CN113131809A - 一种无刷直流电机的过零点检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无刷直流电机的过零点检测装置及方法，所述装置包括：输出三相桥，连接无刷直流电机的三相输入端；反电势检测电路，连接在无刷直流电机的三相输入端和微控制器之间；微控制器，连接所述输出三相桥，以及所述反电势检测电路，所述微控制器接收反电势检测电路检测的反电势信号，通过设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的所述反电势信号，并采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。本申请中开关电压毛刺干扰改为由软件处理，在消除开关噪声影响的同时，最大限度保证了过零点可采样区间，增加了高速应用中过零点的采样精度，并且也具有一定的操作灵活性。

Description

一种无刷直流电机的过零点检测装置及方法

技术领域

本申请属于无刷直流电机技术领域，具体涉及一种高速无刷直流电机的过零点检测装置及方法。

背景技术

无刷直流电机(BLDC)由于结构简单，效率高，去掉了电刷等优势，在小型电动工具、手持式的真空吸尘器和医疗设备等领域应用越来越广泛。传统的无刷直流电机的过零点检测方式分为两种：基于硬件比较器的过零点检测法，和基于AD采样端电压过零点检测法。前者需要额外添加比较器硬件电路、或需要内部集成比较器模块的MCU芯片，会增加产品成本。因此，对于无成本增加的AD过零点检出方案，更具产品通用性。

而对于AD过零点检出方案的实现，是通过MCU里的AD采样模块对电机三相端电压进行采样，并以Udc/2处作为反电势过零点进行换相操作。但是当系统处于PWM斩波控制状态时，由于Mosfet固有开关特性，会在开通和关断的瞬间产生瞬时的电压毛刺，而该电压毛刺会直接反映在端电压包络线波形上，会对AD过零点检测造成误检的情况，导致换相不均甚至失步。传统的方式是采用RC滤波电路来滤除开关电压毛刺，但是该方案最大的缺陷是会造成信号相位的滞后。在高速的应用场合中，过零点的检出周期都是微秒级别，对于信号延迟非常敏感。如果由于滤波导致过零点滞后检出，则会引起换相滞后，严重影响系统驱动效果。

发明内容

本申请的目的是通过以下技术方案实现的。

本申请提出一种无刷直流电机的过零点检测的装置及方法，在不增加成本的基础上，可以避开电压毛刺造成的影响，同时消除硬件滤波电路所带来的相位滞后，使得过零点能够最大限度的快速检出。

根据本申请的第一个方面，提出一种无刷直流电机的过零点检测装置，包括：输出三相桥，连接无刷直流电机的三相输入端；反电势检测电路，连接在无刷直流电机的三相输入端和微控制器之间；微控制器，连接所述输出三相桥，以及所述反电势检测电路，所述微控制器接收反电势检测电路检测的反电势信号，通过设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的所述反电势信号，并采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。

在本申请的一些实施例中，所述反电势检测电路包括六个电阻，分为三组，其中第一组包括两个串联电阻，第一电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第一端，第一电阻的另一端连接微控制器和第二电阻的一端；第二组包括两个串联电阻，第三电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第二端，第三电阻的另一端连接微控制器和第四电阻的一端；第三组包括两个串联电阻，第五电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第三端，第五电阻的另一端连接微控制器和第六电阻的一端。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：输入电压检测电路，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间，并连接所述微控制器。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：所述输入电压检测电路为两个串联的第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的一端连接输入电源的正极，另一端连接微控制器和第八电阻；所述第八电阻的一端连接第七电阻，另一端连接输入电极的阴极。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：电流检测电路，串联在输入电源的负极与所述输出三相桥之间，并连接所述微控制器。

在本申请的一些实施例中，所述电流检测电路为一个第九电阻，，所述第九电阻的一端连接输入电源的阴极，另一端与微控制器连接。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：直流母线支撑电容，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间。

根据本申请的第二个方面，提出一种无刷直流电机的过零点检测方法，包括：设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的所述反电势信号；采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。

在本申请的一些实施例中，通过设置定时器以控制所述采样的时间区间，包括：定时器向上计数，当定时器滴答值大于PWM占空值且小于屏蔽时段阈值时，或定时器向下计数，当定时器滴答值小于PWM占空值且大于屏蔽时段阈值时，不对过零点进行采样处理；其余时段进行过零点采样。

根据本申请的第三个方面，提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如第二个方面任一项所述的方法。

根据本申请的第四个方面，提出一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如第二个方面任一项所述的方法。

本申请的优点在于：

1.去除了三相端电压采样的滤波电容，降低成本的同时节省了空间，减小了布板面积，更有利于产品小型化的实现；

2.去除了一阶RC低通滤波器，使得三相端电压信号经过分压后直接送入MCU的AD采样端口进行采样。最大限度的还原了初始的电压信号，消除了由于硬件滤波所带来的信号滞后；

3.由于去除了低通滤波器，各开关频率、各转速段下的端电压硬件处理电路均能保持一致，系统通用性得以保证；

4.开关电压毛刺干扰改为由软件处理，在消除开关噪声影响的同时，最大限度保证了过零点可采样区间，增加了高速应用中过零点的采样精度，并且也具有一定的操作灵活性。

5.采用了简单的软件算法来进行端电压信号处理，适用于基于M0内核低成本芯片的高转速应用，为低成本产品开发提供了可能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了本申请实施例的系统结构原理框图；

