CN112769362A - 一种电机的反电动势检测装置及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的反电动势检测装置及电机，该装置包括：第一检测单元，被配置为检测电机的U相的反电动势，作为U相检测电位；第二检测单元，被配置为检测电机的V相的反电动势，作为V相检测电位；第三检测单元，被配置为检测电机的W相的反电动势，作为W相检测电位；其中，第一检测单元能够与第二检测单元和第三检测单元耦合，产生电机的中性点电位作为参考电位，以基于参考电位，根据U相检测电位、V相检测电位和W相检测电位，确定电机的换相时刻。该方案，通过设置反电动势检测电路，利用反电动势检测电路检测电机的反电动势，根据反电动势实现电机的转子定位，降低无刷直流电机的转子定位难度。

Description

一种电机的反电动势检测装置及电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机的反电动势检测装置及电机，尤其涉及一种反电动势检测电路、以及能够应用该反电动势检测电路检测自身反电动势的电机(如永磁无刷直流电机)。

背景技术

无刷直流电机的工作原理，必须有和转子磁场位置相关的信息，以控制器逆变器中功率器件的开或关，实现定子绕组的换相。无刷直流电机换相时，需要检测转子位置信息，但转子位置信息的检测难度较大。

相关方案中，无刷直流电机的转子位置信息，是采用机电式或电子式传感器直接检测，如采用霍尔传感器、光电传感器等直接检测。方波无刷直流电机(即以方波驱动的无刷直流电机)的结构及控制电路相对简单，但位置传感器的存在导致了加工工序的增加以及多引线，并且往往会增加方波无刷直流电机的体积。

无刷直流电机的无位置传感技术日趋成熟，在许多非伺服的场合得到了广泛的应用。无位置传感无刷直流电机的基本特点是：在无位置传感无刷直流电机运转的过程中，作为逆变桥的功率器件换向时，其换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只是转子位置信号是通过对已知的电磁参数进行处理而得到的，不再由额外安装的位置传感器来提供，但无刷直流电机的转子定位难度较大。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电机的反电动势检测装置及电机，以解决无刷直流电机的转子定位难度较大的问题，达到通过设置反电动势检测电路，利用反电动势检测电路检测电机的反电动势，根据反电动势实现电机的转子定位，降低无刷直流电机的转子定位难度的效果。

本发明提供一种电机的反电动势检测装置，包括：第一检测单元、第二检测单元和第三检测单元；其中，所述第一检测单元，被配置为检测所述电机的U相的反电动势，作为U相检测电位；所述第二检测单元，被配置为检测所述电机的V相的反电动势，作为V相检测电位；所述第三检测单元，被配置为检测所述电机的W相的反电动势，作为W相检测电位；其中，所述第一检测单元能够与所述第二检测单元和所述第三检测单元耦合，产生所述电机的中性点电位作为参考电位，以基于所述参考电位，根据所述U相检测电位、所述V相检测电位和所述W相检测电位，确定所述电机的换相时刻。

在一些实施方式中，所述所述第一检测单元、所述所述第二检测单元和所述所述第三检测单元的结构相同。

在一些实施方式中，所述第一检测单元，包括：分压模块、滤波模块、比较模块和隔离模块；其中，所述分压模块，被配置为对所述电机的U相端电压进行分压处理，得到第一电压；所述滤波模块，被配置为对所述第一电压进行滤波处理，得到第二电压；所述第二电压，输入至所述比较模块的同相输入端；所述第二电压，还经所述比较模块的反相输入端，耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元，以产生所述电机的中性点电位作为参考电位；所述比较模块，被配置为根据所述第二电压和所述参考电压设置翻转点，作为所述电机的U相的换相时刻；所述隔离模块，被配置为对所述翻转点的电压和外部电源进行电气隔离处理。

在一些实施方式中，所述分压模块，包括：第一分压子模块和第二分压子模块；其中，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块串联，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端作为所述第一电压的输出端；所述电机的U相端电压，经所述第一分压子模块和所述第二分压子模块后，输出所述第一电压。

在一些实施方式中，所述滤波模块，包括：第一滤波子模块；所述第一滤波子模块，包括：一阶低通滤波器；所述一阶低通滤波器，被配置为对所述第一电压进行深度滤波。

在一些实施方式中，所述滤波模块，还包括：第二滤波子模块；所述第二滤波子模块，包括：电容模块；所述电容模块，被配置为在所述第一滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波后，再进行隔直处理。

