CN103337995A - 基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，包括使用比较器实现反电势过零的比较电路和对比较电路中u、v、w和n信号进行AD采样的采样电路，比较电路采用十电阻法构造模拟中性点，十电阻法包括第一电阻、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、第九电阻、第十电阻，其中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第七分压实现虚拟中心点；第四电阻和第十电阻、第五电阻和第九电阻、第六电阻和第八电阻分别为电机U/V/W三相分压电阻。按照本发明的技术方案，技术合理，操作方便，更加稳定可靠，能准确的实现过零检测，从而大大推进了基于反电势过零检测法在直流无刷电机无位置控制中的应用。

Description

基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置和方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置和方法。

背景技术

目前，直流无刷电机因具有功率密度高、效率高、电机结构简单和调速性能好等特点得到了广泛应用，特别的无位置控制技术的应用使得直流无刷电机在运行时可以省去位置传感器，节省了电机的成本，而且简化安装，更适合应用于一些环境比较恶劣的场合。直流无刷电机的无位置控制算法是通过检测定子电压和电流等信号，并通过其与电机参数的关系，合理的估算转子位置信号，包括：反电势法、电感法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等几大类。这几种方法各自都有着自己的优点和局限性，其中反电势过零检测法是工程应用中最为常见的一种方法，如图1所示，直流无刷电机三相反电势波形，可以看出不通电相的反电势过零点延时30度电角度就是换向时刻。这种方法简单易行，可靠性高，在实际应用时只需要比较不通电相端电压和虚拟中心点的大小就能得到换向时间信息。

一般通过比较器实现反电势过零比较电路，采用10电阻法构造模拟中性点，再通过比较分压后的端电压信号和模拟中性点，在比较器输出端得到反电势过零的电平跳变信号。但这种通过比较器检测反电势过零信号的方法，由于比较器输出信号单一，除了0就是1，只能实现一些简易的滤波算法，抗干扰能力弱。而且电机在低速运行时，反电势幅值较小易受噪声干扰，比较器输出会频繁的动作，容易导致检测错误。随着转速的变高，反电势信号变强，比较器输出会明显，但是因续流产生“去磁”事件的出现也会导致比较器误动作，产生错误的换向。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置和方法，在传统的使用比较器检测反电势过零点的基础上，同时采用AD检测反电势过零点，并创建检测规则将两种方法检测到的过零信息采用加权的数据融合处理方法结合起来实现过零检测。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，包括使用比较器实现反电势过零的比较电路和对比较电路中u、v、w和n信号进行AD采样的采样电路，所述比较电路采用十电阻法构造模拟中性点，所述十电阻法包括第一电阻、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、第九电阻、第十电阻，其中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第七分压实现虚拟中心点；第四电阻和第十电阻、第五电阻和第九电阻、第六电阻和第八电阻分别为电机U/V/W三相分压电阻。

作为优选，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻阻值相同。

作为优选，所述第八电阻、第九电阻、第十电阻阻值相等，且第八电阻的阻值是第七电阻阻值的三倍。

一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，步骤包括，

S1：对比较器进行反电势过零检测；

S2：对AD进行反电势过零检测；

S3：设置融合规则；

S4：根据融合规则进行判断。

其中，所述步骤S1中，当前不通电相和虚拟中点电压的比较器输出为1，则认为k时刻其反电势过零事件CS1为TRUE状态，否则CS1为FALSE状态。

其中，所述步骤S2中，采样当前不通电相电压和虚拟中点电压，若当前不通电相电压大于母线电压的80%就认为k时刻其反电势过零事件CS2为CC去磁状态；否则当不通电相电压大于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为TRUE状态，当不通电相电压小于于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为FALSE状态。

其中，所述步骤S3中，所述设置融合规则以额定转速的30%为界区分“低速”和“高速”，并加入AD检测出的去磁事件CC组成3种状态，得到k时刻输出反电势过零的判断表达式为：CZ(k)=K1×CS1(k)+K2×CS2(k)，其中CS1(k)和CS2(k)的取值为1，当其状态为TURE时，反之取值为-1，-1的取值更加有利于去除干扰的影响；

取CZ=CZ(k)+CZ(k+1)+CZ(k+2)+...，其中CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...对应为k，k+1和k+2...时刻的过零输出值，当CZ大于等于阀值，判断为反电势过零事件发生，准备延时换向，并清除CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...中的值。

其中，所述阀值取值为1.2。

按照本发明的技术方案，技术合理，操作方便，更加稳定可靠，能准确的实现过零检测，从而大大推进了基于反电势过零检测法在直流无刷电机无位置控制中的应用。

附图说明

图1为现有技术中直流无刷电机三相反电势波形。

图2为图1中比较器电路原理图。

图3为本发明基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法实施例的流程图。

图4为比较器法和AD采样法在过零点附近的输出特性对比。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，如图2所示，包括使用比较器实现反电势过零的比较电路和对比较电路中u、v、w和n信号进行AD采样的采样电路，所述比较电路采用十电阻法构造模拟中性点，所述十电阻法包括第一电阻、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、第九电阻、第十电阻，其中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第七分压实现虚拟中心点；第四电阻和第十电阻、第五电阻和第九电阻、第六电阻和第八电阻分别为电机U/V/W三相分压电阻，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻阻值相同，所述第八电阻、第九电阻、第十电阻阻值相等，且第八电阻的阻值是第七电阻阻值的三倍。

