CN107947651A - 一种永磁电机转子位置的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁电机转子技术领域，具体公开了一种永磁电机转子位置的测量系统及方法，所述系统设有电源、DC滤波器、逆变器、电机、DC链分压器、半桥驱动模块、电流传感器、MCU，所述DC滤波器与所述逆变器顺序串联在所述电源与所述电机之间，所述DC链分压器连接在所述DC滤波器的滤波输出端与所述MCU的电压采样输入端之间，所述半桥驱动模块连接在所述MCU的控制输出端与所述逆变器的控制输入端之间，所述电流传感器连接在所述逆变器的信号输出端与所述MCU的电流采样输入端之间。相对于现有方案，本发明在硬件上节省了反电动势传感器，有效地压缩电路板空间，还在一定程度上提高了其应用产品的可靠性，成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机转子技术领域，尤其涉及一种永磁电机转子位置的测量系统及方法。
背景技术
随着电机行业的日益发展，无刷直流电机在很多领域如洗衣机都得到了广泛的应用，它具有调速性能好、体积小、寿命长、效率高等优点。但无霍尔传感器的无刷直流电机启动以及运转时的转子定位控制一直是行业内的疑难问题，严重制约着电机的适应范围。
现有技术中，戴森技术有限公司在无刷直流电机上的发明《确定永磁电机的转子位置的方法》(专利号CN104285369A)中使用硬件电路(主要由DC链滤波器、DC链分压器、逆变器、半桥驱动模块、电流传感器、反电动势传感器以及MCU组成)完成相电流的微分，并用硬件电压比较器(所述反电动势传感器中)将该信号与对应的分压电压信号做比较，得出反电动势过零点信号。该方案在成本上以及可靠性和集成度方面具有先天的劣势。
发明内容
本发明提供一种永磁电机转子位置的测量系统，解决的技术问题是，现有技术中使用硬件电路完成相电流的微分，并用硬件电压比较器将该信号与对应的分压电压信号做比较确定永磁电机转子位置的方式，硬件电路集成度低、可靠性低且成本高。
为解决以上技术问题，本发明提供一种永磁电机转子位置的测量系统，设有电源、DC滤波器、逆变器、电机、DC链分压器、半桥驱动模块、电流传感器、MCU，所述DC滤波器与所述逆变器顺序串联在所述电源与所述电机之间，所述DC链分压器连接在所述DC滤波器的滤波输出端与所述MCU的电压采样输入端之间，所述半桥驱动模块连接在所述MCU的控制输出端与所述逆变器的控制输入端之间，所述电流传感器连接在所述逆变器的信号输出端与所述MCU的电流采样输入端之间；
所述MCU模块用于设置ADC采样精度以及采样时间间隔；以及，按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值和采样电压值；以及，计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
具体地，所述MCU内部集成有ADC采样器、DSP处理器；所述按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样的过程由所述ADC采样器完成；所述计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位的过程由所述DSP处理器完成。
优选地，所述DC滤波器为电解电容，所述电解电容的正极端作为滤波输入端连接所述电源的正极输出端，所述电解电容的负极端为所述滤波输出端。
优选地，所述DC链分压器包括串联在所述电解电容两端的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的共同连接端连接所述MCU的电压采样输入端。
优选地，所述逆变器设有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述电流传感器设置为电阻；
所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极共同连接所述电解电容的正极端，所述第一MOS管的栅极、所述第二MOS管的栅极、所述第三MOS管的栅极、所述第四MOS管的栅极分别连接所述的半桥驱动模块不同的信号输出端，所述第一MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极共同连接所述电机，所述第二MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极共同连接所述电机，所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的源极共同连接所述电阻的一端和所述MCU的所述MCU的所述电流采样输入端，所述电阻的另一端连接所述电解电容的负极端。
本发明还提供一种永磁电机转子位置的测量方法，包括以下步骤：
S1.设置ADC采样精度以及采样时间间隔；
S2.按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值和采样电压值；