在一些实施方式中，所述滤波模块，还包括：第三滤波子模块；所述第三滤波子模块，包括：RC滤波器；所述RC滤波器，被配置为在所述第一滤波子模块和所述第二滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波和隔直处理后，进行干扰信号的滤除。

在一些实施方式中，所述比较模块，包括：比较器和钳位模块；所述第二电压，经所述比较器的同相输入端的限流模块后，输入至所述比较器的同相输入端；所述第二电压，还经所述比较器的反相输入端的限流模块后，能够输入所述第二电压，并耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元；所述比较器的输出端，连接至所述隔离模块。

在一些实施方式中，所述隔离模块，包括：光耦；所述光耦中二极管侧的阴极，连接至所述比较模块的输出端；所述光耦中二极管侧的阳极，接第一直流电源；所述光耦中晶体管侧的集电极，接第二直流电源；所述光耦中晶体管侧的发射极，接信号地。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机，包括：以上所述的电机的反电动势检测装置。

由此，本发明的方案，通过设置反电动势检测电路，对电机的反电动势进行检测，以获取永磁转子的关键位置信号作为转子位置信息，从而根据转子位置信息控制绕组电流的切换，实现电机的运转控制，从而，通过利用反电动势检测电路检测电机的反电动势，根据反电动势实现电机的转子定位，降低无刷直流电机的转子定位难度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电机的反电动势检测装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的反电动势检测电路的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种电机的反电动势检测装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该电机的反电动势检测装置可以包括：第一检测单元(如针对U相的U相反电势检测单元)、第二检测单元(如针对V相的V相反电动势检测单元)和第三检测单元(如针对W相的W相反电动势检测单元)。其中，

所述第一检测单元，被配置为检测所述电机的U相的反电动势，作为U相检测电位。

所述第二检测单元，被配置为检测所述电机的V相的反电动势，作为V相检测电位。

所述第三检测单元，被配置为检测所述电机的W相的反电动势，作为W相检测电位。

其中，所述第一检测单元能够与所述第二检测单元和所述第三检测单元耦合，产生所述电机的中性点电位作为参考电位，以基于所述参考电位，根据所述U相检测电位、所述V相检测电位和所述W相检测电位，确定所述电机的换相时刻。

具体地，以三相六状态120°通电方式运行的无刷直流电机为例，电机在任意时刻总是两相通电工作，另一相绕组的悬浮地不导通，这时候非导通绕组的端电压或相电压就反映出该绕组的感应电动势。

由此，通过设置反电动势检测电路，对电机的反电动势进行检测，以获取永磁转子的关键位置信号作为转子位置信息，从而根据转子位置信息控制绕组电流的切换，实现电机的运转控制，解决了无刷直流电机的转子定位难度较大的问题，更具体是解决了由于空间等限定因素必须使用无位置传感器的电机(如压缩机中的电机)，而无位置传感器的电机转子定位时需要根据反电动势进行转子定位，但无位置传感器的电机的反电动势的检测难度较大的问题。

在一些实施方式中，所述所述第一检测单元、所述所述第二检测单元和所述所述第三检测单元的结构相同。

由此，通过设置反电动势检测电路，应用在无刷直流无传感器电机(如压缩机中的电机)中，实现了通过检测反电动势获取转子位置信息，采用反电动势检测法来代替位置传感器检测，电路结构简单，减少了控制器布局及走线，节省了PCB板空间，便于PCB板和本体安装。从而，采用无位置方案来控制绕组电流的切换，解决了在某些特定使用场合受空间及结构等影响而无法使用位置传感器来定位转子位置的电机(如压缩机中的电机)，从根本上解决了受外部结构影响无法使用传感器来解决电机换向的问题，使用范围广。

在一些实施方式中，所述第一检测单元，包括：分压模块、滤波模块、比较模块和隔离模块。

其中，所述分压模块，被配置为对所述电机的U相端电压进行分压处理，得到第一电压。

在一些实施方式中，所述分压模块，包括：第一分压子模块(如电阻R11)和第二分压子模块(如电阻R12)。

其中，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块串联，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端作为所述第一电压的输出端。所述电机的U相端电压，经所述第一分压子模块和所述第二分压子模块后，输出所述第一电压。

具体地，U相端电压经过电阻R11和电阻R12进行分压降压。电阻R11和电阻R12为分压电阻，分压电阻的值根据实际使用来选择。

所述滤波模块，被配置为对所述第一电压进行滤波处理，得到第二电压。所述第二电压，输入至所述比较模块的同相输入端。所述第二电压，还经所述比较模块的反相输入端，耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元，以产生所述电机的中性点电位作为参考电位。

