CN110557057B - 一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，包括：浮地电源电路、过零点比较电路、逻辑电平平移电路；所述浮地电源电路，与所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路连接，用于给所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路提供电能；所述过零点比较电路，用于判断是否存在过零时点，若存在，则输出浮地逻辑电平；所述逻辑电平平移电路，与所述过零点比较电路连接，用于将过零点比较电路输出的浮地逻辑电平转换成以控制系统地GND为参考的逻辑电平输出。本发明无衰减地取得悬浮相的反电动势输入到电压比较器，实现准确的过零时点的检测，适用于无位置传感器120°方波的永磁直流无刷电机的驱动系统。

Description

一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路

技术领域

本发明涉及无传感器的直流无刷电机驱动技术领域，尤其涉及一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路。

背景技术

三相永磁直流无刷电机，简称BLDC，要对其进行驱动，需要准确的知道永磁转子磁场方向角的实时位置，才能在定子上建立合适相位的旋转磁场使之拖动永磁电子旋转。最简单的办法，是直接用霍尔传感器来检测转子的位置。但需要增加成本以及结构复杂性，甚至在某些应用领域因工作环境的限制而无法实现。鉴于有位置传感器驱动方案的各种弊端，业界一直追求无位置传感器的驱动方案。

永磁转子旋转时的瞬时位置，相对于无刷直流电机的定子反电动势的交流波形相位。这种交流波形的过零点就是这个波形的特征点，如果能准确的抓取到这个过零点，就可以获取永磁转子的准确实时位置。

一般的做法是，将电机的任一相电压，通过分压电阻降压后，直接给到硬件电压比较器电路，与电机中性点电压比较，即可抓取到某悬浮相电压的过零点。电机的中性点电压，可以用星形连接的三只相同阻值的电阻来虚拟得到，三只电阻的公共端即是虚拟得到的电机中性点，各个电阻另一端分别接电机的三相线。如图1所示。

对于低速低压电机，这个办法是可靠的，能准确检测到电机反电动势的过零点。但是，对于高压高速电机，这种检测办法分辨率极低，因为比较器电路都是低压电子电路，能承受的信号电压很低，对于高压PWM调制的相线端电压，需要用很大比例的分压电路对相电压进行衰减后，才能输入到信号比较器，这同时也会大幅度衰减其中包括的反电动势的幅度，大大的降低了信噪比，而且高速电机在中低速运转时其反电动势的值相对于直流母线电压VDC来说很低，这进一步加大了检测的难度。

具体矛盾和问题阐明如下：

使用120°方波驱动永磁直流无刷电机时，任何时刻总有一相的端电压相对于系统地GND来说处于悬浮状态，即这一相的功率驱动桥路的上下桥臂均处于截止状态，没有电流流过这一相，其相反电动势由永磁转子的旋转磁场切割其定子绕组产生，检测悬浮相的反电动势的过零时点，即可知道永磁转子当前所处的角度位置。为了能准确地检测到悬浮相的反电动势的过零时点，对这个电压的采样衰减应尽可能小。而普通的方法，其采样及比较电路与控制系统共地，不可能将相电压直接输入到比较电路，因为相线端电压包含PWM脉宽调制，其最高幅度值等于高压直流母线VDC，远远超出了比较器电路所能承受的输入电压范围，如图2所示，因而必须进行大幅衰减。于是产生了一个矛盾。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路。无衰减地取得悬浮相的反电动势输入到电压比较器，实现准确的过零时点的检测。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，包括：浮地电源电路、过零点比较电路、逻辑电平平移电路；

所述浮地电源电路，与所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路连接，用于给所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路提供电能；

所述过零点比较电路，用于判断是否存在过零时点，若存在，则输出浮地逻辑电平；

所述逻辑电平平移电路，与所述过零点比较电路连接，用于将过零点比较电路输出的浮地逻辑电平转换成以控制系统地GND为参考的逻辑电平输出。

进一步的，所述浮地电源电路包括二极管D1、二极管D2、电容C1；所述二极管D1的一端与低压直流电源VCC连接，二极管D1的另一端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端与二极管D2的一端连接；所述二极管D2的另一端与电机的一相线连接；其中，所述低压直流电源VCC以系统地GND为参考，用于提供电能。

进一步的，所述过零点比较电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、比较器；所述电阻R1、电阻R2相连，且所述电阻R1、电阻R2的公共连接点与比较器的负输入端连接；比较器的正输入端与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端与电机的一相线连接；所述比较器用于比较接入比较器正负输入端信号电压的高低。

进一步的，所述逻辑电平平移电路包括光电耦合器，所述光电耦合器输入的信号来自所述过零点比较电路输出的浮地逻辑电平；所述光电耦合器输出信号为以控制系统地GND为参考的逻辑电平。

