CN104865526B - 一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法，包括角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机，角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元的输出端分别与单片机相连接，单片机还通过无线通信单元与远程终端进行通信，角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，电路板嵌入在直流永磁无刷电机的内部。本发明实时采集电机的电流、转角、转速、温度的电机工作参数，并通过无线通信模块将采集到的电机工作参数传送到远程终端，不受电机内变化强磁场的干扰，具有良好的应用前景。

Description

一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法，属于电机电流检测技术领域。

背景技术

目前，电机的电流检测电路常见的是采用霍尔电流采样电路实现的，首先将电流信号经过电磁转换，变成直流电压信号输出；再送到AD转换电路进行采样。还有一种方式实现电机的电流检测，是通过电流互感器，将前端的电流变化通过电磁感应传递到后级，再进行采样电路，

上述的两种电路易受外界电磁场干扰，尤其是在强磁场干扰环境下，其输出的采样电压上往往叠加了干扰信号，不能准确反应被测端电流值，造成电机的电流检测精确度低。

在轨道交通行业中，需要监测车厢门控制系统的运行状态，尤其是控制车厢门开关的门电机的运行状态，门电机为直流永磁直流电机，其中，门电机的电流、转角、转速和电机内的温度，都是反映门电机运行是否正常的重要参数。目前，通常所采用的方法是将参数采集电路外置于门电机，且通过RS485或其它有线通讯端口进行数据传输，此种方式时无法采集到门电机内的温度，不能真实反映门电机当前的工作状态。

发明内容

本发明的目的是克服现有的外置于电机的参数采集电路，无法采集到门电机内的温度，且在强磁场干扰环境下，其输出的采样电压上往往叠加了干扰信号，不能准确反应被测端电流值，造成电机的电流检测精确度低，不能真实反映门电机当前的工作状态的的问题。本发明的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法，将电机参数采集电路内置在电机内部进行采集，实时采集电机的电流、转角、转速、温度的电机工作参数，并通过无线通信模块将采集到的电机工作参数传送到远程终端，实现实时监测电机的运行状态，不受电机内变化强磁场的干扰，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：包括角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元的输出端分别与单片机相连接，所述单片机还通过无线通信单元与远程终端进行通信，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，所述电路板嵌入在直流永磁无刷电机的内部，

所述角度及转速检测单元，包括三个霍尔位置传感器，三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，三个霍尔位置传感器的脉冲信号信号输出端分别与单片机的脉冲采集接口相连接；

所述电机电流检测单元，包括精密采样电阻、隔离放大器电路，所述精密采样电阻串接电机的电流通路中，所述隔离放大器电路的输入端并联在精密采样电阻的两端，所述隔离放大器电路的输出端与单片机内的AD转换接口相连接；

所述电机内温度检测单元，包括数字温度传感器，所述数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上，所述数字温度传感器的输出端通过单总线与单片机的IO端口相连接；

所述无线通信单元的输入端通过串口通讯单元与单片机相连接，所述无线通信单元的输出端与远程终端进行无线通信。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：所述精密采样电阻为毫欧级精密采样电阻，所述隔离放大器电路的增益误差在±1％之间，所述隔离放大器电路具有200KHz带宽和1.6μs的快速响应时间。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：所述隔离放大器电路的取样侧连接有隔离电源，所述隔离电源的输出电压为5V。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：所述无线通信单元为470MHz短距离通讯模块或者无线wifi通信模块。

基于上述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的运行参数检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（1），将角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，并将电路板安装在待检测的直流永磁无刷电机内；

步骤（2），将角度及转速检测单元的三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，将电机内温度检测单元的数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上；

步骤（3），直流永磁无刷电机进行工作，通过角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元对直流永磁无刷电机的转角，转速，电流，内部温度进行实时采集，并将采集到的数据传输给单片机；

步骤（4），单片机对采集到的数据进行处理，得到直流永磁无刷电机的工作参数，包括电机的实时转角值、转速值、转矩值、电流值、温度值；

步骤（5），单片机将得到的直流永磁无刷电机的工作参数，通过无线通信单元发送给远程终端，远程终端用于远程实时显示，实现远程检测。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的运行参数检测方法，其特征在于：步骤（3）通过角度及转速检测单元对直流永磁无刷电机的转角，转速，进行实时采集的方法，包括以下步骤，

（1）三个霍尔位置传感器均包括位置传感器定子和位置传感器转子，位置传感器转子与直流永磁无刷电机的主转子一同旋转，用于采集直流永磁无刷电机主转子的位置信号，能够采集三路直流永磁无刷电机主转子的位置信号；

（2）位置传感器定子将对应的位置信号转换为脉冲信号发给单片机，形成三路脉冲信号发给单片机；

（3）单片机根据三路脉冲信号的到达时间，计算出直流永磁无刷电机的转角值，转速值。

前述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的运行参数检测方法，其特征在于：步骤（3），直流永磁无刷电机进行工作，通过电机电流检测单元、对直流永磁无刷电机的电流采集的方法，包括以下步骤，

