反电动势检测电路、直流电机系统及通气治疗设备的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及一种反电动势检测电路、一种直流电机系统及一种通气治疗设备。


背景技术：

2.单相电机具有体积小，高效节能，易于控制等优点。现在广泛用于通气治疗设备上。单相电机在工作时必需知道转子的位置信息，一般可以通过安装位置传感器获得，但是这将使得电机的结构变的复杂，降低可靠性，同时也会增加成本。而且在有些场合如高压、强腐蚀性等环境下，位置传感器根本无法工作，导致电机无法正常工作。
3.目前为了解决位置传感器带来的上述问题，已经出现了很多位置检测方法，其中，反电动势检测法最为成熟、应用最广泛，其简单可靠易于实现。大体原理是电机正常运行时需要每隔一定的电角度进行换相，而电机的转子磁极在定子每相电枢绕组上会产生反电动势，利用反电动势的变化就能知道电机转子的位置，从而确定电机的换相点。
4.反电动势检测法中最关键的是要确定反电动势的过零点，但是在电机的转速较低时，反电动势就会较小，因此反电动势的过零点很难确定，而反电动势的过零点不确定，就会导致电机不能正常换相，进而导致电机运行出现卡顿、抖动等异常现象，甚至有可能造成电机烧毁，严重影响通气治疗设备运行平稳性以及正常使用寿命。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种反电动势检测电路以及一种直流电机系统，解决了目前因电机的转速较低，导致电机不能换相的问题。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型实施例第一方面提供了一种反电动势检测电路，所述电路包括：放大电路单元、积分电路单元、磁链信号过零检测电路单元；
7.所述放大电路单元衰减直流电机的电枢绕组上的反电动势，输出第一反电动势至所述积分电路单元；
8.所述积分电路单元将所述第一反电动势转化为对应的磁链，输出至所述磁链信号过零检测单元；
9.所述磁链信号过零检测电路单元接收基准电压和所述磁链，所述磁链信号过零检测电路单元输出方波信号至控制单元。
10.可选地，所述放大电路单元包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一运算放大器；
11.所述第一电阻的第一端与所述直流电机的第一绕组连接；
12.所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；
13.所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端、所述第八电阻的第二端以及所述第一运算放大器的反相端分别连接；
14.所述第三电阻的第二端接地，并与所述第六电阻的第二端连接；
15.所述第四电阻的第一端与所述直流电机的第二绕组连接；
16.所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接；
17.所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端、所述第七电阻的第一端以及所述第一运算放大器的同相端分别连接；
18.所述第七电阻的第二端与第一外部基准电源连接；
19.所述第一运算放大器的输出端与所述第八电阻的第一端和所述积分电路分别连接。
20.可选地，所述积分电路单元包括：第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容以及第二运算放大器；
21.所述第九电阻的第一端与所述第一运算放大器的输出端连接；
22.所述第九电阻的第二端与所述第二运算放大器的反相端、所述第一电容的第一端以及所述第十电阻的第一端分别连接；
23.所述第十电阻的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二运算放大器的输出端以及所述第二电容的第一端分别连接；
24.所述第二电容的第二端与所述磁链信号过零检测电路连接；
