专利名称：无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法
技术领域：
本发明属于机械工程领域，涉及一种无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法。
背景技术：
无刷直流电机具有体积小、质量轻、效率高、损耗小等特点，不仅已大规模应用于航空、航天、机械、汽车等工业应用领域，还广泛应用于空调、冰箱、电动单车等民用领域。通常，无刷直流电机一般采用位置传感器确定电机转子位置，但安装位置传感器提高了系统成本、增加了系统复杂性，降低了系统可靠性和抗干扰能力，因此无位置传感器无刷直流电机控制技术已成为电机控制领域研究的一个热点。目前，对无位置传感器无刷直流电机的研究主要有反电动势过零检测法、续流二极管导通检测法、磁链法、反电动势三次谐波检测法等方法。由于反电势法实现简单，不需要设计复杂的硬件电路，系统构成成本比较低，技术方案比较成熟，因此是一种应用场合最多的转子位置检测方法。国内外许多学者都对此方法进行了深入研究，提出了很多不同的反电势过零检测方法。反电势过零检测方法不需要实际中性点信号，实现起来简单，但是由于低转速时反电势幅值很小，而且是经过电阻分压后才获取的信号，与虚拟中性点电压相比较电压幅值更低，导致反电势过零电路在电机启动或低速期间无法有效工作。而当电机处于高速运行状态时，过高的反电势将严重影响反电势过零检测电路正常工作，甚至损坏过零检测电路，从而无法保证电机在高速状态下正常运行。因此，基于反电势的无位置传感器无刷直流电机调速范围具有一定的局限性。因此，有必要设计一种新型的无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法，该无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法能有效检测反电动势过零信号，电路简单，易于实施，易于控制，能保证电机工作于更宽的转速范围内。发明的技术解决方案如下一种无刷直流电机反电势过零检测电路，所述的无刷直流电机的三相绕组通过桥式逆变器与直流电源相连，桥式逆变器由6个功率开关管连接而成；其特征在于，包括用于检测A、B和C相的反电动势过零的三个结构相同的检测模块；每一个检测模块包括比较器和两个结构及电路参数相同的电子开关分压模块；第一电子开关分压模块的第一输入端连接对应相绕组的端点，第一电子开关分压模块的第二输入端连接控制信号DSP_EMF_C0NTR0L，第一电子开关分压模块的输出端接比较器的第一输入端；第二电子开关分压模块的第一输入端连接参考信号Vref，第二电子开关分压模块的第二输入端连接控制信号DSP_EMF_C0NTR0L，第二电子开关分压模块的输出端接比较器的第二输入端；
比较器的输出端输出对应相的反电势过零信号。每一个所述的电子开关分压模块包括第一分压电阻(rl)、第二分压电阻(r2)、第三电阻(Re)和第四电阻(Rb)、滤波电容(c)和NPN型的三极管；第一分压电阻的一端为电子开关分压模块的第一输入端；第一分压电阻的另一端通过第二分压电阻接地；滤波电容与第二分压电阻并联，第一分压电阻与第二分压电阻的连接点为电子开关分压模块的输出端；第一分压电阻与第二分压电阻的连接点通过第三电阻接三极管的C极；三极管的B极经第四电阻接电子开关分压模块的第二输入端；三极管的E极接地；无刷直流电机的导通方式为两两导通方式，即在工作时，具有H_PWM_0N-L_0N和H_PWM_0FF-L_0N两种模式，上桥臂采用PWM调制，下桥臂采取直通模式，其中H_PWM_0N_L_ON是上桥臂PWM调制信号为高电平时期，H_PWM_0FF_L_0N是上桥臂PWM调制信号为低电平时期；控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比小于或等于50%时，相电压采样是在H_PWM_0FF-L_0N时段，参考信号Vref = O ；控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比小于50%时，相电压采样是在H_PWM_0N_L_ON时段，参考信号Vref = Ud/2 ;其中Ud为直流母线电压。一种无刷直流电机反电势过零检测方法，采用前述的无刷直流电机反电势过零检测电路，并基于控制信号DSP_EMF_C0NTR0L和三个结构相同的检测模块分别检测A、B和C相的反电动势过零信号，对于A、B、C三相中的任一相，有控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比小于或等于50%时，相电压采样是在H_PWM_0FF-L_0N时段，参考信号Vref = O ；控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比小于50 %时，相电压采样是在H_PWM_0N_L_ON时段，参考信号Vref = Ud/2 ;其中Ud为直流母线电压。控制信号DSP_EMF_C0NTR0L为方波信号，控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比与无刷直流电机的转速成正比。控制信号DSP_EMF_C0NTR0L的占空比为50%时，无刷直流电机的转速为额定转速的 90%。本发明涉及的技术路线如下反电势过零检测原理无位置传感器无刷直流电机常见的导通方式可分为两两导通和三三导通两种工作方式。两两导通方式是指无刷直流电机在任意时刻均有两相绕组导通，另外一相绕组处于悬空状态。三三导通方式指每一瞬间逆变桥均有三只功率器件同时通电。本发明采用两两导通方式，如