（1）将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，精密采样电阻将电流信号转换为电流采样电压信号，并输入到隔离放大器；

（2）隔离放大器将电流采样电压信号放大后，将输出电压输入到单片机的AD转换接口；

（3）单片机根据AD转换接口的电压采集信号，计算出直流永磁无刷电机的电流值。

本发明的有益效果是：本发明的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法，将电机参数采集电路内置在电机内部进行采集，实时采集电机的电流、转角、转速、温度的电机工作参数，并通过无线通信模块将采集到的电机工作参数传送到远程终端，实现实时监测电机的运行状态，不受电机内变化强磁场的干扰，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的系统框图。

图2是本发明的单片机最小系统电路的系统框图。

图3是本发明的隔离放大器电路的内部结构图。

图4是本发明的电机电流检测单元的电路图。

图5是本发明的数字温度传感器的电路图。。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，包括角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元的输出端分别与单片机相连接，所述单片机还通过无线通信单元与远程终端进行通信，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，所述电路板嵌入在直流永磁无刷电机的内部，

所述角度及转速检测单元，包括三个霍尔位置传感器，三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，三个霍尔位置传感器的脉冲信号信号输出端分别与单片机的脉冲采集接口相连接；

所述电机电流检测单元，包括精密采样电阻、隔离放大器电路，所述精密采样电阻串接电机的电流通路中，所述隔离放大器电路的输入端并联在精密采样电阻的两端，所述隔离放大器电路的输出端与单片机内的AD转换接口相连接。

所述电机内温度检测单元，包括数字温度传感器，所述数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上，所述数字温度传感器的输出端通过单总线与单片机的IO端口断开相连接；

所述无线通信单元的输入端通过串口通讯单元与单片机相连接，所述无线通信单元的输出端与远程终端进行无线通信。

如图2所示，单片机选用TI的M4 MCU的最小系统电路，MCU包含AD转换接口、脉冲采集接口、串口通讯接口、存储芯片和单总线接口，其中AD转换接口和电机电流检测单元的输出端相连接；脉冲采集接口和角度及转速检测单元内霍尔位置传感器输出端相连接；串口通讯接口和无线传输通讯模块接口；单总线接口和电机内温度检测单元的数字温度传感器的输出端相连接；存储芯片用于存储备份采集到电机的工作参数和MCU的配置参数。

所述精密采样电阻为毫欧级精密采样电阻，所述隔离放大器电路的增益误差在±1％之间，隔离放大器电路的取样侧连接有隔离电源，隔离电源的输出电压为5V，隔离电源可实现优异线性度和60分贝的信噪比动态性能，隔离放大器提供了很好的隔离模式噪声抑制能力、降压失调、体现了很好的精确度和稳定度，内部结构图，如图3所示，而且，该隔离放大器电路具有200KHz带宽和1.6μs的快速响应时间，该电路可以捕获短路和过载情况下的电流瞬变，所述电机电流检测单元的电路图，如图4所示，隔离放大器芯片的型号为ACPL-C790X或ACPL-C79B。

所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器，为单总线器件，具有线路简单，体积小的特点，因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，十分方便，测量温度范围在－55.C到＋125.C之间，与MCU的连接电路图，如图5所示。

所述无线通信单元为470MHz短距离通讯模块或者无线wifi通信模块，本发明选用470MHz短距离通讯模块，470MHz通讯模块工作在免申请的计量频段，不会对其它设备产生影响，且模块通讯距离可实现远程监测的功能。该模块的应用只需提供5V电源和模块配套的天线，模块和单片机间通过串口通讯，实现透明传输，模块上电后单片机通过串口对其进行初始化后即可实现透传功能，单片机可通过串口和其它470MHz无线设备进行数据交换。

基于上述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的运行参数检测方法，包括以下步骤，

步骤（1），将角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，并将电路板安装在待检测的直流永磁无刷电机内；

步骤（2），将角度及转速检测单元的三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，将电机内温度检测单元的数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上；

步骤（3），直流永磁无刷电机进行工作，通过角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元对直流永磁无刷电机的转角，转速，电流，内部温度进行实时采集，并将采集到的数据传输给单片机，

其中转速，进行实时采集的方法，包括以下步骤，

（1）三个霍尔位置传感器均包括位置传感器定子和位置传感器转子，位置传感器转子与直流永磁无刷电机的主转子一同旋转，用于采集直流永磁无刷电机主转子的位置信号，能够采集三路直流永磁无刷电机主转子的位置信号；

（2）位置传感器定子将对应的位置信号转换为脉冲信号发给单片机，形成三路脉冲信号发给单片机；

（3）单片机根据三路脉冲信号的到达时间，计算出直流永磁无刷电机的转角值，转速值；

电流采集的方法，包括以下步骤，

（1）将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，精密采样电阻将电流信号转换为电流采样电压信号，并输入到隔离放大器；

