CN106602943A - 一种无位置传感器电机速度检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无位置传感器电机速度检测电路及其检测方法，包括端电压采样电路、滤波电路、信号比较电路和缓冲电路，所述端电压采样电路用于获得当前电机各相的端电压，所述信号比较电路用于将采样得到的电机端电压与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于电机非导通相端电压，比较电路输出低电平，反之输出高电平，所述缓冲电路用于将比较所得到的电平信号进行转换与数字处理芯片所需要的电平信号匹配。本发明克服了现有方案速度检测范围窄、受到定子绕组、转子安装不对称影响、精度低等不足，提高了速度检测精度，避免定子绕组和转子安装不对称问题，同时也提高了电机速度检测范围及速度软件速度检测的抗干扰能力。

Description

一种无位置传感器电机速度检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，具体涉及一种无位置传感器电机速度检测电路及其检测方法。

背景技术

速度检测是电机调速系统中的核心单元，主要完成对电机的速度进行实时的计算，可以广泛应用于航空航天、船舶、兵器、电子等军用领域和电动汽车、机器人、无人机等工业应用领域。

当前，所采用的无位置速度检测方法，是将端电压检测信号进行深度滤波且经隔直之后送入比较器，根据单相反电势过零点信号进行速度计算。具体如下：速度算法开始将计数器清零，每捕获一个基准时钟信号(CLK)的上升沿，计数器进行加1计数，如果此时电机某相反电动势过零点信号(以下简称过零点信号)(H)没有翻转，计数器继续计数，直至过零点信号翻转为止，此时将计数所得数值存储至预先定义的寄存器中(C_A)；如果在过零点信号翻转之前，计数值已经达到最大，发生溢出，此时不对计数值进行存储，重新开始计数，最后，将计数器所得值换算成时间并对应电机所转过的圈数(P对极/2^P圈)进行转速计算得到：Speed＝60f_clk/2^p C_A，其中，f_clk表示时钟频率。

上述电机速度检测方法，有明显的缺陷：(1)比较器作为信号比较，响应时间稍微慢；(2)带通滤波电路参数很难选取；(3)速度检测算法不能消除定子线圈不对称带来的反电动势过零点信号不对称，导致速度计算带来误差；(4)该软件速度算法只适用于某一范围的速度计算；(5)该软件速度算法软件容易受到干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无位置传感器电机速度检测电路及其检测方法，提高了速度检测精度和检测范围，避免由于定子、转子绕组安装不对称对检测精度产生的影响等。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无位置传感器电机速度检测电路，包括端电压采样电路、滤波电路、信号比较电路和缓冲电路，所述端电压采样电路用于获得当前电机各相的端电压，所述信号比较电路用于将采样得到的电机端电压与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于电机非导通相端电压，比较电路输出低电平，反之输出高电平，所述缓冲电路用于将比较所得到的电平信号进行转换与数字处理芯片所需要的电平信号匹配。

所述信号比较电路包括比较器U1A、U1B、U2A及二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，所述比较器U1A的同相输入端经电阻R4与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D1的阳极相连，二极管D2的阳极与比较器U1A的同相输入端相连，二极管D1和二极管D2的阴极均与电源相连，比较器U1A的输出端分别经电阻R1与电源相连、经电容C1接地；比较器U1B的同相输入端经电阻R10与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D3的阳极相连，二极管D4的阳极与比较器U1B的同相输入端相，二极管D3、D4的阴极均与电源相连，比较器U1B的输出端分别经电阻R9与电源相连、经电容C5接地；比较器U2A的同相输入端经电阻R22与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D6的阳极相连，二极管D5的阳极与比较器U2A的反向输入端相连，二极管D5、D6的阴极电源相连，比较器U2A的输出端分别经电阻R17与电源相连、经电容C8接地；比较器U1A、U1B、U2A的反向输入端均与滤波电路相连，其输出端与缓冲电路相连。

