CN102253276A - Pwm控制下的电动机相电势实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，本发明主要利用电压传感器检测电动机的两种相间线电势后，经过单运放的二阶低通滤波器将高频的PWM波形进行滤波，滤除线电势中的高频分量和毛刺，从而得到两种电动机相间线电势信号，然后将这两种相间线电势信号送入微控制器中的AD端口转化成数字量后，根据电动机线电势与相电势之间的内在数学关系进行实时运算，计算出电动机的三相的相电势值。通过上述电动机相电势实时检测方法为实现高性能的转矩控制环和弱磁调速中的电势控制环提供了技术基础。

Description

PWM控制下的电动机相电势实时检测方法

技术领域

本发明涉及一种PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，特别是涉及一种适用于正弦波电机和非正弦波电机的电动机相电势实时检测方法，属于电动机的数字检测技术。 

背景技术

永磁无刷直流电机、异步感应电机、永磁同步等正弦波电机以及开关磁阻、双凸极等非正弦电机通常都需要加装功率变换器才能驱动，进行转速和转矩控制。而功率变换器大多采用SPWM控制、空间电压矢量控制等PWM控制方式，这些控制方式都是通过功率开关管的开通和关断来控制施加在电机绕组上的电压，从而达到控制电机电流以至输出功率的目的。但这些控制方式使得电动机的电势波形被分割成许多细小的脉冲波形，并伴有大量的毛刺，无法实现电机电势和转矩的实时在线检测和计算。对于一些要求具有转矩环或电势环的特殊要求的电机控制系统而言，就会带来一系列的问题，影响控制的准确性和实时性。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，其无需引出电机的中性点，即可有效解决PWM控制下电动机的相电势精确实时检测问题，为实现高性能的转矩控制环和弱磁调速中的电势控制环提供了技术基础。 

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：利用电压传感器检测待测电动机的线电势，并将带有大量毛刺和高频成分的电动机线电势信号通过由高精度运算放大器所构成的二阶低通滤波器将高频成分和毛刺进行滤除。然后将经过低通滤波器滤波后的线电势信号采进微控制器(如单片机、DSP等)。采进微控制器的是线电势波形，根据线电势和相电势之间的数学转换关系可在微控制器中进行线电势与相电势的转换计算，从而实时地得到电动机相电势。该方法 无需引出电机的中性点，简单易行、正确度高。 

为实现上述本发明的基本构思，本发明所采用技术方案是：一种PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，该检测方法包括以下步骤： 

利用电压传感器检测电动机相间线电压，以检测出电动机的相间线电压信号； 

将上述电压传感器检测出的相间线电压信号传送至低通滤波器以滤除相间线电压信号中的高频信号和毛刺； 

将经过低通滤波器滤波后的相间线电压信号进行电平转换后与微控制器的模数转换模块的输入电压相匹配，并与模数转换模块的输入接口相连接； 

将输入模数转换模块的相间线电压信号转换成数字量，然后按照电动机相间线电压信号与电动机相电势之间的内在数学转换关系，将电动机线电势信号转换成电动机的相电势。 

所述的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法中，所述的低通滤波器为单运放的二阶低通滤波器。 

所述的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法中，电动机线电势信号与电动机相电势之间的内在数学转换关系为： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ \frac{1}{3}& \frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

公式中，u_ab、u_bc为电动机线电势信号，u_a、u_b、u_c分别为电动机A、B、C三相的相电势值。 

本发明的优点是，本发明所揭示出的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法主要利用电压传感器检测电动机的两种相间线电势后，经过单运放的二阶低通滤波器将高频的PWM波形进行滤波，滤除线电势中的高频分量和毛刺，从而得到两种电动机相间线电势信号，然后将这两种相间线电势信号送入微控制器中的AD端口转化成数字量后，根据电动机线电势与相电势之间的内在数学关系进行实时运算，计算出电动机的三相的相电势值。通过上述电动机相电势 实时检测方法为实现高性能的转矩控制环和弱磁调速中的电势控制环提供了技术基础。 

附图说明

图1为本发明中对电动机相间线电压进行检测时的电路示意图； 

图2为本发明中单运放二次型低通滤波器的电路示意图； 

图3为本发明中对经过低通滤波器滤波后的相间线电压信号进行模数转换和微控制器接口的电路示意图。 

具体实施方式

为进一步揭示本发明的技术方案，兹结合附图详细说明本发明的实施方式： 

1、电动机相间线电压的检测电路构成与接线。 

图1为本发明中对电动机相间线电压进行检测时的电路示意图，如图1所示，电压传感器LEM1初级与电动机的相绕组引出端A、B相连，次级连接一个检测电阻R1后接地，LEM1的供电电压为15V，则待测电阻R1两端的电压即为含有PWM高频信号的电动机线电压信号U_AB。同理，利用LEM2可检测到含有高频信号的电动机线电压信号U_BC。 

