CN102621405B - 定子绕组相序及编码器输出电平检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无刷直流电动机定子绕组相序及其与编码器对应关系确定方法及检测装置。本发明的方法以定子绕组间反电动势电势过零点及换相点(编码器输出信号上升沿和下降沿)为基础，根据定子绕组间电压过零点顺序确定定子绕组相序；根据定子绕组过零点与编码器输出信号上升沿或下降沿的对应关系确定编码器接口与定子绕组的对应关系。本发明的装置以微处理器系统为运算处理单元，结合外围硬件检测单元对于定子绕组间电压过零点和编码器输出信号上升沿和下降沿进行检测，一次完成相序判断及各相绕组与编码器接口的对应关系。避免了电角度延迟带来的问题，具有检测步骤直观、准确，检测装置结构简单的特点，适合无刷直流电动机的检测和判断。

Description

定子绕组相序及编码器输出电平检测装置

本申请是申请号为200910311111.3，申请日为2009年12月9日，名称为《定子绕组相序及其与编码器对应关系确定方法和装置》的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及无刷直流电动机，特别涉及无刷直流电动机定子绕组相序及其与编码器对应关系确定方法及检测装置。

背景技术

无刷直流电机采用电子换向装置代替了传统直流电机的机械换向装置，具有与直流电机类似的机械特性，无刷直流电动机磁钢置于转子上，定子绕组在空间均匀分布。对于三相定子绕组，其U相绕组、V相绕组、W相绕组分别相隔2π/3的空间角度。通过不断地变换三相定子绕组通电方式，产生旋转磁场驱动转子转动。对于具有多相定子绕组的无刷直流电动机，除了定子绕组分布的空间角度不同外，其工作原理相同。无刷直流电机定子绕组的换相是通过逆变器来控制的，要使无刷直流电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。编码器通过检测转子的磁极位置，输出换向驱动信号，伺服系统根据编码器输出的换向驱动信号，控制逆变器中开关管导通和关断，实现定子绕组的正确换向。确定定子绕组相序及编码器输出信号与对应绕组的关系，是实现正确换向的基础。

直流电动机出厂时，需完整标定其编码器输出引脚定义以及电机绕组引线定义。实际中，如果电机资料遗失或者因电机年代久远无法确定转子磁极位置和定子绕组对应关系，那么电机将无法使用。因为电机相序的混乱或转子位置和定子绕组对应关系不明确，无法为电机换相提供正确的信息，可能导致无刷直流电机无法起动或失步，尽管有时电机可以旋转，但极可能损坏电机控制器。即便是有相关资料，如果位置信号与绕组关系不正确，容易出现损坏控制器的问题，所以为确保安全对它们的关系进行验证也是必要的。

当直流电动机出现相序混乱、编码器对应关系不清楚，或更换编码器等情况时，现有技术一般采用的方法是：1、将转子转动到特定位置，对定子绕组通电进行检测。该方法对多相绕组无刷直流电机检测过程繁复，而且绕组通电电流不容易控制，存在一定的风险。2、示波器进行波形比较的方法，具有一定的主观性，精确度不高。

发明内容

本发明本所要解决的技术问题，就是针对现有技术定子绕组相序检测方法复杂、判断不准确、准确性差的问题，提供一种简单的相序确定方法和相序与编码器对应关系确定方法及其检测装置。

本发明解决所述技术问题采用的定子绕组相序确定方法，包括以下步骤：

a、转动直流电动机转子，在定子绕组中产生电动势；

b、检测定子绕组之间电压过零点；

c、根据定子绕组之间电压过零点的顺序确定定子绕组相序；

具体的：

步骤b中，所述定子绕组为三相绕组，采用Y形连接，设定某个绕组为U相绕组，检测其他绕组与U相绕组之间电压过零点；

步骤c中，电压先到达过零点的绕组为V相绕组，另一个绕组即为W相绕组。

本发明定子绕组相序与编码器对应关系确定方法，包括以下步骤：

α、转动直流电动机转子，在定子绕组中产生电动势；

β、检测定子绕组两两之间电压过零点；

γ、检测编码器输出电平信号上升沿和下降沿；

δ、根据定子绕组两两之间电压过零点与编码器输出电平信号上升沿或下降沿的对应关系，确定直流电动机定子绕组相序与编码器对应关系；

具体的：

步骤β中，所述定子绕组为三相绕组，定子绕组采用Y形连接，分别检测U相绕组与V相绕组之间电压e_uv过零点、W相绕组与U相绕组之间电压e_wu过零点及V相绕组与W相绕组之间电压e_vw过零点；