所述取样电路包括电阻R2、R5、R6、R12、R13、R14、R16、R21、R19、R20、R24，所述电阻R2的一端与电机A端电压输出端相连，其另一端依次经电容R5、R6、R3与信号比较电路输入端相连，所述电阻R14的一端与电机B端电压输出端相连，其另一端依次经R12、R13、R11与信号比较电路的输入端相连，电阻R21的一端与电机C端电压输出端相连，其另一端依次经电阻R19、R20、R18与信号比较电路的输入端相连，电阻R8的一端与比较器电路的输入端相连，其另一端经电容C10接地，电容C2并联在电阻R8与电容C10的两端；电容C7和电阻R15的一端与比较电路的输入端相连，电容R7的另一端接地，电阻R15的另一端经电容C10接地；电容C9和电阻R23的一端与比较电路的输入端相连，电容C9的另一端接地，电阻R23的另一端经电容C10接地。

一种无位置传感器电机速度检测电路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别捕获电机A、B、C三路过零点信号，根据当前过零点信号电平翻转通道，选择当前通道进行计算，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器的值并结合该通道前阶段存储寄存器的数值，计算整个转子周期中寄存器的总计数值；

(2)依据寄存器数值结合转子转过的圈数，得到电机当前的转速。

所述步骤(1)中，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器的值并结合该通道前阶段存储寄存器的数值，计算整个转子周期中寄存器的总计数值，具体包括以下步骤：

(1)运行开始，计数器清零；

(2)选择计数器时钟作为基准时钟，当检测到基准时钟上升沿时，计数器值加1，直至遇到过零点信号的电平变化时，将计数器的计数值存储至预先指定的寄存器C₁中,若数值超过计数寄存器C₁所能存储的范围，但未检测到电平的改变时，将计数周期及计数次数存储至新的寄存器C₂中；

(3)当检测到过零点信号电平变化时，将此时的计数值存储至指定寄存器C₃中，并同时对计数器进行清零；

(4)对整个转子周期中寄存器中数值进行求和,得到总的计数为：

其中，C_A表示寄存器C₁中的数值，Q_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数周期，N_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数次数，C_A1表示寄存器C₃中存储的计数值，P_A表示前一周期存储寄存器的数值，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。

所述步骤(2)中，对所述转子周期的速度取平均值，得到电机当前的转速，采用以下公式计算：

其中，Speed表示电机转速，k_n表示比例系数，f_clk表示时钟频率，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。

由上述技术方案可知，本发明克服了现有方案速度检测范围窄、受到定子绕组、转子安装不对称影响、精度低等不足，本发明中增加了速度计算通道和辅助寄存器，通过缩短速度计算周期等方式，不仅提高了速度检测精度，避免定子绕组和转子安装不对称问题，同时也提高了电机速度检测范围及速度软件速度检测的抗干扰能力。本发明能够满足各种无位置传感器电机控制的使用，通过提高电机速度检测信号的质量，可以有效改善整个速度闭环的性能，从而实现对速度更好地控制。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明的软件算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种无位置传感器电机速度检测电路，包括端电压采样电路1、滤波电路2、信号比较电路3和缓冲电路4。端电压采样电路1用于获得当前电机各相的端电压，为后续的电压信号比较电路提供支撑。由于端电压信号成分中受到电枢反应、PWM斩波、续流等现象的干扰，因此，端电压信号需要经过低通滤波电路祛除相应地干扰，为信号比较电路提供干净纯洁信号。信号比较电路3用于将采样得到的电机端电压与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于电机非导通相端电压，比较电路输出低电平，反之输出高电平。缓冲电路4用于将比较所得到的电平信号进行转换与数字处理芯片5所需要的电平信号匹配，该缓冲电路4同时具有信号电压缓冲和整形作用。

