CN108448955B - 一种无刷直流电机转子位置检测电路及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机转子位置检测电路及检测方法。电路采用三相逆变器为无刷直流电机供电，在三相逆变器的直流母线电压端和三相逆变器的A、B、C端分别设置由两个串联的电阻构成的四组电阻分压网络，所述直流母线电压端经分压后的电压以及三相逆变器的A、B、C端经分压后的电压输入到DSP控制器。本发明电路简单，硬件电路无需滤波、无需构建虚拟中性点，也无需延时30度，只需要几个分压电阻和一个DSP芯片，采样直流母线电压作为参考电压，再采样三相输出电压即可。

Description

一种无刷直流电机转子位置检测电路及检测方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机转子位置检测电路及检测方法。
背景技术
无刷直流电机具有高效率、高功率度以及维护方便等优点，它们需要检测转子位置以保证电流和反电动势同步。
目前应用最广泛的无机械传感器的转子位置检测方法主要有反电动势过零点检测法、磁链估计法、基于观测器法等。其中反电动势过零点检测法是应用最广泛、技术最成熟的一种方法。该方法通过测量电机三相端电压，经PWM脉冲滤波电路后与构建的虚拟中性点相比较获得反电动势过零点信号，再经延时30度后获得换相点。这种方法存在以下缺陷：一是硬件电路复杂，尤其是比较电路，长期使用会导致零点漂移；二是滤波电路会导致反电势过零点延时，而这种延时又随着电机的速度变化而变换，造成换相时刻不准确，需要复杂的补偿方法；三是对补偿后的过零点需要延时30度才能获得换相时刻，而这个延时需要跟电机的速度变化不断调节才能保证其准确性，为消除端电压中的，需要加入低通滤波器，造成相位滞后，引起换相失准。
为了解决前述存在的问题，行业内提出了很多改进的方法，一类是通过在PWM开通或关断时采样反电势过零点，消除了PWM脉冲滤波电路，但仍需要延时30度才能获得换相时刻。第二类采用积分电路解决30度延时问题，但存在积分误差，导致准确性受到影响；第三类类是通过检测电机的线电压直接获得换相时刻，但滤波电路带来的相移问题问题仍然存在。因此有必要研究出新的解决办法。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种无刷直流电机转子位置检测电路及检测方法。
实现本发明目的的技术方案是一种无刷直流电机转子位置检测电路，采用三相逆变器为无刷直流电机供电，在三相逆变器的直流母线电压端和三相逆变器的A、B、C端分别设置由两个串联的电阻构成的四组电阻分压网络，所述直流母线电压端经分压后的电压以及三相逆变器的A、B、C端经分压后的电压输入到DSP控制器。所述三相逆变器的PWM频率20Hz，采样时间5us。所述DSP控制器采用TMS320LF2407。所述四组分压网络中的8个电阻的阻值均为10K。
对应的，一种无刷直流电机转子位置检测方法，所述方法包括：
设置检测电路；获得三相逆变器的直流母线电压端的参考电压Vdc；
在PWM-ON时刻采样三相逆变器的非导通相端的电压；
存储采样时刻；
对采样电压与参考电压进行比较，获得非导通相反电势的正最大值或负最大值及相应采样时刻；
该正最大值和负最大值对应的采样时刻即为非导通相的换相时刻。
检测A相开关管换相时刻的方法为：在C相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样A相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势负最大值-ken的采样A相电压，其对应的时刻为A相下桥臂开关管换相时刻；
在C相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样A相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势正最大值ken的采样A相电压，其对应的时刻即为A相上桥臂开关管换相时刻；
检测B相开关管换相时刻的方法为：在A相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样B相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势负最大值-ken的采样B相电压，其对应的时刻为B相下桥臂开关管换相时刻；
在A相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样B相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势正最大值ken的采样B相电压，其对应的时刻即为B相上桥臂开关管换相时刻；
检测C相开关管换相时刻的方法为：在B相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样C相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势负最大值-ken的采样C相电压，其对应的时刻为C相下桥臂开关管换相时刻；
在B相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样C相电压，对采样电压与参考电压进行比较，找到等于反电动势正最大值ken的采样C相电压，其对应的时刻即为C相上桥臂开关管换相时刻。
在确定A相下桥臂开关管换相时刻时，将采样A相电压与上一个采样时刻采样的A相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样A相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc逐一与-ken比较，寻找等于-ken的时刻；
在确定A相上桥臂开关管换相时刻时，将采样A相电压与上一个采样时刻采样的A相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样A相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相电压逐一与ken比较，寻找等于ken的时刻。
在确定B相下桥臂开关管换相时刻时，将采样B相电压设与上一个采样时刻采样的B相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样B相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc逐一与-ken比较，寻找等于-ken的时刻；