25.所述第二运算放大器的同相端与相电流对应电压输出端连接。
26.可选地，所述磁链信号过零检测电路单元包括：第三电容、第四电容、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻以及第三运算放大器；
27.所述第十二电阻的第一端与所述第二电容的第二端和所述第十五电阻的第一端分别连接；
28.所述第十二电阻的第二端与所述第十一电阻的第一端、所述第十三电阻的第一端、所述第十四电阻的第一端以及所述第三电容的第一端分别连接；
29.所述第十一电阻的第二端与第二外部基准电源连接；
30.所述第十三电阻的第二端接地，并与所述第三电容的第二端连接；
31.所述第十四电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相端连接；
32.所述第十五电阻的第二端与所述第四电容的第一端和所述第三运算放大器的反相端分别连接；
33.所述第四电容的第二端接地；
34.所述第三运算放大器的输出端与所述控制单元连接。
35.可选地，所述电路还包括：电流传感器、第五电容、第六电容；所述电流传感器包括：第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚、第六引脚、第七引脚以及第八引脚；
36.所述直流电机的三相绕组中任一相绕组的两端中，其中一端与所述第一引脚和所述第二引脚分别连接，另一端与所述第三引脚和所述第四引脚分别连接；
37.所述第五引脚接地，并与所述第五电容的第二端、所述第六电容的第二端分别连接；
38.所述第六引脚与所述第五电容的第一端连接；
39.所述第八引脚与所述第一外部基准电源和所述第六电容的第一端分别连接；
40.所述第七引脚与所述第二运算放大器的同相端连接，所述第七引脚即为所述相电
流对应电压输出端。
41.可选地，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值之和，等于所述第四电阻与所述第五电阻的阻值之和；
42.所述第三电阻的阻值等于所述第七电阻的阻值；
43.所述第六电阻的阻值等于所述第八电阻的阻值；
44.所述第七电阻的阻值等于所述第六电阻的阻值与预设倍数的乘积。
45.本实用新型实施例第二方面提供一种直流电机系统，所述直流电机系统包括：直流电机、控制单元以及如第一方面任一所述的反电动势检测电路；
46.所述反电动势检测电路与所述直流电机和所述控制单元分别连接。
47.本实用新型实施例第三方面提供一种通气治疗设备，所述通气治疗设备包括：直流电机、控制单元以及如第一方面任一所述的反电动势检测电路。
48.本实用新型提供的反电动势检测电路，放大电路单元对直流电机的电枢绕组上的反电动势进行衰减，得到第一反电动势；积分电路单元将第一反电动势转化为对应的磁链，基于磁链的特性，其更容易被获得，也更加稳定，自然反映的反电动势的变化也更为精确，在此基础上再利用磁链信号过零检测电路单元，结合基准电压和磁链来产生方波信号，使得磁链的过零点就是方波信号的上升沿和下降沿，将该方波信号发送给控制单元，控制单元即可根据方波信号简单、快捷的得到磁链的过零点，最后根据磁链与反电动势的关系，即可轻松的确定换相点，进而实现直流电机的换相。
49.本实用新型实现直流电机换相基于硬件电路实现，硬件电路自身的特性，使得即使反电动势较小，也可以清晰、完整的被体现出来，并且将反电动势转换为磁链，进一步的提高了反电动势的精确程度，而控制单元只需简单的根据方波信号即可得到换相点，不再需要复杂繁琐的运算处理，简单、快捷的确定出反电动势的过零点，保证了电机换相的正确，使得电机运行平稳，不会出现卡顿、抖动等异常现象，提高通气治疗设备的运行平稳性以及正常使用寿命。另外，本发明的反电动势检测无需使用位置传感器，一定程度上可以减少通气治疗设备的成本；控制单元不再需要复杂繁琐的运算处理，也可以减小对软件和芯片算力的依赖，具有较高的实用性价值。
附图说明
50.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
