体化。考虑到风机的工作环境、风机的体积和生产成本问题，无位置传感器控制方式是更好的选择。在无位置传感器方波控制中，最常用的是采用两两导通方式控制。但是这种控制方式存在电流过大造成续流过长，进而造成换向失败的问题，这也是影响无位置传感器控制方式在大功率领域应用的主要技术难点。然而这些技术难点在本发明中被攻破。本发明中通过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度，进行补偿，使换相时刻接近最佳换相时刻，确保换向的正确进行。这大大拓展了无刷直流电机无位置传感器的应用范围。传统的无位置传感器无刷直流电机的起动方式为“三段式起动”，属于开环起动方式。它对起动环境要求比较严格，而且会出现反转现象，对起动时负载变化适应能力不强， 会出现起动失败的问题，而且起动电流比较大。为此，本发明中提出了一种新的起动方式， 通过检测定子电感的大小测得转子和定子的相对位置，实现闭环起动，起动性能比起“三段式起动”好。传统的风机采用电机和变频器(驱动器)分离的方式，占用体积大，而且要频繁的连线，不利于维修。本发明中使驱动器嵌入到电机中，实现驱动器、电机和风机的集成，体积大大减小，省去了连接电机和驱动器的线路，维修方便，易于操作和移动。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、高效率、第噪音、 集成度高、低成本、且集电机、驱动器、叶轮与一体的无位置传感器驱动的一体化离心式风机。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种无位置传感器驱动的一体化离心式风机，设有电机、叶轮和进风口，电机是由定子、转子、外转子、转子轴和端盖组成，叶轮一端与进风口相连接，其特征在于叶轮另一端与电机的外转子相连接，电机内设有驱动器，驱动器与端盖固定连接，端盖和电机的定子相连接，使之形成一个整体，以增加模块的散热能力，驱动器是由功率板和控制板组成，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路和通讯模块电路， 其中
主回路中设有进线EMI滤波器、压敏电阻保护、使用了 X电容、Y电容和三相共模滤波器抑制差模和共模干扰，整流桥和逆变桥都集成在一个功率模块内，直流母线上具有LC结构，实现功率因素校正(PFC)，
进线缺相检测电路是将送往功率模块的三相电经过检测电路处理后送往DSP芯片读取，读取缺相检测电路的输出数字信号LHPl和LHP2的占空比判断是否缺相，具有进线缺项报警，过载、过热报警，过流和过压报警，功率因数校正功能，
母线电流检测电路是通过母线上串联电流检测电阻，通过线性光耦隔离放大电阻两端的电压信号，再经过一个调理电路把信号处理成控制芯片能够接收的范围，从而对电机电流进行反馈和监视，
欠压和过压检测电路是采用大电阻隔离的方法，通过一个简单的运放电路把母线电压转化为控制芯片输入的模拟信号，实现欠压和过压检测，此运放的输入为母线电压，输入电阻取很大，反馈电阻很小，从而使实际运放管脚的输入电压并不是很大，流过的电流也很小，实现了隔离的效果同时也实现了电压的检测，
反电动势检测电路是一低通滤波器，采用“端电压法”实现无传感器控制，通过对电机三相UVW的对地电压的处理，得到转子位置信号，电机三相电压首先通过低通滤波器滤除高频干扰信号和降压，再通过一个电容去除直流部分，然后把处理过的信号和由三相构造出来的虚拟中性点电压进行比较，从而得到反电动势过零点的信号，经过检测电流、转速、 占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度进行补偿，使换相时刻接近最佳换相时刻，确保换向的正确进行，大大拓展了无刷直流电机无位置传感器的应用范围， 开关电源电路采用反激式变换器，输入为母线电压，输出3路隔离的直流电压，分别用于DSP控制系统电路和通讯模块电路，
DSP控制系统电路的控制核心芯片为DSP，具有6路模拟信号输入，3对PWM输出， 通讯模块电路包括RS232和RS485两种一步串行通讯方式，其中RS232用于对程序的维护等操作，RS485用于工业控制，可进行RS232、RS485总线通讯输入和模拟量速度给定电路，模拟量速度给定电路通过向控制器输入电压来调节电机转速，
本发明中的端盖上设有接线孔，控制板上设有端子排接口，分别为三相功率进线接口、驱动器报警输出接口、串口 RS232、串口 RS485和模拟量给定接口，通过控制板上的端子排接口分别穿过端盖上设有的接线孔与通讯和模拟量调速、保护报警和三相交流电输入相连接。本发明可把驱动电路和主回路的“地线”和控制电路的“地线”隔离开，以增加系统的稳定性。本发明可在驱动板上设有温度检测电路，温度检测电路是由普通电阻、电容、热敏电阻和运放组成，对整流和逆变模块、功率板、电动机的温度进行实时检测，防止由于温度过高或过低而造成工作不稳定和异常情况的发生。本发明可在端盖和电机定子之间安装有散热盘，以利于对功率板和控制板散热。本发明可在端盖内设有与驱动器模块相接触的凸台，外部设有散热片，以使驱动器上的模块与端盖紧密相连，增加模块的散热能力。本发明中转子轴的轴本体上设有陶瓷镀层，以利于防止轴向电流对电机电磁性能产生影响，陶瓷镀层包括前陶瓷镀层和后陶瓷镀层，前陶瓷镀层和后陶瓷镀层分别对应轴承安装位置，以防止电机高速运转产生的轴向电流。本发明中的转子轴轴本体外周设有环形凹槽，前陶瓷镀层和后陶瓷镀层分别设在凹槽内，以利于加工方便，提高转子轴的整体强度。本发明中定子绕组的每一相绕组可用一根绕线交错穿入定子铁芯的孔中，使之形成四个线圈的绕线串联连接，达到生产工艺简单，生产效率高，合格率高，电机成本低的作用。本发明中的外转子是由壳身和壳身端部的法兰安装面构成，壳身和法兰安装面一次性拉伸成型，达到无需单独制作法兰安装面，省去二次焊接的工序，减少生产零件数，提高电机生产效率，降低成本，提高生产效率，增强电机结构的稳定性，保证同心度的作用。本发明中的定子本体外周设有定子铁芯直槽口，定子铁芯直槽口是由定子冲片采用直槽方式叠压而成，定子铁芯直槽口与定子冲片端面相垂直，简化了定子铁芯的压装结构，简化了生产工序，达到叠压工艺简单、生产效率高、合格率高、生产成本低的作用。本发明中的反电动势检测电路的补偿计算方法的具体步骤如下为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析