在确定B相上桥臂开关管换相时刻时，将采样B相电压设与上一个采样时刻采样的B相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样B相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相电压逐一与ken比较，寻找等于ken的时刻。
在确定C相下桥臂开关管换相时刻时，将采样C相电压设与上一个采样时刻采样的C相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样C相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc逐一与-ken比较，寻找等于-ken的时刻；
在确定C相上桥臂开关管换相时刻时，将采样C相电压设与上一个采样时刻采样的C相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样C相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相电压逐一与ken比较，寻找等于ken的时刻。
本发明的原理是：如图1所示，无刷直流电机采用三相逆变器供电，每相绕组通电120度。为了调节电机转速，逆变器桥臂的每个开关管采用前60度恒通、后60度脉宽调制的控制方式。因此，在一个360度电角度周期内，每相有6个阶段，每个阶段占60度只有两相导通，另外一相不导通。反电势、开关管控制信号和A相端电压波形见图2，为了保证电机以最大转矩运行，必须要在要在CPxu、CPxd(x＝a、b、c)六个时刻准确换相。而从图2可知，当某相的反电势从正最大值ken逐渐变到负最大值-ken时刻，这时刻正是切换到该相下桥臂开关管导通的时刻CPxd(x＝a，b，c)，当某相的反电势从负最大值-ken逐渐变到正最大值ken时刻，这时刻正是切换到该相上桥臂开关管导通的时刻CPxu(x＝a，b，c)，其中ke为反电势系数，n为电机转速。
由此可见，在BC两相导通、A相不导通阶段，C相下桥臂开关管PWM调制，A相反电势ea由正的最大值逐渐变到负的最大值，当变到负的最大值时，换相到A相下桥臂导通，这个阶段A相端电压Va为：
在PWM＝ON时，Va-Vdc/2＝ea，即Va＜Vdc/2，ea＜0
在PWM＝OFF时，Va＝Vdc (ea＞0)
Va-Vdc＝ea (ea＜0)
从上述算式中可以看出，在C相下桥臂开关管PWM-ON时，Va-Vdc/2始终为ea，而在C相下桥臂开关管PWM-OFF时，在Va＜Vdc/2，Va-Vdc始终为ea。因此在C相下桥臂开关管PWM-ON下降沿采样Va，当Va＜Vdc/2时，表明ea＜0，转换到在C相下桥臂开关管PWM-ON下降沿采样并计算Va-Vdc/2，而在C相下桥臂开关管PWM-OFF下降沿采样并计算Va-Vdc，当Va-Vdc/2或者Va-Vdc等于-ken时，此时对应的采样时刻即为A相下桥臂开关管换相时刻。
在CB两相导通、A相不导通阶段，C相上桥臂开关管PWM调制，这个阶段A相端电压Va为：
在PWM＝ON时，Va-Vdc/2＝ea，即Va＞Vdc/2，ea＞0
在PWM＝OFF时，Va＝ea (ea＞0)
Va＝0 (ea＜0)
从上述公式中可以看出，在C相上桥臂开关管PWM-ON时，Va-Vdc/2始终为ea，而在C相上桥臂开关管PWM-OFF时，在Va＞Vdc/2，Va始终为ea。因此在C相上桥臂开关管PWM-ON下降沿采样Va，当Va＞Vdc/2时，表明ea＞0，转换到在C相上桥臂开关管PWM-ON下降沿采样并计算Va-Vdc/2，而在C相上桥臂开关管PWM-OFF下降沿采样Va，当Va-Vdc/2或者Va等于ken时，此时对应的采样时刻即为A相上桥臂开关管换相时刻。
B相和C相上下桥臂开关管换相时刻获得的方法同上。因此根据前述原理，在PWM-ON、PWM-OFF时刻采样非导通相端电压，通过对采样的电压进行计算与比较，获得非导通相反电势的正最大值或负最大值对应时刻，从而获得非导通相换相时刻。
采用了上述技术方案后，本发明具有积极的效果：(1)本发明电路简单，硬件电路无需滤波、无需构建虚拟中性点，也无需延时30度，只需要四个分压电路和一个DSP芯片，采样直流母线电压作为参考电压，再采样三相输出电压即可，没有相移，不受续流二极管的影响，能在5％-98％电机额定速度范围内直接准确获得换相时刻。
(2)本发明的方法在PWM-ON、PWM-OFF时刻采样非导通相端电压，通过对采样的电压进行计算与比较，获得非导通相反电势的正最大值或负最大值对应时刻，从而获得非导通相换相时刻，方便且准确，不受续流的影响。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为现有技术中的无刷直流电机驱动电路。
图2为图1的反电势、开关管控制信号和A相端电压波形图。
图3为本发明的电路图。
图4为本发明方法中确定不导通相下桥臂开关管换相时刻的流程图。
图5为本发明方法中确定不导通相上桥臂开关管换相时刻的流程图。
具体实施方式
(实施例1)
本实施例先构建图3所示的电路，采用三相逆变器为无刷直流电机供电，在三相逆变器的直流母线电压端和三相逆变器的A、B、C端分别设置由两个串联的电阻构成的四组电阻分压网络，直流母线电压端经分压后的电压以及三相逆变器的A、B、C端经分压后的电压输入到DSP控制器TMS320LF2407的四个A/D模数转换端。四组分压网络中的8个电阻的阻值均为10K。
电路设置好后，三相逆变器开始工作，PWM频率20Hz，采样时间5us，控制方式采用前60度恒通、后60度PWM，电机反电势系数ke为0.20V/rpm。实时获得三相逆变器的直流母线电压端的参考电压Vdc；
在C相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样A相电压，将采样A相电压与上一个采样时刻采样的A相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样A相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc不断与-ken比较，如等于-ken时，此时对应的采样时刻即为A相下桥臂开关管换相时刻。
在C相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样A相电压，将采样A相电压与上一个采样时刻采样的A相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样A相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相电压不断与ken比较，如等于ken时，则对应的时刻即为A相上桥臂开关管换相时刻。