在一些实施方式中，所述滤波模块，包括：第一滤波子模块。所述第一滤波子模块，包括：一阶低通滤波器。

所述一阶低通滤波器，被配置为对所述第一电压进行深度滤波。

具体地，U相端电压经过电阻R11和电阻R12进行分压降压，然后经过一阶低通滤波器进行深度滤波，使其产生近90°的滞后相移。其中，电阻R11和电阻R12构成分压单元，由电阻R11、电阻R12和单人C11构成一阶低通滤波器。该一阶低通滤波器的滞后相角极限值为90°电角度，电容C11选择较大容值。滞后角度和滞后时间随着电机转速增加而增大，故电机转速越高时，滞后相角接近90°。

在一些实施方式中，所述滤波模块，还包括：第二滤波子模块。所述第二滤波子模块，包括：电容模块(如电容C12)。

所述电容模块，被配置为在所述第一滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波后，再进行隔直处理。

具体地，经过电容C12隔直处理，用来消除三相电压不对称所引起的过零点漂移。

在一些实施方式中，所述滤波模块，还包括：第三滤波子模块。所述第三滤波子模块，包括：RC滤波器。

所述RC滤波器，被配置为在所述第一滤波子模块和所述第二滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波和隔直处理后，进行干扰信号的滤除。

具体地，经过一次RC滤波(如电阻R15和电容C13的RC滤波器)处理，主要是用来消除高频信号的干扰，基本不产生相位滞后。电阻R15和电容C13起到滤波作用，主要用来通过低频信号，滤除掉高频干扰信号，可根据电机设置的截止频率来设置具体的数值。

所述比较模块，被配置为根据所述第二电压和所述参考电压设置翻转点，作为所述电机的U相的换相时刻。

在一些实施方式中，所述比较模块，包括：比较器(如比较器U11)和钳位模块(如钳位二极管D1)。

其中，所述第二电压，经所述比较器的同相输入端的限流模块(如电阻R15)后，输入至所述比较器的同相输入端。

所述第二电压，还经所述比较器的反相输入端的限流模块(如电阻R14)后，能够输入所述第二电压，并耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元。

所述比较器的输出端，连接至所述隔离模块。

具体地，经过一次RC滤波后，输出的一路接到比较器U11的同相输入端，另一路经电阻R14与其他两相耦合，产生电机的中性点电位作为参考电位，接到三个比较器(如比较器U11、比较器U21和比较器U31)的反相输入端。比较器(如比较器U11、比较器U21和比较器U31)的翻转点滞后，反电动势过零点约90°电角度，即比较器(如比较器U1、比较器U2和比较器U3)的翻转点对应电机的换相时刻。比较器U11、比较器U21和比较器U31，能够提供翻转参考电位。

所述隔离模块，被配置为对所述翻转点的电压和外部电源进行电气隔离处理。

具体地，每一路反电动势检测单元中，采用了低通滤波器来滤除，并使相位滞后90°，能够减少电枢反应感应电动势成分。采用比较器设置翻转点，输出电机换相时刻。采用光耦隔离，将外部控制电源和比较器电源进行电气隔离，使电路性能更安全。

在一些实施方式中，所述隔离模块，包括：光耦。

所述光耦中二极管侧的阴极，连接至所述比较模块的输出端。所述光耦中二极管侧的阳极，接第一直流电源(如+15V)。所述光耦中晶体管侧的集电极，接第二直流电源(如5V)。所述光耦中晶体管侧的发射极，接信号地。

具体地，光耦U1、光耦U2及光耦U3起到信号输入输出电隔离作用。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过设置反电动势检测电路，对电机的反电动势进行检测，以获取永磁转子的关键位置信号作为转子位置信息，从而根据转子位置信息控制绕组电流的切换，实现电机的运转控制，从而，通过利用反电动势检测电路检测电机的反电动势，根据反电动势实现电机的转子定位，降低无刷直流电机的转子定位难度。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的反电动势检测装置的一种电机。该电机可以包括：以上所述的电机的反电动势检测装置。

无刷直流电机(如永磁无刷直流电机)的绕组反电动势含有转子位置信息，因此被用于无传感器控制，应用于无传感器控制的反电势和三次谐波电动势中，反电动势的检测方法有反电动势过零法、反电动势积分及参考电压比较法、反电动势积分及锁相环法、续流二极管法等。但这些方法的实现难度较大，应用条件苛刻或检测误差较大等缘故，应用都不是很广泛。

