一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统的制作方法

[0001]
本发明属于直流无刷电机的驱动控制技术，具体涉及了一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统。


背景技术：

[0002]
在直流无刷电机的方波驱动控制中，启动的可靠性尤为重要。然而在没有传感器的情况下，因为无法获得转子初始启动位置，只能强制电机转子从某个位置启动，但是强制启动会容易造成启动反转或启动失败的问题。因此，申请人希望寻求在没有传感器的情况下，获取直流无刷电机的转子初始位置，进而实现对方波有感控制效果。
[0003]
高频注入法被广泛应用于采用正旋波控制的永磁同步电机的无感控制中，由于驱动控制技术的差异，因而无法直接应用于直流无刷电机的方波驱动控制中。
[0004]
因此，本申请人希望寻求技术方案来实现对直流无刷电机的转子初始位置检测。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统，在没有传感器的前提下实现对直流无刷电机的方波有感控制效果，结构简单且不需耗费繁杂的计算工作量。
[0006]
本发明采用的技术方案如下：
[0007]
一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统，所述直流无刷电机采用方波驱动，其驱动电路包括u相驱动开关管、v相驱动开关管以及w相驱动开关管，各相驱动开关管包括串接的上开关管和下开关管，各开关管的信号输入端接入电机控制器输出的驱动信号，且上开关管和下开关管之间的连接点作为向直流无刷电机绕组输出的相电流输出端；其中，在单个通电周期内对各开关管进行分步方波驱动，通过向开关管注入相同的高频pwm信号使得每相的上开关管和下开关管分别进行间隔式导通，在各相下开关管开通的同时，分别采样检测其对应相的下开关管产生的相电流；通过比较各相电流值大小来判断转子所处的绕组相位置。
[0008]
优选地，所述上开关管采用p型mos管，所述下开关管采用n型mos管。
[0009]
优选地，所述方波驱动采用6步方波驱动，在单个通电周期内每个开关管连续开通2个1/6周期。
[0010]
优选地，所述方波驱动采用12步方波驱动，在单个通电周期内每个开关管连续开通2个1/12周期。
[0011]
优选地，在各相下开关管开通的同时，向其注入若干个相同的高频pwm信号，用于增大其对应相的下开关管产生的相电流值，利于增加各相电流值之间的差异。
[0012]
优选地，通过向开关管注入若干个相同的高频pwm信号使得每相的上开关管和下开关管分别进行间隔式导通，用于增大其对应相的下开关管产生的相电流值，利于增加各相电流值之间的差异。
[0013]
优选地，所述采样电阻包括并联的第一采样电阻和第二采样电阻，同时在采样电阻两端并联过流检测滤波电路。
[0014]
优选地，所述下开关管输入电源与各相下开关管的电源输入端之间依次设有第一偏置电阻和第二偏置电阻，在第一偏置电阻和第二偏置电阻之间设置接地的滤波电容，同时第二偏置电阻与各相下开关管的电源输入端之间的连接点作为采样电阻的输入端。
[0015]
优选地，电机控制器预先对采样电路进行offset校准，在offset校准时关闭下开关管输入电源，得到offset的电流基准值，用于消除在相电流采样时产生的偏置电流。
[0016]
优选地，所述高频pwm信号的频率为100-2000hz。
[0017]
本发明利用了直流无刷电机转子在磁场中不同位置的时候，其绕组电感的电感量会存在差异，而不同的电感量在相同的脉冲电压下形成的电流大小也会存在差异，具体表现为：当电感越小时电流峰值会越大，反之电感越小电流峰值会越小，因此，本申请利用直流无刷电机的分步方波驱动技术，来分别读取各相绕组导通时产生的电流峰值，同时电流峰值比较来快速判定转子所在的绕组相位置，在没有传感器的前提下实现对直流无刷电机的方波有感控制效果，结构简单且不需耗费繁杂的计算工作量。