在A相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样B相电压，将采样B相电压设与上一个采样时刻采样的B相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样B相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc不断与-ken比较，如等于-ken时，则对应的时刻即为B相下桥臂开关管换相时刻；
在A相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样B相电压，将采样B相电压设与上一个采样时刻采样的B相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样B相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相电压不断与ken比较，如等于ken时，则对应的时刻即为B相上桥臂开关管换相时刻。
检测C相开关管换相时刻的方法为：在B相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样C相电压，将采样C相电压设与上一个采样时刻采样的C相非零电压和Vdc/2进行比较，当采样电压小于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样C相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc不断与-ken比较，如等于-ken时，则对应的时刻即为C相下桥臂开关管换相时刻；
在B相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得采样C相电压，将采样C相电压设与上一个采样时刻采样的C相非Vdc电压和Vdc/2进行比较，当采样电压大于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿采样C相电压，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相电压不断与ken比较，如等于ken时，则对应的时刻即为C相上桥臂开关管换相时刻。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机转子位置检测方法，其特征在于，所述方法包括：
设置检测电路；获得三相逆变器的直流母线电压端的参考电压Vdc；
在PWM-ON、PWM-OFF时刻采样三相逆变器的非导通相端的电压；
存储采样时刻；
在C相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得A相采样电压，将A相采样电压与Vdc/2进行比较，当A相采样电压小于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对A相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相采样电压减去Vdc不断与反电势负最大值-ken比较，如等于反电势负最大值-ken时，此时对应的采样时刻即为A相下桥臂开关管换相时刻；
在C相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得A相采样电压，将A相采样电压与Vdc/2进行比较，当A相采样电压大于Vdc/2时，转换为在C相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对A相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的A相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的A相采样电压不断与反电势正最大值ken比较，如等于反电势正最大值ken时，则对应的时刻即为A相上桥臂开关管换相时刻；
在A相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得B相采样电压，将B相采样电压设与Vdc/2进行比较，当B相采样电压小于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对B相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相采样电压减去Vdc不断与反电势负最大值-ken比较，如等于反电势负最大值-ken时，则对应的时刻即为B相下桥臂开关管换相时刻；
在A相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得B相采样电压，将B相采样电压设与Vdc/2进行比较，当采样采样电压大于Vdc/2时，转换为在A相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对B相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的B相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的B相采样电压不断与反电势正最大值ken比较，如等于反电势正最大值ken时，则对应的时刻即为B相上桥臂开关管换相时刻；
检测C相开关管换相时刻的方法为：在B相下桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得C相采样电压，将C相采样电压设与Vdc/2进行比较，当C相采样电压小于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对C相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相采样电压减去Vdc不断与反电势负最大值-ken比较，如等于反电势负最大值-ken时，则对应的时刻即为C相下桥臂开关管换相时刻；
在B相上桥臂开关管PWM-ON的每个下降沿采样，获得C相采样电压，将C相采样电压设与Vdc/2进行比较，当C相采样电压大于Vdc/2时，转换为在B相下桥臂开关管PWM-ON与PWM-OFF的每个下降沿对C相电压采样，将PWM-ON的每个下降沿采样的C相采样电压减去Vdc/2与将PWM-OFF的每个下降沿采样的C相采样电压不断与反电势正最大值ken比较，如等于反电势正最大值ken时，则对应的时刻即为C相上桥臂开关管换相时刻。
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