S3.计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
进一步地，在所述步骤S3前还包括步骤:
S23.对所述采样电流值和所述采样电压值进行数字滤波。
进一步地，在所述步骤S1前，还包括步骤：
S0.数据初始化。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S3-1.将当前时刻的标志位赋值给上一时刻的标志位；
S3-2.判断所述微分值是否大于所述采样电压值，若是，则将所述当前时刻的标志位清零并进入步骤S3-3；若否，则为所述当前时刻的标志位写入有效值并进入步骤S3-3；
S3-3.判断所述上一时刻的标志位有效值是否大于所述当前时刻的标志位有效值，若否，则返回到所述步骤S2，若是，则写入反电动势过零点标志位并返回到步骤S2。
本发明提供的一种永磁电机转子位置的测量系统，主要由DC链滤波器、DC链分压器、逆变器、半桥驱动模块、电流传感器以及MCU组成，主控制器使用带高速ADC采样以及带DSP运算的MCU，代替反电动势传感器的功能，相对于现有方案，在硬件上节省了反电动势传感器(内设有放大器、微分器、低通滤波器、比较器)，有效地压缩电路板空间，还在一定程度上提高了其应用产品的可靠性，成本降低。在本发明提供的一种永磁电机转子位置的测量方法中，MCU的高速ADC采样根据电机转动的速度以及电机磁极对数而选定，在MCU资源允许的情况下，采样间隔时间越短越好。同时，该方法能够保证MCU的ADC采样器的高速采样以及DSP处理器的强运算能力，以确保永磁电机转子位置的测量系统的高精度运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量系统的模块结构图；
图2是本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量系统的部分电气连接图；
图3是本发明实施例提供的现有专利《确定永磁电机的转子位置的方法》的硬件模块结构图；
图4是本发明提供的图3实施例中反电动势传感器的内部电路连接图；
图5是本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量方法的步骤流程概略图；
图6是本发明提供的图5实施例的一种永磁电机转子位置的测量方法的步骤流程细化图；
图7是本发明提供的图6实施例的一种永磁电机转子位置的测量方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括元器件的选型和取值大小及附图仅为较佳实施例，仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量系统的模块结构图，如图1所示，在本实施例中，所述的一种永磁电机转子位置的测量系统，设有电源1、DC滤波器2、逆变器3、电机4、DC链分压器5、半桥驱动模块6、电流传感器7、MCU8，所述DC滤波器2与所述逆变器3顺序串联在所述电源1与所述电机4之间，所述DC链分压器5连接在所述DC滤波器2的滤波输出端与所述MCU8的电压采样输入端Vdc之间，所述半桥驱动模块6连接在所述MCU8的控制输出端与所述逆变器3的控制输入端之间，所述电流传感器7连接在所述逆变器3的信号输出端与所述MCU8的电流采样输入端I_SENSE之间；
所述MCU8模块用于设置ADC采样精度以及采样时间间隔；以及，按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU8的电流采样输入端I_SENSE的电流和所述MCU8的电压采样输入端Vdc的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值和采样电压值；以及，计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
参见图2，是本发明实施例提供的一种永磁电机4转子位置的测量系统的部分电气连接图。所述MCU8内部集成有ADC采样器、DSP处理器；所述按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU8的电流采样输入端I_SENSE的电流和所述MCU8的电压采样输入端的电压进行采样的过程由所述ADC采样器完成；所述计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位的过程由所述DSP处理器完成。
所述DC滤波器2为电解电容C，所述电解电容C的正极端作为滤波输入端连接所述电源1的正极输出端，所述电解电容C的负极端为所述滤波输出端。
所述DC链分压器5包括串联在所述电解电容C两端的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2的共同连接端连接所述MCU8的电压采样输入端Vdc。
所述逆变器3设有第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，所述电流传感器7设置为电阻R；