51.图1是本实用新型实施例一种反电动势检测电路的模块化示意图；
52.图2是本实用新型实施例一种优选的电路结构示意图；
53.图3是本实用新型实施例中反电动势波形、磁链波形以及第三运算放大器u3输出的方波信号波形示意图。
具体实施方式
54.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
55.发明人发现，目前反电动势检测法中最关键的是要确定反电动势的过零点，但是在电机的转速较低时，反电动势就会较小，反电动势较小，会导致反电动势和电机的中心点电压进行比较后，无法确定反电动势与中心点相交的“过零”点，即，反电动势的过零点难以确定。其会导致电机不能正常换相，进而导致电机运行出现卡顿、抖动等异常现象，甚至有可能造成电机烧毁。
56.另外，发明人还发现，目前的基于反电动势检测实现电机的换相，其需要借助具有数据运算、处理能力的设备，例如：mcu等。而mcu无法处理模拟量信号，只能处理数字量信号，因此还需要模数转换，假若反电动势本身就较小，再经过模数转换，会进一步导致其信号的失真，更加难以确定反电动势的过零点。
57.另外，mcu需要接收电路中反电动势的数据以及电机中心点的电压数据，进行运算、处理等较为复杂的过程，最终控制驱动电路来实现电机的换相。但是当电机的转速较高时，反电动势的过零点的出现较多，mcu的运算、处理能力可能跟不上反电动势过零点的出现频率，其也会导致电机不能正常换相，进而导致电机运行出现卡顿、抖动等异常现象，甚至有可能造成电机烧毁。
58.针对上述问题，发明人进过大量研究、计算、仿真以及实地测试，创造性的提出本实用新型的反电动势检测电路，以下对本实用新型的技术方案进行详细描述和说明。
59.图1示出了本实用新型实施例一种反电动势检测电路的模块化示意图。反电动势检测电路包括：放大电路单元、积分电路单元、磁链信号过零检测电路单元。放大电路单元与直流电机和积分电路单元分别连接，放大电路单元衰减直流电机的电枢绕组上的反电动势，输出第一反电动势至积分电路单元，该放大电路单元可以将较大的反电动势衰减到能被控制单元处理的范围，同时，也可以对较小的反电动势进行放大。
60.积分电路单元与磁链信号过零检测电路单元连接，积分电路单元将第一反电动势转化为对应的磁链，输出至磁链信号过零检测单元；磁链信号过零检测电路单元与控制单元连接，磁链信号过零检测电路单元接收基准电压和磁链，磁链信号过零检测电路单元输出方波信号至控制单元，控制单元接收方波信号后，得到磁链的过零点，进而可以根据过零点得到换相点，利用换相点即可控制直流电机的换相。
61.基于上述反电动势检测电路，本实用新型实施例一种优选的反电动势检测电路结构示意图参照图2所示。图2中包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第一运算放大器u1、第二运算放大器u2、第三运算放大器u3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6以及电流传感器ct。
62.一种优选的放大电路单元包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第一运算放大器u1。第一电阻r1的第一端与直流电机m的第一绕组(图2中ub)连接；第四电阻r4的第一端与直流电机m的第二绕组(图2中ua)连接。需要说明的是，第一电阻r1和第四电阻r4各自与直流电机m中任意两
相连接即可，本实用新型并不限定只能与a、b两相连接。
63.第一电阻r1的第二端与第二电阻r2的第一端连接；第二电阻r2的第二端与第三电阻r3的第一端、第八电阻r8的第二端以及第一运算放大器u1的反相端分别连接；第三电阻r3的第二端接地gnd，并与第六电阻r6的第二端连接；第四电阻r4的第二端与第五电阻r5的第一端连接；第五电阻r5的第二端与第六电阻r6的第一端、第七电阻r7的第一端以及第一运算放大器u1的同相端分别连接；第七电阻r7的第二端与第一外部基准电源5v连接；第一运算放大器u1的输出端与第八电阻r8的第一端和积分电路单元中的第九电阻r9的第一端分别连接。