因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化
1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；
2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；
3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；
在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图8所示的模
型，其中，为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，[/j为电流续流引起的电压畸变，端电压 等于Ue与之和，即L、= Ue + U!(电压参考点为母线负极)； 图8中端电压ITj^可以分成6个状态，分别为1)tt和Z7时刻该相下桥臂导通，端电压LJf与化相等，为母线负极电压，标记为0， U1也为0，此时U!不影响位置信号的检测；
2)t2时间段电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压
Ud , Us随相反电动势的增大而线性上升；Ui为Ut与Ue之差，即^ 二 Ut — Ue
3)Z3时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和。中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压CTr与1/0线性上升；[Ji为0，不起作用；
4)t4时间段该相上桥臂调制，占空比D 1J母线电压 的乘积与的关系为
Ud x D = Us，端电压等于,i\UT =Ue = Ue JJ7为0，不影响位置信号的检测；
5)Z5时间段电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0, Ue随反电动势的减小而线性下降，Ui为Ut与Ue之差，即
U1=U7-Ue ;
6) Z6时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直
流偏置，反电动势线性下降，端电压t/y与线性下降，为0，不影响位置信号的检测；
通过对端电压的分解，Us在轻载和重载时一样，而CJj则有很大的差别，轻载时，电流小，Z2和Uj很短，U1的作用时间很短，其伏秒积很小，有β 二 U1 χ tx 0 ( χ =t2 , t5 )，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，/2 和Z5持续较长的时间，伏秒积J7不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位
超前角度过大，图 ο为端电压Ut和其分解的电压CZe和Ui经过低通滤波器后的生成
的信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过 来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；
通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势
检测信号相位关系其实就是y与U。+ U1的相位关系，由于H与IG周期一样，
经过低通滤波器的相角滞后相等，因此轻载和重载下的位置信号相角之差取决于Ue和
Uj的夹角和幅值，由此，得出重载下的相位补偿计算方法 阶跃电压下，低通滤波器零状态响应计算公式为
权利要求
1.一种无位置传感器驱动的一体化离心式风机，设有电机、叶轮和进风口，电机是由定子、转子、外转子、转子轴和端盖组成，叶轮一端与进风口相连接，其特征在于叶轮另一端与电机的外转子相连接，电机内设有驱动器，驱动器与端盖固定连接，端盖和电机的定子相连接，驱动器是由功率板和控制板组成，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路和通讯模块电路，其中主回路中设有进线EMI滤波器、压敏电阻保护、使用了 X电容、Y电容和三相共模滤波器抑制差模和共模干扰，整流桥和逆变桥都集成在一个功率模块内，直流母线上具有LC结构，实现功率因素校正(PFC)，进线缺相检测电路是将送往功率模块的三相电经过检测电路处理后送往DSP芯片读取，由读取缺相检测电路的输出数字信号LHPl和LHP2的占空比判断是否缺相，具有进线缺项报警，过载、过热报警，过流和过压报警，功率因数校正功能，母线电流检测电路是通过母线上串联一个很小的电流检测电阻，通过线性光耦隔离放大电阻两端的电压信号，再经过一个调理电路把信号处理成控制芯片能够接收的范围，从而对电机电流进行反馈和监视，欠压和过压检测电路是采用大电阻隔离的方法，通过一个简单的运放电路把母线电压转化为控制芯片输入的模拟信号，实现欠压和过压检测，此运放的输入为母线电压，输入电阻取很大，反馈电阻很小，从而使实际运放管脚的输入电压并不是很大，流过的电流也很小，实现了隔离的效果同时也实现了电压的检测，反电动势检测电路是一低通滤波器，采用“端电压法”实现无传感器控制，通过对电机三相UVW的对地电压的处理，得到转子位置信号，电机三相电压首先通过低通滤波器滤除高频干扰信号和降压，再通过电容去除直流部分，然后把处理过的信号和由三相构造出来的虚拟中性点电压进行比较，从而得到反电动势过零点的信号，经过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度进行补偿，使换相时刻接近最佳换相时刻，确保换向的正确进行，开关电源电路采用反激式变换器，输入为母线电压，输出3路隔离的直流电压，分别用于DSP控制系统电路和通讯模块电路，DSP控制系统电路具有6路模拟信号输入，3对PWM输出，通讯模块电路包括RS232和RS485两种一步串行通讯方式，其中RS232用于对程序的维护操作，RS485用于工业控制，可进行RS232、RS485总线通讯输入和模拟量速度给定电路，模拟量速度给定电路通过向控制器输入电压来调节电机转速，端盖上设有接线孔，控制板上设有端子排接口，分别为三相功率进线接口、驱动器报警输出接口、串口 