所述第一MOS管Q1的漏极D和所述第二MOS管Q2的漏极D共同连接所述电解电容C的正极端，所述第一MOS管Q1的栅极G、所述第二MOS管Q2的栅极G、所述第三MOS管Q3的栅极G、所述第四MOS管Q4的栅极G分别连接所述的半桥驱动模块6不同的信号输出端，所述第一MOS管Q1的源极S和所述第三MOS管Q3的漏极D共同连接所述电机4，所述第二MOS管Q2的源极S和所述第四MOS管Q4的漏极D共同连接所述电机4，所述第三MOS管Q3的源极S和所述第四MOS管Q4的源极S共同连接所述电阻R的一端和所述MCU8的所述MCU8的所述电流采样输入端I_SENSE，所述电阻R的另一端连接所述电解电容C的负极端。
参见，图3是本发明实施例提供的现有专利《确定永磁电机的转子位置的方法》的硬件模块结构图。在现有专利《确定永磁电机的转子位置的方法》中，除与图1中的MCU8不同以外，在所述DC滤波器2的滤波输出端与所述MCU8之间还连接有反电动势传感器9，所述电流传感器7的电流输出端也连接所述反电动势传感器9。所述反电动势传感器9的内部电路连接图如图4所示，内含有放大器91、微分器92、低通滤波器93、比较器94，其中，所述放大器91的两个输入端连接在电流传感器7(图4采用与图2相同的所述电阻R)的两端，微分器92连接在所述放大器91的放大输出端与所述低通滤波器93的滤波输入端之间，所述低通滤波器93的滤波输出端连接所述放大器91的同向输入端，所述比较器94的反向输入端连接所述DC链分压器5(图4采用与图2相同的所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2连接结构)，所述比较器94的信号输出端(输出反电动势BEMF)连接所述MCU8，MCU8通过该反电动势BEMF分析出过零点信号，从而进一步确定永磁电机4的转子位置。
本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量系统，主要由DC链滤波器、DC链分压器5、逆变器3、半桥驱动模块6、电流传感器7以及MCU8组成，主控制器使用带高速ADC采样以及带DSP运算的MCU8，代替反电动势传感器9的功能，相对于现有方案，在硬件上节省了反电动势传感器9(内设有放大器91、微分器92、低通滤波器93、比较器94)，有效地压缩电路板空间，还在一定程度上提高了其应用产品的可靠性，成本降低。
参见图5，是本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量方法的步骤流程概略图。本发明实施例还提供一种永磁电机转子位置的测量方法，包括以下步骤：
S1.设置ADC采样精度以及采样时间间隔；
S2.按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对MCU的电流采样输入端I_SENSE的电流和所述MCU的电压采样输入端Vdc的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值VI_SENSE和采样电压值VDC_SENSE；
S3.计算所述电流采样值VI_SENSE的微分值dVI_SENSE/dt，并将所述微分值dVI_SENSE/dt与同一时刻的所述采样电压值VDC_SENSE作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
进一步地，参见图6，是本发明提供的图5实施例的一种永磁电机转子位置的测量方法的步骤流程细化图，结合图7，是本发明提供的图6实施例的一种永磁电机转子位置的测量方法的工作流程图。本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量方法在所述步骤S3前还包括步骤:
S23.对所述采样电流值VI_SENSE和所述采样电压值VDC_SENSE进行数字滤波。
进一步地，在所述步骤S1前，还包括步骤：
S0.数据初始化。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S3-1.将当前时刻的标志位FLAG1赋值给上一时刻的标志位FLAG2；
S3-2.判断所述微分值dVI_SENSE/dt是否大于所述采样电压值VDC_SENSE，若是，则将所述当前时刻的标志位FLAG1清零并进入步骤S3-3；若否，则为所述当前时刻的标志位FLAG1写入有效值并进入步骤S3-3；
S3-3.判断所述上一时刻的标志位FLAG2有效值是否大于所述当前时刻的标志位FLAG1有效值，若否，则返回到所述步骤S2，若是，则写入反电动势过零点标志位并返回到步骤S2。