步骤δ中，当e_uv过零点时，检测到编码器的某输出端的上升沿或下降沿，则编码器该输出端与V相绕组对应；当e_wu过零点时，检测到编码器的另一个输出端的上升沿或下降沿，则编码器该输出端与U相绕组对应；编码器余下的输出端即与W相绕组对应。

本发明定子绕组相序及编码器输出电平检测装置，包括第一检测单元、微处理器单元和第二检测单元；所述第一检测单元用于连接定子绕组，检测定子绕组间电压过零点并向微处理器单元传输信号；所述第二检测单元用于连接编码器输出端，检测编码器输出信号的上升沿和下降沿并向微处理器单元传输信号；所述微处理器单元对第一检测单元和第二检测单元传输的信号进行处理，根据定子绕组间电压过零点顺序确定定子绕组相序，并根据定子绕组间电压过零点与编码器输出信号的上升沿或下降沿确定定子绕组与编码器接口的对应关系；

进一步的：所述第一检测单元包括匹配滤波电路、电压比较器和隔离电路，所述匹配滤波电路连接定子绕组和电压比较器，所述电压比较器连接隔离电路，所述隔离电路与微处理器单元连接；

更进一步的：所述第二检测单元由差分信号接收器构成，所述差分信号接收器与编码器接口连接，并通过隔离电路向微处理器单元传输信号。

本发明的有益效果是，由于交流电压过零点、脉冲信号边缘(上升沿和下降沿)，可以通过简单的硬件电路进行准确的检测，根据这些参数确定定子绕组相序及其与编码器接口的对应关系的硬件电路非常简单、检测结果直观、准确，能够快速确定无刷直流电动机定子绕组的相序及其与编码器接口的对应关系。本发明在整个检测过程中，定子绕组不需要通电，可以通过手动转动电动机转子，利用定子绕组中产生的感应电动势(或称为反电动势)完成检测，与此同时，编码器也产生高低电平信号，反电动势与编码器输出信号存在一定关系，据此可以确定编码器接口与定子绕组对应关系，上述检测可以一次完成。随着电力电子技术的发展，无刷直流电机的应用越来越广泛，本发明具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例的检测装置电路结构示意图；

图2是无刷直流电动机定子绕组分布及连接关系示意图；

图3是实施例的无刷直流电动机位置传感器配置关系与编码器输出接口对应关系示意图；

图4是实施例的编码器输出信号与定子绕组间电压对应关系示意图；

图5是实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明以线间反电动势电势过零点及换相点(编码器输出信号上升沿和下降沿)为基础，而没有直接检测定子绕组的反电动势，是因为定子绕组反电动势与换相点有30°电角度延迟，通常情况下，该延迟角度会产生一定的误差，这将影响测试结果，甚至得不到结果。而定子绕组间电压过零点刚好对应换相点，不存在电角度延迟30°带来的问题。

实施例

本例检测装置电路如图1所示，包括含微处理器单元10、第一检测单元50、第二检测单元，即图1中的差分信号接收器60、隔离电路20、显示模块70以及电编码器接口30和电机绕组接口40。

在本实施例中，微处理器含有捕获单元，另外还包括存储单元和微处理器必备的运算器，控制器和寄存器组。在存储单元中存储捕获单元状态，编码器输出端于绕组对应关系表等，捕获单元用于捕获编码器输出信号上升沿和下降沿以及三相定子绕组间反电动势过零点。微处理器为一个DSP最小系统，含有六路捕获单元，三路用于捕获编码器信号上升沿和下降沿，另外三路用于捕获线间反电动势过零点，内部FLASH存储6路捕获单元状态，运算器利用捕获单元状态进行运算，得到6路信号的匹配结果并存储，通过并口发送至显示模块70。