图1所示，功率开关管T1 T6共有六种开关组合状态，每隔1/6周期换相一次，每次换相切换一个功率开关管，每一个功率开关管导通120°的电角度。电机顺时钟方向旋转时，功率开关管导通规律如表I所示，按照空间360°电度角将转子位置均分成I VI等6个区域，在不同位置区域切换功率开关组合。表I中，正通表示某相电流从功率电路流向电机绕组，反通表示某相电流由电机绕组流回功率电路。在电机运行过程中，由于定子绕组切割转子磁场，在定子绕组中将产生反电势e，反电势e的大小正比于电机的转速和气隙磁密，并随转子极性的改变而改变。当反电势e的正方向确定后，反电势e将随转子极性的改变而出现正负变化。如图2所示，在两两导通全桥驱动电路中，假设导通相流过的电流为矩形波，则在定子三相绕组中将产生梯形波反电势e，将反电势e过零信号点延时30°电度角即可得到功率开关管换相点(参见文献张磊，肖伟，瞿文龙.直接检测无刷直流电机转子位置信号的方法[J]·清华大学学报自然科学版,2006，46 (4) :453-456.)。因此,反电势过零检测法一般是在获取电机三相绕组中不通电相(悬空相)反电势信号的基础上，将其与参考信号参考信号见后文进行比较获得过 零信号，再通过对该过零信号进行相应的角度延时即可得到转子的位置信息，从而控制电机换相。在理想状态下电机绕组反电势过零信号点超前电机换相点30°电角度，但实际应用中，如图3所示，通常将不通电相相绕组端点电压V。经过电阻η和r2分压，采用电容C1滤波后得到更加稳定的信号V1,然后将其送入专用比较器与参考信号进行比较，即可获得反电势的过零点信号。表I三相星形绕组全控桥式无刷直流电机的运转规律
权利要求
1.一种无刷直流电机反电势过零检测电路，所述的无刷直流电机的三相绕组通过桥式逆变器与直流电源相连，桥式逆变器由6个功率开关管连接而成；其特征在于，包括用于检测A、B和C相的反电动势过零的三个结构相同的检测模块； 每一个检测模块包括比较器和两个结构及电路参数相同的电子开关分压模块； 第一电子开关分压模块的第一输入端连接对应相绕组的端点，第一电子开关分压模块的第二输入端连接控制信号DSP_EMF_CONTROL，第一电子开关分压模块的输出端接比较器的第一输入端； 第二电子开关分压模块的第一输入端连接参考信号Vref，第二电子开关分压模块的第二输入端连接控制信号DSP_EMF_CONTROL，第二电子开关分压模块的输出端接比较器的第二输入端； 比较器的输出端输出对应相的反电势过零信号。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机反电势过零检测电路，其特征在于， 每一个所述的电子开关分压模块包括第一分压电阻(rl)、第二分压电阻(r2)、第三电阻(Re)和第四电阻(Rb)、滤波电容(c)和NPN型的三极管； 第一分压电阻的一端为电子开关分压模块的第一输入端；第一分压电阻的另一端通过第二分压电阻接地；滤波电容与第二分压电阻并联，第一分压电阻与第二分压电阻的连接点为电子开关分压模块的输出端； 第一分压电阻与第二分压电阻的连接点通过第三电阻接三极管的C极；三极管的B极经第四电阻接电子开关分压模块的第二输入端；三极管的E极接地； 无刷直流电机的导通方式为两两导通方式，即在工作时，具有H_PWM_ON-L_ON和H_PWM_OFF-L_ON两种模式，上桥臂采用PWM调制，下桥臂采取直通模式，其中H_PWM_ON_L_ON是上桥臂PWM调制信号为高电平时期，H_PWM_OFF-L_ON是上桥臂PWM调制信号为低电平时期； 控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比小于或等于50%时，相电压采样是在H_PWM_0FF-L_0N时段，参考信号Vref = O ； 控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比小于50%时，相电压采样是在H_PWM_ON_L_ON时段，参考信号Vref = Ud/2 ;其中Ud为直流母线电压。
3.—种无刷直流电机反电势过零检测方法，其特征在于，采用权利要求2所述的无刷直流电机反电势过零检测电路，并基于控制信号DSP_EMF_CONTROL和三个结构相同的检测模块分别检测A、B和C相的反电动势过零信号,对于A、B、C三相中的任一相,有 控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比小于或等于50%时，相电压采样是在H_PWM_OFF-L_ON时段，参考信号Vref = O ； 控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比小于50%时，相电压采样是在H_PWM_ON_L_ON时段，参考信号Vref = U/2 ;其中Ud为直流母线电压。
4.根据权利要求3所述的无刷直流电机反电势过零检测方法，其特征在于，控制信号DSP_EMF_CONTROL为方波信号，控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比与无刷直流电机的转速成正比。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机反电势过零检测方法，其特征在于，控制信号DSP_EMF_CONTROL的占空比为50%时，无刷直流电机的转速为额定转速的90%。
全文摘要
本发明提出了一种无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法，所述的无刷直流电机反电势过零检测电路，所述的无刷直流电机的三相绕组通过桥式逆变器与直流电源相连，桥式逆变器由6个功率开关管连接而成；其特征在于，包括用于检测A、B和C相的反电动势过零的三个结构相同的检测模块；每一个检测模块包括比较器和两个结构及电路参数相同的电子开关分压模块。本发明可以避免高速时反电势幅值高于检测电路供电电压的危险。同时，根据控制信号占空比切换低速区与高速区反电势采样方式，能有效改善在低速区时反电势过零检测效果。实验结果表明，本发明提出的无刷直流电机反电势过零检测电路及检测方法能保证电机工作于更宽的转速范围内。
文档编号G01R19/175GK103018541SQ20121046677
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者朱俊杰 申请人:中南林业科技大学