附图说明
[0018]
图1是本发明具体实施方式中的驱动电路结构图；
[0019]
图2是本发明具体实施方式中检测得到的u相电流脉冲信号波形图的示波器界面；
[0020]
图3是图2中u相电流脉冲信号波形图的局部放大图。
具体实施方式
[0021]
本发明实施例公开了一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统，直流无刷电机采用方波驱动，其驱动电路包括u相驱动开关管、v相驱动开关管以及w相驱动开关管，各相驱动开关管包括串接的上开关管和下开关管，各开关管的信号输入端接入电机控制器输出的驱动信号，且上开关管和下开关管之间的连接点作为向直流无刷电机绕组输出的相电流输出端；其中，在单个通电周期内对各开关管进行分步方波驱动，通过向开关管注入相同的高频pwm信号使得每相的上开关管和下开关管分别进行间隔式导通，在各相下开关管开通的同时，分别采样检测其对应相的下开关管产生的相电流；通过比较各相电流值大小来判断转子所处的绕组相位置。
[0022]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0023]
请参见图1所示，一种直流无刷电机的转子初始位置检测系统，直流无刷电机采用方波驱动，其驱动电路包括u相驱动开关管、v相驱动开关管以及w相驱动开关管，各相驱动开关管包括串接的上开关管和下开关管，各开关管的信号输入端接入电机控制器输出的驱动信号(分别为drh1、drl1、drh2、drl2、drh3、drh3，在本实施例进行转子初始位置检测时，向其输入如下文所述的高频pwm信号)，且上开关管和下开关管之间的连接点作为向直流无
刷电机绕组输出的相电流输出端；其中，在单个通电周期内对各开关管进行分步方波驱动，通过向开关管注入相同的高频pwm信号使得每相的上开关管和下开关管分别进行间隔式导通，在各相下开关管开通的同时，分别检测其对应相的下开关管产生的相电流；通过比较各相电流值大小来判断转子所处的绕组相位置；
[0024]
优选地，在本实施方式中，上开关管采用p型mos管，，其源极(电源输入端)分别接入输入电源+vin，下开关管采用n型mos管，图1中型号均标记为comple-mos_1；属于本领域公知常识的是，各开关管的栅极(信号输入端)之间设有分压电阻(如图1中的r17，r18，r19，r21，r22，r23)，以及其源极和栅极之间设有偏置电阻(如图1中的r14，r15，r16，r24，r26，r27)；
[0025]
具体优选地，在本实施方式中，方波驱动采用6步方波驱动，具体驱动顺序为：
[0026]
第1步：导通u相上开关管q4b+w相下开关管q2a；；第2步：导通v相上开关管q3b+w相下开关管q2a；第3步：v相上开关管q3b+u相下开关管q4a；第4步：w相上开关管q2b+u相下开关管q4a；第5步：w相上开关管q2b+v相下开关管q3a；第6步：u相上开关管q4b+v相下开关管q3a，相当于在单个通电周期内每个开关管连续开通2个1/6周期，也就是电周期的120
°
；在其他实施方式中，方波驱动采用12步方波驱动，在单个通电周期内每个开关管连续开通2个1/12周期，可以进一步提高转子初始位置的检测精度；
[0027]
在本实施方式中，通过向开关管注入若干个相同的高频pwm信号使得每相的上开关管和下开关管分别进行间隔式导通，用于增大其对应相的下开关管产生的相电流值(通过累加和进行比较)，利于增加各相电流值之间的差异；优选地，建议高频pwm信号的频率为100-2000hz；在实际实施时，可以通过调节高频pwm信号的占空比大小(高频pwm信号的电压越高，需要的占空比越小)，具体可由小到大依次试验，直到能明显快速找出最大电流峰值时确定高频pwm信号的频率；
[0028]