如图2a，在本实施例中，电机定子绕组采用Y形连接方式，线圈绕在定子硅钢冲片上，转子为永磁体，三相绕组末端连接到一个公共点com，引出的3根线为电机三相绕组的始端，分别为W1，W2，W3。对应连接到定子绕组接口。在不确定绕组相序关系时，先固定标识W1绕组连为U相绕组，以便确定V相和W相绕组以及编码器接口与绕组对应关系，下面的描述均以此设定为基础。

本实施例中，编码器接口30除了包括接受编码器信号的6个接口，分别标识为A1，A2；B1，B2；C1，C2；如图3所示，还包括编码器电源的2个接口Vcc和GND，6个接口连接差分信号接收器60。

图3中，编码器80包括差分电路802、803、804，8011为光电编码器的遮光板，8012为三只发光管(A、B、C，图中发光管B、C被遮光板8011遮蔽)，分别间隔2π/3。遮光板8011随着电机转轴一起旋转，当遮光板8011遮住发光管8012时，对应发光管输出低电平，反之输出高电平。在0～360°电角度中，三只发光管A、B、C共产生6种电平信号，以此为电动机提供换相时序信号。差分电路802、803、804将三只发光管输出的信号进行差分，经过编码器接口30送到差分信号接收器60，由三路差分电路601、602、603转换为CAP1、CAP2、CAP3三路脉冲信号，经过隔离电路20输入微处理器进行处理。

本例第一检测单元50包括匹配滤波电路51和电压比较器52。匹配滤波电路51先将反电动势调节到一定的幅值范围，经过滤波后，输入电压比较器52检测电压过零点。在本实施例中，匹配滤波电路51分别连接定子绕组W1W2、W1W3、W2W3，检测该3路电压。滤波采用低通滤波器，滤除高频信号，由于微处理器捕获单元不能直接识别正弦信号过零点，利用电压比较器进行检测是适宜的。当电压比较器两个输入端压差为零时，其输出电压发生跳变，检测跳变信号点就获得了反电动势过零点。本例中微处理器接收的信号包括：CAP1、CAP2、CAP3三路脉冲信号；定子绕组W1W2、W1W3、W2W3的3路电压信号，分别由微处理器的6路捕获单元进行捕获。

本实施例中，显示模块70含有控制器，存储单元，显示面板和并口/串口，并口/串口接收来自微处理器10发送的显示信息，存储于存储单元中，控制器调用数据在面板上显示。

本实施例中，隔离电路使用低速光电耦合器，光电耦合器的外围连接电路需调试设计好。

下面推导定子绕组反电动势与编码器输出信号的对应关系：

无刷直流电动机三相定子绕组的反电动势可以分解为基波，3次谐波和更高次奇数次谐波，以正转时绕组反电动势波形为例，U，V，W相反电动势可以表示为：

e_U＝E[sin(wt+30°)+k₃sin(3wt+30°)+k₅sin(5wt+30°)+…]  (1)

e_V＝E[sin(wt-90°)+k₃sin(3wt-90°)+k₅sin(5wt-90°)+…]  (2)

e_W＝E[sin(wt+150°)+k₃sin(3wt+150°)+k₅sin(5wt+150°)+…]  (3)

由公式(1)，(2)，(3)相减得到线间反电动势e_UV，e_VW，e_WU为：

线间反电动势不含3次及3的倍数次谐波分量，5次谐波以及更高次谐波相对于基波可以忽略不计，得到线间反电动势的简化公式为：

由(4)、(5)、(6)可知，当wt＝0°；60°；120°；180°；240°；300°时线间反电动势存在过零点，正好对应三相定子绕组换相点——图3所示位置传感器对应编码器输出信号的上升沿和下降沿。