一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，如图3所示，步骤包括，

S1：对比较器进行反电势过零检测；

S2：对AD进行反电势过零检测；

S3：设置融合规则；

S4：根据融合规则进行判断。

所述步骤S1中，创建基于比较器的反电势过零检测规则如下表1所示，当前不通电相和虚拟中点电压的比较器输出为1，则认为k时刻其反电势过零事件CS1为TRUE状态，否则CS1为FALSE状态。

表1基于比较器的反电势过零检测规则

所述步骤S2中，创建基于AD的反电势过零检测规则如下表2所示，采样当前不通电相电压和虚拟中点电压，若当前不通电相电压大于母线电压的80%就认为k时刻其反电势过零事件CS2为CC去磁状态；否则当不通电相电压大于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为TRUE状态，当不通电相电压小于于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为FALSE状态。

表2基于AD的反电势过零检测规则

所述步骤S3中，所述设置融合规则以额定转速的30%为界区分“低速”和“高速”，并加入AD检测出的去磁事件CC组成3种状态，得到k时刻输出反电势过零的判断表达式为：CZ(k)=K1×CS1(k)+K2×CS2(k)，其中CS1(k)和CS2(k)的取值为1，当其状态为TURE时，反之取值为-1；其中K1和K2的取值如下表3所示；

取CZ=CZ(k)+CZ(k+1)+CZ(k+2)+...，其中CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...对应为k，k+1和k+2...时刻的过零输出值，当CZ大于等于阀值，其中阀值取值为1.2，判断为反电势过零事件发生，准备延时换向，并清除CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...中的值。

表3权系数K1和K2的取值

其具体工作原理，在传统的使用比较器检测反电势过零点的基础上，同时采用AD采样相电压，即将图4中“u”、“v”、“w”和“n”信号引入到AD采样，从而也得到反电势过零信息。由于AD采样相对比较器得到的信号要连续，不光可以得到“0”和“1”的输出，而且可以得到各个信号的幅值（幅值的分辨率取决于AD的分辨率），同时对反电势信号进行数字滤波算法，可以比较真实的得到反电势变化趋势和波形，更加有利于反电势过零点的判断，也能较好的解决比较器在反电势过零点附近的频繁检测到过零点的问题，图4为比较器法和AD采样法在过零点附近的输出特性对比。对于去磁事件由于其产生是因为电机换向时某相从通电相变为不通电时其相绕组续流产生的，这个信号的幅值接近母线电压，宽度由绕组内的能量决定，对于比较器只能输出“0”或“1”会造成影响，但对AD检测的方法由于信号幅值是可知的，所以很容易滤去这类干扰。

数据融合是针对一个系统中使用多个传感器或检测方法这一问题而展开的一种信息处理的新的技术，其利用计算机技术对按时间顺序获得的若干传感器的观测信息，在一定的准则下加以自动分析、综合，从而完成所需要的决策和估计任务而进行的信息处理过程。与只利用单一传感器或检测方法进行测量获得的结果相比，采用数据融合的方法可以更精确地估计出被测参数的值，从而减少在信息处理中可能出现的失误。而数据融合中加权平均法是信号级融合方法中最易实现、最直观方法，其将一组传感器提供的冗余信息进行加权平均，结果作为融合值输出。这里创建相应的过零检测规则，通过比较器和AD采样后得到反电势过零信息后，结合当前工作的工况采用上述加权的数据融合技术将两者的过零检测信息综合起来，得到反电势过零信息，更加稳定可靠准确的实现了过零检测。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，其特征在于，包括使用比较器实现反电势过零的比较电路和对比较电路中u、v、w和n信号进行AD采样的采样电路，所述比较电路采用十电阻法构造模拟中性点，所述十电阻法包括第一电阻、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、第九电阻、第十电阻，其中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第七分压实现虚拟中心点；第四电阻和第十电阻、第五电阻和第九电阻、第六电阻和第八电阻分别为电机U/V/W三相分压电阻。

2.根据权利要求1所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻阻值相同。

3.根据权利要求1所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测装置，其特征在于，所述第八电阻、第九电阻、第十电阻阻值相等，且第八电阻的阻值是第七电阻阻值的三倍。

4.一种基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，其特征在于，步骤包括，

S1：对比较器进行反电势过零检测；

S2：对AD进行反电势过零检测；

S3：设置融合规则；

S4：根据融合规则进行判断。

5.根据权利要求4所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，当前不通电相和虚拟中点电压的比较器输出为1，则认为k时刻其反电势过零事件CS1为TRUE状态，否则CS1为FALSE状态。

6.根据权利要求4所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，采样当前不通电相电压和虚拟中点电压，若当前不通电相电压大于母线电压的80%就认为k时刻其反电势过零事件CS2为CC去磁状态；否则当不通电相电压大于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为TRUE状态，当不通电相电压小于于虚拟中点电压认为其对应反电势过零事件CS2为FALSE状态。

7.根据权利要求5或6所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述设置融合规则以额定转速的30%为界区分“低速”和“高速”，并加入AD检测出的去磁事件CC组成3种状态，得到k时刻输出反电势过零的判断表达式为：CZ(k)=K1×CS1(k)+K2×CS2(k)，其中CS1(k)和CS2(k)的取值为1，当其状态为TURE时，反之取值为-1；

取CZ=CZ(k)+CZ(k+1)+CZ(k+2)+...，其中CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...对应为k，k+1和k+2...时刻的过零输出值，当CZ大于等于阀值，判断为反电势过零事件发生，准备延时换向，并清除CZ(k)，CZ(k+1)，CZ(k+2)...中的值。

8.根据权利要求7所述的基于数据融合技术的直流无刷电机反电势过零检测方法，其特征在于，所述阀值取值为1.2。

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