64.本实用新型实施例中，为了有效、精确的衰减较高的反电动势，以及放大较小的反电动势，可以设置第一电阻r1与第二电阻r2的阻值之和，等于第四电阻r4与第五电阻r5的阻值之和，即：r1+r2＝r4+r5。第三电阻r3的阻值等于第七电阻r7的阻值，即r3＝r7。第六电阻r6的阻值等于第八电阻r8的阻值，即r6＝r8。第七电阻r7的阻值等于第六电阻r6的阻值与预设倍数的乘积，一种优选的预设倍数为2，那么r7＝2*r6。
65.一种优选的积分电路单元包括：第九电阻r9、第十电阻r10、第一电容c1、第二电容c2以及第二运算放大器u2。第九电阻r9的第一端与第一运算放大器u1的输出端连接；第九电阻r9的第二端与第二运算放大器u2的反相端、第一电容c1的第一端以及第十电阻r10的第一端分别连接；第十电阻r10的第二端与第一电容c1的第二端、第二运算放大器u2的输出端以及第二电容c2的第一端分别连接；第二电容c2的第二端与磁链信号过零检测电路单元中的第十二电阻r12的第一端连接；第二运算放大器u2的同相端与相电流对应电压输出端连接。
66.电流传感器ct包括：第一引脚1、第二引脚2、第三引脚3、第四引脚4、第五引脚5、第六引脚6、第七引脚7以及第八引脚8，在直流电机m的三相绕组中任意选择一相绕组，例如：选择a相绕组(图2中用ua表示)，在a相绕组的两端中，将其中一端与第一引脚1和第二引脚2分别连接，实质上将第一引脚1和第二引脚2并联后，再与a相绕组的其中一端连接；而a相绕组的另一端与第三引脚3和第四引脚4分别连接，同理，实质上将第三引脚3和第四引脚4并联后，再与a相绕组的另一端连接。这样电流传感器ct就可以得到a相绕组的电流，进而得到流经a相绕组的电流对应的相电流对应电压。
67.第五引脚5接地gnd，并与第五电容c5的第二端、第六电容c6的第二端分别连接；第六引脚6与第五电容c5的第一端连接；第八引脚8与第一外部基准电源5v和第六电容c6的第一端分别连接；第七引脚7与第二运算放大器u2的同相端连接，该第七引脚7即为相电流对应电压输出端。电流传感器u3可以将流经a相绕组的电流转换为相电流对应电压，该相电流对应电压精确反映流经a相绕组的电流的变化。
68.一种优选的磁链信号过零检测电路单元包括：第三电容c3、第四电容c4、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15以及第三运算放大器u3。第十二电阻r12的第一端与积分电路中第二电容c2的第二端和第十五电阻r15的第一端分别连接；第十二电阻r12的第二端与第十一电阻r11的第一端、第十三电阻r13的第一端、第十四电阻r14的第一端以及第三电容c3的第一端分别连接。
69.第十一电阻r11的第二端与第二外部基准电源3.3v连接；第十三电阻r13的第二端接地gnd，并与第三电容c3的第二端连接；第十四电阻r14的第二端与第三运算放大器u3的
同相端连接。第十五电阻r15的第二端与第四电容c4的第一端和第三运算放大器u3的反相端分别连接；第四电容c4的第二端接地gnd；第三运算放大器u3的输出端与控制单元100连接。
70.本实用新型的反电动势检测电路的工作原理是：直流电机m的b相绕组(图2中ub)的端电压，利用第一电阻r1、第二电阻r2以及第三电阻r3构成的分压电路分压后，传输至第一运算放大器u1的反相端；直流电机m的a相绕组(图2中ua)的端电压，利用第四电阻r4、第五电阻r5以及第六电阻r6构成的分压电路分压后，传输至第一运算放大器u1的同相端；第一运算放大器u1接收到这个两个电压后，利用虚短和虚断的原理，结合第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8之间的阻值关系，得到第一反电动势，并输出至积分电路单元。
71.第一反电动势作为第二运算放大器u2的反相端输入，相电流对应电压作为第二运算放大器u2的同相端输入，利用第九电阻r9、第十电阻r10、第一电容c1、第二电容c2以及第二运算放大器u2，进行积分运算，将第一反电动势转化为更容易观测、更加稳定的磁链，该磁链反映的反电动势的变化也更为精确，得到该磁链后将其输出至磁链信号过零检测电路单元。