RS232、串口 RS485和模拟量给定接口，通过控制板上的端子排接口分别穿过端盖上设有的接线孔将通讯和模拟量调速、保护报警和三相交流电输入相连接。
2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器驱动的一体化离心式风机，其特征在于反电动势检测电路的补偿计算方法的具体步骤如下为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图8所示的模型，其中，％为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，[/j为电流续流引起的电压畸变，端电压L·、等于 73与％之和，即.％ = Us + LJj (电压参考点为母线负极)； 图8中端电压 可以分成6个状态，分别为1)I1和· 7时刻该相下桥臂导通，端电压CJj■与化相等，为母线负极电压，标记为0， U1也为0，此时U1不影响位置信号的检测；2)Z2时间段电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压Ud , Us随相反电动势的增大而线性上升；U1为U7与Ue之差，即C/j =U7- Ue 3)t3时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压Ut与Ue线性上升； 为0，不起作用；4)Z4时间段该相上桥臂调制，占空比￡)与母线电压的乘积与 的关系为UdxD = Ue，端电压等于Ife ,有C^ = Us = Ue U1为0，不影响位置信号的检测；5)t5时间段电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0，Us随反电动势的减小而线性下降，U1为Ut与Ue之差，即 U1 = U7 - Ue ;6) 6时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性下降，端电压^Tji与 [Jg线性下降，为0，不影响位置信号的检测；通过对端电压的分解，Ug在轻载和重载时一样，而CJj则有很大的差别，轻载时，电流小，t2和t5很短，U1的作用时间很短，其伏秒积很小，有
3.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于转子轴的轴本体上设有陶瓷镀层，陶瓷镀层包括前陶瓷镀层和后陶瓷镀层，前陶瓷镀层和后陶瓷镀层分别对应轴承安装位置。
4.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于定子绕组中每一相绕组可用一根绕线交错穿入定子铁芯的孔中，使之形成四个线圈的绕线串联连接。
5.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于端盖和电机定子之间安装有散热盘。
6.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于端盖内设有与驱动器模块相接触的凸台，外部设有散热片，使驱动器上的模块与端盖紧密相连。
7.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于驱动电路和主回路的“地线”和控制电路的“地线”隔离开。
8.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于驱动板上设有温度检测电路，对整流和逆变模块、功率板、电动机的温度进行实时检测。
9.根据权利要求1所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于外转子是由壳身和壳身端部的法兰安装面构成，壳身和法兰安装面一次性拉伸成型。
10.根据权利要求3所述的一种一体化无位置传感器驱动电机，其特征在于转子轴轴本体外周对应轴承设有环形凹槽，前陶瓷镀层和后陶瓷镀层分别设在凹槽内。
全文摘要
本发明涉及风机技术领域，具体地说是一种无位置传感器驱动的一体化离心式风机，其设有电机、叶轮和进风口，电机是由定子、外转子、转子轴和端盖组成，叶轮一端与进风口相连接，特征在于叶轮另一端与电机的外转子相连接，特征在于电机内设有驱动器，驱动器与端盖固定连接，端盖和电机的定子相连接，使之形成一个整体，以增加模块的散热能力，驱动器是由功率板和控制板组成，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路和通讯模块电路，本发明由于采用上述结构，集电机、驱动器、叶轮于一体，极大地提高了效率，降低了能耗，具有结构紧凑，功率密度高，效率高、低噪音、集成度高、低成本等优点。
文档编号H02K3/28GK102312847SQ201110273549
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者孟凡民, 宋代奎, 徐殿国, 曹何金生, 杨明, 武文龙, 王公旺, 王鑫, 贵献国 申请人:威海克莱特机电有限公司