2、单运放二阶低通滤波电路构成与接线。 

图2为本发明中单运放二阶低通滤波器的电路示意图，如图2所示，电容C12接于运放OA的同相端与地之间，R12和C12串联，R12其中的一个引脚接运放OA的同相端，另一个引脚和电容C11、电阻R11相连。电容C11跨接在运放OA的输出端和R11之间。运放的反相端和输出端跨接电阻R14，电阻R13一端接地，另一端接运放OA的反相端。上述电路连接方式与运放OA构成了高性能的二阶低通滤波电路，其输入信号连接至电阻R11，输出信号为运放OA输出。 

3、利用微控制器对经过低通滤波器滤波后的相间线电压信号进行模数转换时的电路构成与接线。 

图3为本发明中对经过低通滤波器滤波后的相间线电压信号进行模数转换和微控制器接口的电路示意图，如图3所示，将经过图2所示的二阶低通滤 波器滤波的电动机相间线电势信号连接至微处理器的模数转换模块AD的端口AD01、AD02。 

4、电动机线电势信号与相电势之间的数学转换关系。 

(a)正弦波电机 

若电动机为正弦波电机，则其相电势和线电势之间的数学关系如下： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

(b)非正弦波电机 

若电动机为非正弦波电机，则相电势和线电势之间的数学关系如下： 

其中，k_n为n次谐波幅值大小；u_an、u_bn、u_cn分别为电机A、B、C各相谐波电压，各谐波电压均为正弦波形。因此， 

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{a1}\\ u_{b1}\\ u_{c1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{a2}\\ u_{b2}\\ u_{c2}\end{array}\right]+\·\·\·+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{an}}\\ u_{\mathrm{bn}}\\ u_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}1}+u_{\mathrm{ab}2}+\·\·\·+u_{\mathrm{abn}}\\ u_{\mathrm{bc}1}+u_{\mathrm{bc}2}+\·\·\·+u_{\mathrm{bcn}}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

综上两种情况，无论是正弦波电机还是非正弦波电机，相电势和线电势间的转换关系均为： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ \frac{1}{3}& \frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

因此，电动机相电势可由微处理器按照上述计算公式计算得到。 

5.以下结合附图说明本发明PWM控制下的电动机相电势实时检测方法实际检测时的动作过程。 

实际检测时，利用电压霍尔传感器检测电动机三相中的A、B与B、C两相相间线电压，将A、B和B、C相间线电压经过图2所示的由电阻、电容和单运放构成的二阶低通滤波器将相间线电压信号中的PWM高频成份滤除，然后再输入DSP或单片机等微控制器中进行电动机相间线电势与相电势的转化计算，得到各相相电势值。其具体方法包括： 

1、利用电压霍尔传感器检测电动机三相中的任意两相间的线电势(如A、B相间线电势U_AB和B、C相间线电势U_BC)； 

2、将检测获得的线电势信号U_AB、U_BC输入图2所示的由单运放和电阻、电容构成的二阶低通滤波器进行高频滤波，以滤除PWM信号； 

3、将经过滤波电路的线电势信号U_ab、U_bc输入DSP或单片机等微控制器的AD转换口，进行模数转换； 

4、由上述分析可知，对于任何电动机的三相电势与线电势存在如下关系： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

其中，u_a、u_b、u_c分别为电动机A、B、C三相的相电势值，u_ab为经过模、数转换后的电动机A、B线电压的幅值大小；u_bc为经过模、数转换后的电动机B、C线电压的幅值大小。 

因此，可利用微控制器按照上述线电势与相电势之间的内在数学关系进行电动机线电势与相电势之间的相互转换，从而达到实时在线计算电动机相电势大小的目的。 

发明所揭示出的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法主要利用了单运放二阶低通滤波器对线电势信号中的高频信号进行了有效滤波，并通过挖掘电动机线电势与相电势之间内在的数学联系，将检测到的线电势波形计算转化为相电势值。该方法无需引出电动机的中性点，方便且正确度高。该方法的实现能有效地对电动机的相电势进行实时检测，从而可以实时地在线计算电动机的电磁转矩，同时，对需凭借电机电势信号实现电机控制的应用场合也有很重要的意义。 

以上通过对所列实施方式的介绍，阐述了本发明的基本构思和基本原理。但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

利用电压传感器检测电动机相间线电压，以检测出电动机的相间线电压信号；

将上述电压传感器检测出的相间线电压信号传送至低通滤波器以滤除相间线电压信号中的高频信号和毛刺；

将经过低通滤波器滤波后的相间线电压信号进行电平转换以与微控制器的模数转换模块的输入电压相匹配，并与模数转换模块的输入接口相连接；

将输入模数转换模块的相间线电压信号转换成数字量，然后按照电动机相间线电压信号与电动机相电势之间的内在数学转换关系，将电动机相间线电压信号转换成电动机的相电势。

2.根据权利要求1所述的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，其特征在于，所述的低通滤波器为单运放的二阶低通滤波器。

3.根据权利要求1或2所述的PWM控制下的电动机相电势实时检测方法，其特征在于，电动机线电势信号与电动机相电势之间的内在数学转换关系为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ \frac{1}{3}& \frac{1}{3}& -\frac{2}{3}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ab}}\\ u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]$

公式中，u_ab、u_bc为电动机线电势信号，u_a、u_b、u_c分别为电动机A、B、C三相的相电势值。

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