图5示出了本例无刷直流电动机定子绕组相序及其与编码器接口对应关系确定方法的流程图，其包括以下步骤：

a1、检测装置上电，开始运行；

a2、微处理器单元初始化；

a3、技术人员动匀速旋转电机轴；

a4、微处理器6路捕获单元分别捕获3个编码器输出信号上升沿和下降沿以及三相定子绕组间反电动势过零点；

a5、微处理器每次产生捕获中断时，将6路捕获单元状态分别存入6个数组或指针中，包括哪路产生中断，哪路没有中断；

a6、比较绕组间反电动势过零点顺序确定定子绕组U、V、W相序；

图2a示出了绕组W1W2之间电压先到达过零点，绕组W1W3之间电压后到达过零点的情况。其绕组相序如图2a所示：在绕组W1定为U相的条件下，绕组W2为V相，绕组W3为W相。

图2b示出采用△连接方式的三相绕组连接关系，在上述检测情况下，相序关系与图2a相同，参见图2b所示。

图2c示出了多相定子绕组Y型(星型)连接关系，图中绕组相序关系表示绕组间电压过零点顺序为：绕组W1W2、W1W3、W1W4、W1W5、W1W6顺序达到过零点。对于多相绕组，编码器结构会有相应变化，本领域技术人员可以参阅相关资料进行查询。

对于多相绕组首尾相接的环形连接方式(对应三相绕组的△连接方式)，绕组相序确定方法与上述方法类同，本领域技术人员可以根据上述描述合理地得到其具体检测方法，在此恕不赘述。

a7、根据编码器接口输出信号上升沿或下降沿及步骤a6得到的定子绕组相序确定其对应关系，制定编码器接口与绕组对应关系表，使用步骤a5中存于数组或指针中捕获单元状态，查表获得对应关系；

a8、判断步骤a7中3对对应关系是否全部确定，否，转至步骤a4；是，转至下一步；

a9、调用液晶显示模块，显示测试编码器接口与绕组一一对应关系；

a10、结束本装置运行，断电。

在上述步骤a4中，第二检测单元分别检测CAP1～CAP3输出脉冲信号上升沿和下降沿，第一检测单元分别检测绕组间W1W2、W1W3、W2W3反电动势的过零点，捕获条件是上升沿，下降沿以及过零点，每一次有两个捕获单元有捕获功能，在接下来的步骤a5中，将每一次捕获结果存于数组中等待微处理器处理。

在上述步骤a6中，判断第一检测单元捕获的电压过零点先后顺序，输出处理结果如表一所示。

表一

绕组W1W2	绕组W1W3	绕组W1	绕组W2	绕组W3
					先	后	U相	V相	W相
后	先	U相	W相	V相

在本实施例中，步骤a6中以W1口为U相绕组，W2口为V相绕组，W3口为W相为例，步骤a7中，当绕组W1W2检测到过零点，与此同时CAP1～3中产生捕获事件的接口对应的编码器位置输出信号为H_V；当绕组W1W3检测到过零点，与此同时CAP1～3中产生捕获事件的接口对应的编码器位置输出信号为H_W；当绕组W2W3检测到过零点，与此同时CAP1～3中产生捕获事件的接口对应的编码器位置输出信号为H_U，参见图4。

Claims (3)

1.定子绕组相序及编码器输出电平检测装置，包括第一检测单元、微处理器单元和第二检测单元；所述第一检测单元用于连接定子绕组，检测定子绕组间电压过零点并向微处理器单元传输信号；所述第二检测单元用于连接编码器输出端，检测编码器输出信号的上升沿和下降沿并向微处理器单元传输信号；所述微处理器单元对第一检测单元和第二检测单元传输的信号进行处理，根据定子绕组间电压过零点顺序确定定子绕组相序，并根据定子绕组间电压过零点与编码器输出信号的上升沿或下降沿确定定子绕组与编码器接口的对应关系。

2.根据权利要求1所述的定子绕组相序及编码器输出电平检测装置，其特征在于：所述第一检测单元包括匹配滤波电路、电压比较器和隔离电路，所述匹配滤波电路连接定子绕组和电压比较器，所述电压比较器连接隔离电路，所述隔离电路与微处理器单元连接。

3.根据权利要求2所述的定子绕组相序及编码器输出电平检测装置，其特征在于：所述第二检测单元由差分信号接收器构成，所述差分信号接收器与编码器接口连接，并通过隔离电路向微处理器单元传输信号。