进一步的，所述电阻R1、电阻R2为阻值相同的电阻。

进一步的，所述过零点比较电路还包括钳位元件，所述钳位元件的两端接入所述比较器的正负输入端；所述钳位元件的钳位电压低于所述比较器的最大允许差分输入电压。

进一步的，所述钳位元件采用TVS瞬态抑制二极管、肖特基势垒二极管。

与现有技术相比，本发明无衰减地取得悬浮相的反电动势输入到电压比较器，实现准确的过零时点的检测，适用于无位置传感器120°方波的永磁直流无刷电机的驱动系统。

附图说明

图1是背景技术提供普通过零点电路拓扑图；

图2是背景技术提供某相电压波形示意图；

图3是实施例一提供的一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路拓补图；

图4是实施例一提供的驱动器功率电路与三相永磁直流无刷电机的连接拓扑图；

图5是实施例一提供一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路拓扑图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路。

实施例一

本实施例提供一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，如图3-5所示，包括：浮地电源电路、过零点比较电路、逻辑电平平移电路；

浮地电源电路，与过零点比较电路、逻辑电平平移电路连接，用于给过零点比较电路、逻辑电平平移电路提供电能；

过零点比较电路，用于判断是否存在过零时点，若存在，则输出浮地逻辑电平；

逻辑电平平移电路，与过零点比较电路连接，用于将过零点比较电路输出的浮地逻辑电平转换成以控制系统地GND为参考的逻辑电平输出。

在本实施例中，浮地电源电路包括二极管D1、二极管D2、电容C1；二极管D1的正极与低压直流电源VCC连接，二极管D1的负极与电容C1的正极连接；电容C1的负极与二极管D2的正极连接；二极管D2的负极与电机的某一相线连接；其中，低压直流电源VCC用于提供电能。

在本实施例中，低压直流电源VCC是以系统地GND为参考，用于给控制系统电子电路供电。

在本实施例中，过零点比较电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、比较器COMP1、钳位元件Z1；电阻R1、电阻R2相连，且电阻R1、电阻R2的公共连接点与比较器COMP1的负输入端连接；比较器COMP1的正输入端与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端与电机的某一相线连接；钳位元件Z1的正极与比较器COMP1的负输入端连接，钳位元件的负极与比较器COMP1的正输入端连接；比较器COMP1用于比较接入比较器正负输入端信号电压的高低。

在本实施例中，钳位元件的钳位电压低于比较器COMP1的最大允许差分输入电压。

在本实施例中，电阻R1、电阻R2为阻值相同的电阻。

在本实施例中，逻辑电平平移电路包括光电耦合器，所述光电耦合器输入的信号来自过零点比较电路输出的浮地逻辑电平；所述光电耦合器输出信号为以控制系统地GND为参考的逻辑电平。

在本实施例中，以U相为例具体说明：

二极管D1的一端与低压直流电源VCC连接，二极管D1的另一端与电容C1的一端连接；电容C1的另一端与二极管D2的一端连接；二极管D2的另一端与电机的U相连接。

当处于脉冲调制状态的U相电压相对于系统地GND为低电平时，即U相功率驱动桥路的下管导通时，二极管D1、D2导通，低压直流电源VCC通过二极管D1、D2给电容C1充电，经过多次充电后，电容C1两端的电压差与低压直流电源VCC的电压接近，此时即可作为辅助电源为内部其他电路提供电能。

当处于脉冲调制状态的U相电压相对于系统地GND为高电平时，即U相功率驱动桥路的上管导通时，U相的电压接近VDC，二极管D1、D2均截止，此时，通过电容C1作为辅助电源为负载提供电能，其参考地点位相对于控制系统参考地GND来说，处于浮动状态。

需要说明的是，当U相处于PWM调制状态时，其电压处于来回跳动的状态，此时需要一个可以随着其电压来回跳动的供电装置，因此，此时需要通过电容C1作为辅助电源为其提供电能。

在本实施例中，电阻R1、电阻R2为阻值相同的电阻，用于对U相电压进行分压，进一步连接到比较器COMP1的负输入端；比较器COMP1的正输入端与电阻R3的一端；电阻R3的一端与电机的一相线连接，在本实施例中，以V相为例，即电阻R3的一端与电机的V相线连接；钳位元件Z1的两端接入比较器COMP1的正负输入端，防止比较器COMP1输入过压。

具体原理如下所述：

在120°方波驱动状态下，当U相处于PWM调制状态时，其电压在VDC和GND之间来回跳变，而V相又处于悬浮状态时，则第三相W相的功率桥路必处于上桥臂或下桥臂恒通状态。

本实施例以W相的功率桥路处于下桥臂恒通状态为例具体说明：

当W相的功率桥路处于下桥臂恒通状态，即W相电位为系统地GND，那么电机中性点电位随着U相的PWM调制在1/2VDC和系统地GND之间来回跳变，此时当U相端电压等于VDC时，电机中性点电位为1/2VDC；当U相端电压等于GND时，电机中性点电位为GND。

当U相电压经过电阻R1、电阻R2后，此时U相电压进行电压，分压比为1/2，那么得到的电压也在1/2VDC和GND之间来回跳变，此时，当U相端电压等于VDC时，电阻R1、电阻R2的分压为1/2VDC；当U相端电压等于GND时，电阻R1、电阻R2的分压为GND。