72.磁链通过第二电容c2去除直流分量后，再通过第十五电阻r15传输至第三运算放大器u3的反相端；第十一电阻r11、第十三电阻r13以及第三电容c3构成的分压电路，第二外部基准电源3.3v利用该分压电路产生基准电压1.65v作为第三运算放大器u3的同相端，第三运算放大器u3基于磁链和基准电压，得到方波信号，该方波信号的上升沿和下降沿即为磁链的过零点，最终输出方波信号至控制单元100，控制单元100结合磁链与反电动势的关系，即可根据方波信号简单、快捷的得到换相点，根据换相点控制直流电机的换相。
73.参照图3，示出了本实用新型实施例中，利用示波器、磁链观测器等设备，得到的反电动势波形、磁链波形以及第三运算放大器u3输出的方波信号波形。图3中，由虚线组成的正弦波为反电动势波形，由实现组成的正弦波为磁链波形，由实现组成的方波为第三运算放大器u3输出的方波信号波形。由于负值磁链理论上超前于反电动势，从图3中可以得到明确表达，所以负值磁链向上过零意味着90
°
后反电势开始正值，对于正值反电势，采用正电压驱动，即让电流的流向从直流的正极流向直流的负极，实现直流电机的换相；自然可以理解的是，负值磁链向下过零意味着90
°
后反电势开始负值，对于负值反电势，采用负电压驱动，即让电流的流向从直流的负极流向直流的正极，实现直流电机的换相。由图3也可知，反电动势的过零点的位置，就是第三运算放大器u3输出的方波信号的相邻上升沿和下降沿的中间位置，当第三运算放大器u3输出方波信号至控制单元100后，控制单元100简单、快捷的确定换相点，控制直流电机的换相。
74.基于上述反电动势检测电路，本实用新型实施例还提供一种直流电机系统，所述直流电机系统包括：直流电机、控制单元以及如上任一所述的反电动势检测电路；所述反电动势检测电路与所述直流电机和所述控制单元分别连接。
75.基于上述反电动势检测电路，本实用新型实施例还提供一种通气治疗设备，所述通气治疗设备包括：直流电机、控制单元以及如上任一所述的反电动势检测电路。
76.通过上述实施例，本实用新型的反电动势检测电路，放大电路单元对直流电机的电枢绕组上的反电动势进行衰减，得到第一反电动势；积分电路单元将第一反电动势转化
为对应的磁链，基于磁链的特性，其更容易被获得，也更加稳定，自然反映的反电动势的变化也更为精确，在此基础上再利用磁链信号过零检测电路单元，结合基准电压和磁链来产生方波信号，使得磁链的过零点就是方波信号的上升沿和下降沿，将该方波信号发送给控制单元，控制单元即可根据方波信号简单、快捷的得到磁链的过零点，最后根据磁链与反电动势的关系，即可轻松的确定换相点，进而实现直流电机的换相。
77.本实用新型实现直流电机换相基于硬件电路实现，硬件电路自身的特性，使得即使反电动势较小，也可以清晰、完整的被体现出来，并且将反电动势转换为磁链，进一步的提高了反电动势的精确程度，而控制单元只需简单的根据方波信号即可得到换相点，不再需要复杂繁琐的运算处理，简单、快捷的确定出反电动势的过零点，保证了电机换相的正确，使得电机运行平稳，也间接提高了用户的体验感，具有较高的实用性价值。另外，由于硬件电路的特性，其基本没有信号传输延时，整个电路中也不需要模数转换，控制单元不再需要复杂繁琐的运算处理，所以当电机的转速较高时，反电动势的过零点的出现较多，控制单元也可以精确确定反电动势过零点，保证了电机换相的正确，使得电机运行平稳，不会出现卡顿、抖动等异常现象，提高通气治疗设备的运行平稳性以及正常使用寿命。另外，本发明的反电动势检测无需使用位置传感器，一定程度上可以减少通气治疗设备的成本；控制单元不再需要复杂繁琐的运算处理，也可以减小对软件和芯片算力的依赖，具有较高的实用性价值。
78.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
79.上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。