（2）隔离放大器将电流采样电压信号放大后，将输出电压输入到单片机的AD转换接口，隔离放大器可将输入的±0.3V电压隔离放大到0~2.5V的输出电压，其取样电压输入端和输出端是隔离的，需用隔离的电源分别供电，隔离放大器才能正常工作，该电流采集不是通常的霍尔电流采样芯片，所以在电机内强磁场变化环境中仍能不受干扰，正常精确进行电流采样；

（3）单片机根据AD转换接口的电压采集信号，计算出直流永磁无刷电机的电流值；

步骤（4），单片机对采集到的数据进行处理，得到直流永磁无刷电机的工作参数，包括电机的实时转角值、转速值、转矩值、电流值、温度值；

步骤（5），单片机将得到的直流永磁无刷电机的工作参数，通过无线通信单元发送给远程终端，远程终端用于远程实时显示，实现远程检测。

综上所述，本发明的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路及方法，将电机参数采集电路内置在电机内部进行采集，实时采集电机的电流、转角、转速、温度的电机工作参数，并通过无线通信模块将采集到的电机工作参数传送到远程终端，实现实时监测电机的运行状态，不受电机内变化强磁场的干扰，改变了以往监测需人工到现场进行采集的状况，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路，其特征在于：包括角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元的输出端分别与单片机相连接，所述单片机还通过无线通信单元与远程终端进行通信，所述角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，所述电路板嵌入在直流永磁无刷电机的内部，

所述角度及转速检测单元，包括三个霍尔位置传感器，三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，三个霍尔位置传感器的脉冲信号输出端分别与单片机的脉冲采集接口相连接；

所述电机电流检测单元，包括精密采样电阻、隔离放大器电路，所述精密采样电阻串接电机的电流通路中，所述隔离放大器电路的输入端并联在精密采样电阻的两端，所述隔离放大器电路的输出端与单片机内的AD转换接口相连接；

所述电机内温度检测单元，包括数字温度传感器，所述数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上，所述数字温度传感器的输出端通过单总线与单片机的IO端口相连接；

所述无线通信单元的输入端通过串口通讯单元与单片机相连接，所述无线通信单元的输出端与远程终端进行无线通信，

所述精密采样电阻为毫欧级精密采样电阻，所述隔离放大器电路的增益误差在±1％之间，所述隔离放大器电路具有200KHz带宽和1.6μs的快速响应时间；所述隔离放大器电路的取样侧连接有隔离电源，所述隔离电源的输出电压为5V；所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器；所述无线通信单元为470MHz短距离通讯模块或者无线wifi通信模块。

2.基于权利要求1所述的设在直流永磁无刷电机内的运行参数检测电路的运行参数检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（1），将角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元、无线通信单元和单片机集成在一块电路板上，并将电路板安装在待检测的直流永磁无刷电机内；

步骤（2），将角度及转速检测单元的三个霍尔位置传感器等转角距离围绕安装在电机的转动轴上，将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，将电机内温度检测单元的数字温度传感器的温度感应端贴在电机的线圈绕组上；

步骤（3），直流永磁无刷电机进行工作，通过角度及转速检测单元、电机电流检测单元、电机内温度检测单元对直流永磁无刷电机的转角，转速，电流，内部温度进行实时采集，并将采集到的数据传输给单片机；

步骤（4），单片机对采集到的数据进行处理，得到直流永磁无刷电机的工作参数，包括电机的实时转角值、转速值、转矩值、电流值、温度值；

步骤（5），单片机将得到的直流永磁无刷电机的工作参数，通过无线通信单元发送给远程终端，远程终端用于远程实时显示，实现远程检测，

其中步骤（3）通过角度及转速检测单元对直流永磁无刷电机的转角，转速，进行实时采集的方法，包括以下步骤，

（1）三个霍尔位置传感器均包括位置传感器定子和位置传感器转子，位置传感器转子与直流永磁无刷电机的主转子一同旋转，用于采集直流永磁无刷电机主转子的位置信号，能够采集三路直流永磁无刷电机主转子的位置信号；

（2）位置传感器定子将对应的位置信号转换为脉冲信号发给单片机，形成三路脉冲信号发给单片机；

（3）单片机根据三路脉冲信号的到达时间，计算出直流永磁无刷电机的转角值，转速值；

其中 步骤（3），直流永磁无刷电机进行工作，通过电机电流检测单元、对直流永磁无刷电机的电流采集的方法，包括以下步骤，

（1）将电机电流检测单元的精密采样电阻串联在电机的电流通路中，精密采样电阻将电流信号转换为电流采样电压信号，并输入到隔离放大器；

（2）隔离放大器将电流采样电压信号放大后，将输出电压输入到单片机的AD转换接口；

（3）单片机根据AD转换接口的电压采集信号，计算出直流永磁无刷电机的电流值。