在一些实施方式中，本发明的方案，提供了一种反电动势检测电路，通过设置反电动势检测电路，对电机的反电动势进行检测，以获取永磁转子的关键位置信号作为转子位置信息，从而根据转子位置信息控制绕组电流的切换，实现电机的运转控制，解决了无刷直流电机的转子定位难度较大的问题，更具体是解决了由于空间等限定因素必须使用无位置传感器的电机(如压缩机中的电机)，而无位置传感器的电机转子定位时需要根据反电动势进行转子定位，但无位置传感器的电机的反电动势的检测难度较大的问题。

本发明的方案，设计一种简单反电动势检测电路，应用在无刷直流无传感器电机(如压缩机中的电机)中，实现了通过检测反电动势获取转子位置信息。从而，采用无位置方案来控制绕组电流的切换，解决了在某些特定使用场合受空间及结构等影响而无法使用位置传感器来定位转子位置的电机(如压缩机中的电机)，从根本上解决了受外部结构影响无法使用传感器来解决电机换向的问题，使用范围广。

本发明的方案，设计一种简单反电动势检测电路，此电路取代了传统的机械位置传感器，可靠性高。采用反电动势检测法来代替位置传感器检测，电路结构简单，减少了控制器布局及走线，节省了PCB板空间，便于PCB板和本体安装。由于布局及走线减少，电磁干扰也相对较小，提升了控制器性能，成本降低。

本发明的方案，设计一种简单反电动势检测电路，主要采用低通滤波器、比较器和电容组成角度滞后电路，可使用在电机(如压缩机中的电机)中进行转子定位，后级电路添加光耦进行电气隔离，电路安全性高。采用反电动势检测法，PCB板器件减少，电路简单，电磁干扰降低，电机在恶劣的环境下，可靠性相对更高。

下面结合图2所示的例子，对本发明的方案的具体实现方式进行示例性说明。

以三相六状态120°通电方式运行的无刷直流电机为例，电机在任意时刻总是两相通电工作，另一相绕组的悬浮地不导通，这时候非导通绕组的端电压或相电压就反映出该绕组的感应电动势。严格来说，反电动势检测法适用于电枢反应电动势比较小的电机，例如表贴式转子的情况。有些无刷直流电机中电枢反应比较强，使得非导通相的感应电动势包含较大的电枢反应电动势成分，此时从端电压中提取反电动势过零点就存在较大的误差，往往带有很多噪声干扰信号，需用低通滤波器滤除。如果一相反电动势过零点定义为0°，为可获得尽可能大的电机转矩输出，同一相的反电动势和电流应当同相位。所以，正确换相点应当延后30°处，也就是说，在相反电动势过零点30°时刻，就是该相换相点出现的时刻。

图2为本发明的反电动势检测电路的一实施例的结构示意图。如图2所示，反电动势检测电路，包括：针对电机的三相(即U相、V相、W相)设置的三路反电动势检测单元，如针对U相的U相反电势检测单元，针对V相的V相反电动势检测单元，针对W相的W相反电动势检测单元。

三路反电动势检测单元的结构相同。第一路反电动势检测单元，主要包括：低通滤波器、比较器和光耦隔离模块。其中，采用了低通滤波器来滤除，并使相位滞后90°，能够减少电枢反应感应电动势成分；采用比较器设置翻转点，输出电机换相时刻；采用光耦隔离，将外部控制电源和比较器电源进行电气隔离，使电路性能更安全。

以U相为例，该反电动势检测电路的工作原理包括：

首先，U相端电压经过电阻R11和电阻R12进行分压降压，然后经过一阶低通滤波器进行深度滤波，使其产生近90°的滞后相移。其中，电阻R11和电阻R12构成分压单元，由电阻R11、电阻R12和单人C11构成一阶低通滤波器。

其次，再经过电容C12隔直处理，用来消除三相电压不对称所引起的过零点漂移。

然后，再经过一次RC滤波(如电阻R15和电容C13的RC滤波器)处理，主要是用来消除高频信号的干扰，基本不产生相位滞后。经过一次RC滤波后，输出的一路接到比较器U11的同相输入端，另一路经电阻R14与其他两相耦合，产生电机的中性点电位作为参考电位，接到三个比较器(如比较器U11、比较器U21和比较器U31)的反相输入端。比较器(如比较器U11、比较器U21和比较器U31)的翻转点滞后，反电动势过零点约90°电角度，即比较器(如比较器U1、比较器U2和比较器U3)的翻转点对应电机的换相时刻。