通过上述分析，得到电阻R1、R2的分压准确的虚拟出了这一时段的电机中性点的电压，这个时段U相处于PWM调制状态、V相处于悬浮状态、W相处于下管恒通的状态。

虚拟出的电机中性点电压直接输入比较器COMP1的负输入端，而悬浮相V电压经过限流电阻R3连接到比较器COMP1的正输入端，因为比较器COMP1的输入阻抗极高，即流经限流电阻R3的电流几乎为零，R3上的压降几乎为零，所以V相电流几乎无衰减的输入比较器，与虚拟电机中性点电压进行比较，输出的结果为高逻辑电平或低逻辑电平，此时高逻辑电平或低逻辑电平的跳变时点即为悬浮相V相反电动势的过零时点。本实施例以最大电压可分辨度，极其精确的捕捉到悬浮相V相反电动势的过零时点。

本实施例中连接在比较器COMP1正负输入端的钳位元件Z1，其钳位电压小于比较器COMP1的最大允许差模输入电压，从而保护比较器COMP1，在其两端电压不超过钳位值时，其可视为开路，因此不影响比较结果，其中，钳位元件Z1可选用普通的稳压二极管、TVS瞬态抑制二极管、肖特基势垒二极管等。

在本实施例中，逻辑电平平移电路LLS1用于将过零点比较电路输出的浮地逻辑电平转换成以控制系统地GND为参考的逻辑电平输出到控制系统。如图5所示为具体的实施方法，比较器COMP1输出的逻辑电平通过限流电阻R4后，驱动光电耦合器OPC1，从OPC1的输出端得到以系统地GND为参考的逻辑电平OUT，输出到控制系统。

比较器COMP1的负输入端可直接与为比较器COMP1供电的内部浮地电源的负极相连，这样可避免比较器COMP1的负输入端超出其可承受的电压范围。

本实施例无衰减地取得悬浮相的反电动势输入到电压比较器，实现准确的过零时点的检测，适用于无位置传感器120°方波的永磁直流无刷电机的驱动系统。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，其特征在于，包括：浮地电源电路、过零点比较电路、逻辑电平平移电路；

所述浮地电源电路，与所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路连接，用于给所述过零点比较电路、逻辑电平平移电路提供电能；

所述过零点比较电路，用于判断是否存在过零时点，若存在，则输出浮地逻辑电平；

所述逻辑电平平移电路，与所述过零点比较电路连接，用于将过零点比较电路输出的浮地逻辑电平转换成以控制系统地GND为参考的逻辑电平输出；

所述浮地电源电路包括二极管D1、二极管D2、电容C1；所述二极管D1的一端与低压直流电源VCC连接，二极管D1的另一端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端与二极管D2的一端连接；所述二极管D2的另一端与电机的一相线连接；其中，所述低压直流电源VCC以系统地GND为参考，用于提供电能；

所述过零点比较电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、比较器；所述电阻R1、电阻R2相连，且所述电阻R1、电阻R2的公共连接点与比较器的负输入端连接；比较器的正输入端与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端与电机的一相线连接；所述比较器用于比较接入比较器正负输入端信号电压的高低；

电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端与电机的U相连接，电阻R3的另一端与电机的V相连接；

当U相电压经过电阻R1、电阻R2后，电阻R1、电阻R2对U相电压进行分压，分压比为1/2，那么得到的电压也在1/2VDC和GND之间来回跳变，此时，当U相端电压等于VDC时，电阻R1、电阻R2的分压为1/2VDC；当U相端电压等于GND时，电阻R1、电阻R2的分压为GND；

电阻R1、R2的分压准确的虚拟出了这一时段的电机中性点的电压，这个时段U相处于PWM调制状态、V相处于悬浮状态、W相处于下管恒通的状态；悬浮状态的V相电压经过电阻R3连接到比较器的正输入端，比较器的输入阻抗极高，流经限流电阻R3的电流几乎为零，电阻R3上的压降几乎为零，所以V相电流几乎无衰减的输入比较器，与虚拟电机中性点电压进行比较，输出的结果为高逻辑电平或低逻辑电平，此时高逻辑电平或低逻辑电平的跳变时点即为悬浮相V相反电动势的过零时点。

2.根据权利要求1所述的一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，其特征在于，所述逻辑电平平移电路包括光电耦合器，所述光电耦合器输入的信号来自所述过零点比较电路输出的浮地逻辑电平；所述光电耦合器输出信号为以控制系统地GND为参考的逻辑电平。

3.根据权利要求2所述的一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2为阻值相同的电阻。

4.根据权利要求3所述的一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，其特征在于，所述过零点比较电路还包括钳位元件，所述钳位元件的两端接入所述比较器的正负输入端；所述钳位元件的钳位电压低于所述比较器的最大允许差分输入电压。

5.根据权利要求4所述的一种永磁直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，其特征在于，所述钳位元件采用TVS瞬态抑制二极管、肖特基势垒二极管。

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