本发明实施例提供的一种永磁电机转子位置的测量方法，利用MCU8的高速ADC采样电流数据VI_SENSE信号(对应于电流采样输入端I_SENSE)、DC链分压数据VDC_SENSE信号(对应于电压采样输入端Vdc)，在MCU内部将VI_SENSE信号使用DSP高速运算计算出其微分dVI_SENSE/dt信号，dVI_SENSE/dt信号再与VDC_SENSE信号数值比较，比较的结果可替代原有反电动势传感器9产生的BEMF信号来确定转子位置。MCU的高速ADC采样(ADC采样精度以及采样时间间隔)根据电机转动的速度以及电机磁极对数而选定，在MCU资源允许的情况下，采样间隔时间越短越好。同时，该方法能够保证MCU的ADC采样器的高速采样以及DSP处理器的强运算能力，以确保永磁电机转子位置的测量系统的高精度运行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种永磁电机转子位置的测量系统，设有电源、DC滤波器、逆变器、电机、DC链分压器、半桥驱动模块、电流传感器、MCU，所述DC滤波器与所述逆变器顺序串联在所述电源与所述电机之间，其特征在于，所述DC链分压器连接在所述DC滤波器的滤波输出端与所述MCU的电压采样输入端之间，所述半桥驱动模块连接在所述MCU的控制输出端与所述逆变器的控制输入端之间，所述电流传感器连接在所述逆变器的信号输出端与所述MCU的电流采样输入端之间；
所述MCU模块用于设置ADC采样精度以及采样时间间隔；以及，按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值和采样电压值；以及，计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
2.如权利要求1所述的一种永磁电机转子位置的测量系统，其特征在于：所述MCU内部集成有ADC采样器、DSP处理器；所述按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对所述MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样的过程由所述ADC采样器完成；所述计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位的过程由所述DSP处理器完成。
3.如权利要求2所述的一种永磁电机转子位置的测量系统，其特征在于：所述DC滤波器为电解电容，所述电解电容的正极端作为滤波输入端连接所述电源的正极输出端，所述电解电容的负极端为所述滤波输出端。
4.如权利要求2所述的一种永磁电机转子位置的测量系统，其特征在于：所述DC链分压器包括串联在所述电解电容两端的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的共同连接端连接所述MCU的电压采样输入端。
5.如权利要求4所述的一种永磁电机转子位置的测量系统，其特征在于：所述逆变器设有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述电流传感器设置为电阻；
所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的漏极共同连接所述电解电容的正极端，所述第一MOS管的栅极、所述第二MOS管的栅极、所述第三MOS管的栅极、所述第四MOS管的栅极分别连接所述的半桥驱动模块不同的信号输出端，所述第一MOS管的源极和所述第三MOS管的漏极共同连接所述电机，所述第二MOS管的源极和所述第四MOS管的漏极共同连接所述电机，所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的源极共同连接所述电阻的一端和所述MCU的所述MCU的所述电流采样输入端，所述电阻的另一端连接所述电解电容的负极端。
6.如权利要求1所述的一种永磁电机转子位置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设置ADC采样精度以及采样时间间隔；
S2.按照设置的所述ADC采样精度以及所述采样时间间隔对MCU的电流采样输入端的电流和所述MCU的电压采样输入端的电压进行采样，得到每一采样时刻的采样电流值和采样电压值；
S3.计算所述电流采样值的微分值，并将所述微分值与同一时刻的所述采样电压值作对比判断，确定反电动势过零点标志位。
7.如权利要求1所述的一种永磁电机转子位置的测量方法，其特征在于，在所述步骤S3前还包括步骤:
S23.对所述采样电流值和所述采样电压值进行数字滤波。
8.如权利要求7所述的一种永磁电机转子位置的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1前，还包括步骤：
S0.数据初始化。
9.如权利要求8所述的一种永磁电机转子位置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S3-1.将当前时刻的标志位赋值给上一时刻的标志位；
S3-2.判断所述微分值是否大于所述采样电压值，若是，则将所述当前时刻的标志位清零并进入步骤S3-3；若否，则为所述当前时刻的标志位写入有效值并进入步骤S3-3；
S3-3.判断所述上一时刻的标志位有效值是否大于所述当前时刻的标志位有效值，若否，则返回到所述步骤S2，若是，则写入反电动势过零点标志位并返回到步骤S2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180420 |