信号比较电路3包括比较器U1A、U1B、U2A及二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，所述比较器U1A的同相输入端经电阻R4与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D1的阳极相连，二极管D2的阳极与比较器U1A的同相输入端相连，二极管D1和二极管D2的阴极均与电源相连，比较器U1A的输出端分别经电阻R1与电源相连、经电容C1接地；比较器U1B的同相输入端经电阻R10与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D3的阳极相连，二极管D4的阳极与比较器U1B的同相输入端相，二极管D3、D4的阴极均与电源相连，比较器U1B的输出端分别经电阻R9与电源相连、经电容C5接地；比较器U2A的同相输入端经电阻R22与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D6的阳极相连，二极管D5的阳极与比较器U2A的反向输入端相连，二极管D5、D6的阴极电源相连，比较器U2A的输出端分别经电阻R17与电源相连、经电容C8接地；比较器U1A、U1B、U2A的反向输入端均与滤波电路相连，其输出端与缓冲电路相连。

取样电路1包括电阻R2、R5、R6、R12、R13、R14、R16、R21、R19、R20、R24，所述电阻R2的一端与电机A端电压输出端相连，其另一端依次经电容R5、R6、R3与信号比较电路输入端相连，所述电阻R14的一端与电机B端电压输出端相连，其另一端依次经R12、R13、R11与信号比较电路的输入端相连，电阻R21的一端与电机C端电压输出端相连，其另一端依次经电阻R19、R20、R18与信号比较电路的输入端相连，电阻R8的一端与比较器电路的输入端相连，其另一端经电容C10接地，电容C2并联在电阻R8与电容C10的两端；电容C7和电阻R15的一端与比较电路的输入端相连，电容R7的另一端接地，电阻R15的另一端经电容C10接地；电容C9和电阻R23的一端与比较电路的输入端相连，电容C9的另一端接地，电阻R23的另一端经电容C10接地。

根据软件检测硬件的脉冲信号对电机速度进行计算，首先计数器进行计数，当捕获到三路过零点信号任何一路有电平翻转，来选择当前计算通道，将此时计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器值结合该通道前阶段存储寄存器的数值，构成一个完整的机械周期，通过对该周期的速度取平均，可以得到电机当前的转速。本实施例以A路零点信号为例，具体包括以下步骤：

S1:在于程序运行开始，计数器清零；

S2:选择计数器时钟作为基准时钟，当检测到基准时钟上升沿时，计数器值加1，直至遇到过零点信号的电平变化时，将计数器的计数值存储至预先指定的寄存器C₁中,若数值超过计数寄存器C₁所能存储的范围，但未检测到电平的改变时，将计数周期及计数次数存储至新的寄存器C₂中；

S3:当检测到过零点信号电平变化时，将此时的计数值存储至指定寄存器C₃中，并同时对计数器进行清零；

S4:对整个转子周期中寄存器中数值进行求和,得到总的计数为：

其中，C_A表示寄存器C₁中的数值，Q_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数周期，N_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数次数，C_A1表示寄存器C₃中存储的计数值，P_A表示前一周期存储寄存器的数值，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。

S5：将A、B、C三相过零点信号进行分别处理，如图3所示，从图中可以看出，该图3包括两个方面的内容，通道计算和通道选取，通过计算是指三个通道均采用图2所示的算法对转子周期进行计数，通道切换是指实时确定捕获的过零点信号是哪路信号，决定当前的速度根据该路信号进行计算。从图3中可以看出：速度是根据当前计数值结合以前计数值构成整个转子周期进行计算的，并且每60度电角度计算进行一次速度计算，从理论上说，速度的检测范围可以任意大，但实际中受到时钟信号频率和寄存器位数的限制，速度范围作相应的调整；根据以上论述，可以得到电机的转速(单位RPM)为：