优选地，在本实施方式中，各相下开关管的电源输入端同时连接用于检测相电流的采样电路，其中，采样电路包括与下开关管输入电源vdd(相当于母线电源)电连接的采样电阻，同时采样电阻的输出端接地，检测流经采样电阻电流，将其作为其对应的相电流；优选地，在本实施方式中，采样电阻包括并联的第一采样电阻rs1和第二采样电阻rs2，同时在采样电阻rs1，rs2两端并联过流检测滤波电路，具体包括限流电阻r31与滤波电容c17；
[0029]
优选地，在本实施方式中，下开关管输入电源vdd与各相下开关管的电源输入端之间依次设有第一偏置电阻r30和第二偏置电阻r29，在第一偏置电阻r30和第二偏置电阻r29之间设置接地的滤波电容c16，同时第二偏置电阻r29与各相下开关管的电源输入端之间的连接点作为采样电阻rs1，rs2的输入端；在本实施方式中，滤波电容c16是用来给母线电流进行滤波的，在电机的正常驱动运行时，滤波电容c16的电容量规格为100nf，但是在本实施例进行转子初始位置的检测应用中，建议采用更小电容量的滤波电容，具体可采用1nf或以下的滤波电容，否则，微小的电流脉冲信号会被滤平，导致无法检测到相电流值。
[0030]
为了提高电流的采样检测精度，优选地，在本实施方式中，电机控制器预先对采样电路进行offset校准，在offset校准时关闭下开关管输入电源vdd，得到offset的电流基准值，用于消除在相电流采样时产生的偏置电流，具体在实施时，可以没有母线电源时候连续进行采样512次，求其平均值得到没有母线电流时的电流基准值；
[0031]
本实施例利用了直流无刷电机转子在磁场中不同位置的时候，其绕组电感的电感
量会存在差异，而不同的电感量在相同的脉冲电压下形成的电流大小也会存在差异，具体表现为：当电感越小时电流峰值会越大，反之电感越小电流峰值会越小，因此，本申请利用直流无刷电机的分步方波驱动技术，来分别读取各相绕组导通时产生的电流峰值，同时电流峰值比较来快速判定转子所在的绕组相位置，在没有传感器的前提下实现对直流无刷电机的方波有感控制效果，结构简单且不需耗费繁杂的计算工作量。
[0032]
为了进一步本实施例的实施效果，申请人按照如上所述的实施方案，通过电机控制器向直流无刷电机(具体选用日本电产的20n704p200蜗壳风机产品)驱动电路中的各开关管信号输入端注入如下50us放电50us的高频pwm驱动信号，请参见图2所示的示波器界面，该界面示出了在直流无刷启动进行转子初始位置检测时产生的u相电流脉冲信号波形图，依据本实施例所述的方波驱动相序：u+w-、v+w-、v+u-、w+u-、w+v-、u+v-(说明：“+”表示上开关管，
“-”
表示下开关管，为了程序的持续运行实际发了7次波形，因此图2产生了第二个u+w-相序时的u相电流脉冲信号波形),其中，正向波形u+w-、u+v-是指从u相流入的波形(相当于充电状态)，负相波形v+u-、w+u-是指从u相流出的波形(相当于放电状态)；中间间隔的直线v+w-、w+v-是指u相没有电流流入和流出的时候；判断6个驱动相序产生的6个波形中哪个相位在注入9个pwm驱动信号后产生的采样电流累加和值最大，那就代表转子的初始位置越接近这个启动脉冲的相位；
[0033]
可进一步参见图3所示，可明显看出在方波驱动中的每步驱动中，向各开关管均发了9个pwm驱动信号(包括9个充电脉冲)，因此可一次读取9个采样相电流值并进行累加和计算，然后通过比较各相电流累加和大小来判断转子所处的绕组相位置，进一步利于实现对转子初始位置的检测精度；如图2和图3所示，可明显观察到当位于u+v-驱动相序时产生的电流脉冲值最高(其9次充电脉冲的ad值累积和最大)，则表明转子的初始位置距离u+v-的距离最近，因此，电机选择从u+v-相位进行启动，在没有传感器的前提下实现对直流无刷电机的方波有感控制效果，结构简单且不需耗费繁杂的计算工作量。
[0034]
对于本领域技术人员而言，显然本实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0035]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式：具体来说，