其中，由电阻R11、电阻R12和电容C11构成的一阶低通滤波器，该一阶低通滤波器的滞后相角极限值为90°电角度，电容C11选择较大容值。滞后角度和滞后时间随着电机转速增加而增大，故电机转速越高时，滞后相角接近90°。V相和W相的电路功能与U相一致。

电阻R11和电阻R12为分压电阻，分压电阻的值根据实际使用来选择，不做强制要求。电阻R15和电容C13起到滤波作用，主要用来通过低频信号，滤除掉高频干扰信号，可根据电机设置的截止频率来设置具体的数值；电容C12的作用为隔直通交。比较器U11、比较器U21和比较器U31，能够提供翻转参考电位；光耦U1、光耦U2及光耦U3起到信号输入输出电隔离作用。

由于本实施例的电机所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过设置反电动势检测电路，对电机的反电动势进行检测，以获取永磁转子的关键位置信号作为转子位置信息，从而根据转子位置信息控制绕组电流的切换，实现电机的运转控制，降低了电机定位难度，且安装结构简单，电磁干扰少。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电机的反电动势检测装置，其特征在于，包括：第一检测单元、第二检测单元和第三检测单元；其中，

所述第一检测单元，被配置为检测所述电机的U相的反电动势，作为U相检测电位；

所述第二检测单元，被配置为检测所述电机的V相的反电动势，作为V相检测电位；

所述第三检测单元，被配置为检测所述电机的W相的反电动势，作为W相检测电位；

其中，所述第一检测单元能够与所述第二检测单元和所述第三检测单元耦合，产生所述电机的中性点电位作为参考电位，以基于所述参考电位，根据所述U相检测电位、所述V相检测电位和所述W相检测电位，确定所述电机的换相时刻。

2.根据权利要求1所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述所述第一检测单元、所述所述第二检测单元和所述所述第三检测单元的结构相同。

3.根据权利要求2所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述第一检测单元，包括：分压模块、滤波模块、比较模块和隔离模块；其中，

所述分压模块，被配置为对所述电机的U相端电压进行分压处理，得到第一电压；

所述滤波模块，被配置为对所述第一电压进行滤波处理，得到第二电压；所述第二电压，输入至所述比较模块的同相输入端；所述第二电压，还经所述比较模块的反相输入端，耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元，以产生所述电机的中性点电位作为参考电位；

所述比较模块，被配置为根据所述第二电压和所述参考电压设置翻转点，作为所述电机的U相的换相时刻；

所述隔离模块，被配置为对所述翻转点的电压和外部电源进行电气隔离处理。

4.根据权利要求3所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述分压模块，包括：第一分压子模块和第二分压子模块；

其中，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块串联，所述第一分压子模块和所述第二分压子模块的公共端作为所述第一电压的输出端；所述电机的U相端电压，经所述第一分压子模块和所述第二分压子模块后，输出所述第一电压。

5.根据权利要求3所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述滤波模块，包括：第一滤波子模块；所述第一滤波子模块，包括：一阶低通滤波器；

所述一阶低通滤波器，被配置为对所述第一电压进行深度滤波。

6.根据权利要求5所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述滤波模块，还包括：第二滤波子模块；所述第二滤波子模块，包括：电容模块；

所述电容模块，被配置为在所述第一滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波后，再进行隔直处理。

7.根据权利要求6所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述滤波模块，还包括：第三滤波子模块；所述第三滤波子模块，包括：RC滤波器；

所述RC滤波器，被配置为在所述第一滤波子模块和所述第二滤波子模块对所述第一电压进行深度滤波和隔直处理后，进行干扰信号的滤除。

8.根据权利要求3所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述比较模块，包括：比较器和钳位模块；

所述第二电压，经所述比较器的同相输入端的限流模块后，输入至所述比较器的同相输入端；

所述第二电压，还经所述比较器的反相输入端的限流模块后，能够输入所述第二电压，并耦合至所述第二检测单元和所述第三检测单元；

所述比较器的输出端，连接至所述隔离模块。

9.根据权利要求3所述的电机的反电动势检测装置，其特征在于，所述隔离模块，包括：光耦；

所述光耦中二极管侧的阴极，连接至所述比较模块的输出端；所述光耦中二极管侧的阳极，接第一直流电源；所述光耦中晶体管侧的集电极，接第二直流电源；所述光耦中晶体管侧的发射极，接信号地。

10.一种电机，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一项所述的电机的反电动势检测装置。

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