其中，Speed表示电机转速，k_n表示比例系数，其取值为0～1，f_clk表示，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无位置传感器电机速度检测电路，其特征在于：包括端电压采样电路、滤波电路、信号比较电路和缓冲电路，所述端电压采样电路用于获得当前电机各相的端电压，所述信号比较电路用于将采样得到的电机端电压与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于电机非导通相端电压，比较电路输出低电平，反之输出高电平，所述缓冲电路用于将比较所得到的电平信号进行转换与数字处理芯片所需要的电平信号匹配。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器电机速度检测电路，其特征在于：所述信号比较电路包括比较器U1A、U1B、U2A及二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，所述比较器U1A的同相输入端经电阻R4与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D1的阳极相连，二极管D2的阳极与比较器U1A的同相输入端相连，二极管D1和二极管D2的阴极均与电源相连，比较器U1A的输出端分别经电阻R1与电源相连、经电容C1接地；比较器U1B的同相输入端经电阻R10与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D3的阳极相连，二极管D4的阳极与比较器U1B的同相输入端相，二极管D3、D4的阴极均与电源相连，比较器U1B的输出端分别经电阻R9与电源相连、经电容C5接地；比较器U2A的同相输入端经电阻R22与滤波电路相连，其反向输入端与二极管D6的阳极相连，二极管D5的阳极与比较器U2A的反向输入端相连，二极管D5、D6的阴极电源相连，比较器U2A的输出端分别经电阻R17与电源相连、经电容C8接地；比较器U1A、U1B、U2A的反向输入端均与滤波电路相连，其输出端与缓冲电路相连。

3.根据权利要求1所述的无位置传感器电机速度检测电路，其特征在于：所述取样电路包括电阻R2、R5、R6、R12、R13、R14、R16、R21、R19、R20、R24，所述电阻R2的一端与电机A端电压输出端相连，其另一端依次经电容R5、R6、R3与信号比较电路输入端相连，所述电阻R14的一端与电机B端电压输出端相连，其另一端依次经R12、R13、R11与信号比较电路的输入端相连，电阻R21的一端与电机C端电压输出端相连，其另一端依次经电阻R19、R20、R18与信号比较电路的输入端相连，电阻R8的一端与比较器电路的输入端相连，其另一端经电容C10接地，电容C2并联在电阻R8与电容C10的两端；电容C7和电阻R15的一端与比较电路的输入端相连，电容R7的另一端接地，电阻R15的另一端经电容C10接地；电容C9和电阻R23的一端与比较电路的输入端相连，电容C9的另一端接地，电阻R23的另一端经电容C10接地。

4.根据权利要求1所述的一种无位置传感器电机速度检测电路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别捕获电机A、B、C三路反电动势过零点信号，通过电平翻转信号，选择当前通道进行计算，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器的值并结合该通道前阶段存储寄存器的数值，计算整个转子周期中寄存器的总计数值；

(2)依据寄存器数值结合转子转过的圈数，得到电机当前的转速。

5.根据权利要求4所述的无位置传感器电机速度检测电路的检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器的值并结合该通道前阶段存储寄存器的数值，计算整个转子周期中寄存器的总计数值，具体包括以下步骤：

(1)运行开始，计数器清零；

(2)选择计数器时钟作为基准时钟，当检测到基准时钟上升沿时，计数器值加1，直至遇到过零点信号的电平变化时，将计数器的计数值存储至预先指定的寄存器C₁中,若数值超过计数寄存器C₁所能存储的范围，但未检测到电平的改变时，将计数周期及计数次数存储至新的寄存器C₂中；

(3)当检测到过零点信号电平变化时，将此时的计数值存储至指定寄存器C₃中，并同时对计数器进行清零；

(4)对整个转子周期中寄存器中数值进行求和,得到总的计数为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_A=N_A\×Q_A+C_{A1}\\ T_H=C_A+P_A\end{array}\right.$

其中，C_A表示寄存器C₁中的数值，Q_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数周期，N_A表示寄存器C₂中存储计数器的计数次数，C_A1表示寄存器C₃中存储的计数值，P_A表示前一周期存储寄存器的数值，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。

6.根据权利要求4所述的无位置传感器电机速度检测电路的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对所述转子周期的速度取平均值，得到电机当前的转速，采用以下公式计算：

$Speed=k_n\×\frac{60f_{clk}}{T_H}$

其中，Speed表示电机转速，k_n表示比例系数，f_clk表示时钟频率，T_H表示转子周期中寄存器的总计数值。