附图2本申请实施例的实际电压及软件处理方法示意图；

附图3本申请实施例的软件处理流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本申请针对开关电压毛刺、信号相位滞后两个问题，提出了新的解决方案，在保证AD采样不受电压毛刺干扰的前提下，使得信号滞后问题得到解决。具体实施如下。

如图1所示，根据本申请的第一个方面，提出一种无刷直流电机的过零点检测装置，包括：输出三相桥108，连接无刷直流电机的三相输入端；反电势检测电路110，连接在无刷直流电机的三相输入端和微控制器之间；微控制器MCU，连接输出三相桥，以及反电势检测电路，微控制器接收反电势检测电路检测的反电势信号，通过设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的反电势信号，并采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。

本实施例中，通过去掉原端电压RC滤波电路中的滤波电容，让端电压信号经过分压后直接送入MCU进行采样。图1中的其他标记含义如下：103为直流母线采样电阻、104为三相桥驱动信号、105为直流母线Vdc采样、106为电池输入、107为直流母线支撑电容、108为输出三相桥、109为BLDC电机。

在本实施例中，过零点检测装置还包括：输入电压检测电路，与输出三相桥并联在输入电源两极之间，并连接所述微控制器，完成直流母线Vdc采样105。在本实施例中，输入电压检测电路为两个串联的第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的一端连接输入电源的正极，另一端连接微控制器和第八电阻；所述第八电阻的一端连接第七电阻，另一端连接输入电极的阴极。输入电压检测电路的设立是为了检测三相桥108的输入电压并输入微控制器中，以结合反电势检测电路的反馈信号控制三相桥108的驱动信号104，达到精准的检测过零点的目的。

在本实施例中，过零点检测装置进一步包括：电流检测电路，串联在输入电源106的负极与输出三相桥108之间，并连接微控制器MCU。电流检测电路的设立是为了检测三相桥108的电流并输入微控制器中，以结合反电势检测电路的反馈信号控制三相桥108的驱动信号104，达到精准的检测过零点的目的。

在本实施例中，电流检测电路为一个第九电阻103，所述第九电阻的一端连接输入电源的阴极，另一端与微控制器连接，完成直流母线采样。

在本实施例中，过零点检测装置进一步包括：直流母线支撑电容107，与输出三相桥108并联在输入电源106两极之间。

本实施例中，由于去除了三相端电压采样的滤波电容，降低成本的同时节省了空间，减小了布板面积，更有利于产品小型化的实现；去除了一阶RC低通滤波器，使得三相端电压信号经过分压后直接送入MCU的AD采样端口进行采样。最大限度的还原了初始的电压信号，消除了由于硬件滤波所带来的信号滞后；由于去除了低通滤波器，各开关频率、各转速段下的端电压硬件处理电路均能保持一致，系统通用性得以保证。

在本实施例中，反电势检测电路110包括六个电阻，分为三组，其中第一组包括两个串联电阻，第一电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第一端，第一电阻的另一端连接微控制器和第二电阻的一端；第二组包括两个串联电阻，第三电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第二端，第三电阻的另一端连接微控制器和第四电阻的一端；第三组包括两个串联电阻，第五电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第三端，第五电阻的另一端连接微控制器和第六电阻的一端。

附图2本实施例实际电压及软件处理方法示意图；如图2所示，附图标记的含义如下：500为软件屏蔽开关毛刺电压时段、501为AD允许采样时段、502为PWM占空(Duty)值、503/504为屏蔽时段阈值。因为图1中输出三相桥108的Mosfet开通关断引起的抖动时间是固定的，该开关管通断的抖动时间由Mosfet元件自身参数决定，因此在一次开关状态中，可以在抖动时间段500内，设置软件屏蔽时间，在该时间段内不对端电压进行采样，屏蔽时间过后，在501区间内恢复正常采样流程，如图2所示。

为此，本实施例还提出一种无刷直流电机的过零点检测方法，包括：设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的反电势信号；采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。在本实施例中，一定区间内的反电势信号包含毛刺现象。在本实施例中，通过设置定时器以控制采样的时间区间，使得开关电压毛刺干扰由软件处理，在消除开关噪声影响的同时，最大限度保证了过零点可采样区间，增加了高速应用中过零点的采样精度，并且也具有一定的操作灵活性。对于图2中500的时间，由不同Mosfet自身的特性所决定，一旦Mosfet选型确定，500的时间也就可以确定，对应于软件的屏蔽时间也就得以确定。如图2所示，502为PWM的占空(duty)值，在定时器上下计数的模式中，三角波与502的PWM占空值相交的地方即为Mosfet开关的动作点。当图2中500的时间确定后，可以根据PWM计数频率算出对应该时间的定时器滴答(Timer Tick)值m＝(软件屏蔽开关毛刺电压时段/PWM计数频率)，然后根据PWM的占空值502计算出屏蔽时段阈值503和504，屏蔽时段阈值503＝+(PWM的占空值*m)，屏蔽时段阈值504＝-(PWM的占空值*m)。本发明采用了简单的软件算法来进行端电压信号处理，适用于基于M0内核低成本芯片的高转速应用，为低成本产品开发提供了可能。

附图3本实施例的软件处理流程图。首先，定时器向上计数，当定时器滴答(TimerTick)值大于PWM的占空值502且小于屏蔽时段阈值503时，或定时器向下计数，当定时器滴答(Timer Tick)值小于PWM的占空值502且大于屏蔽时段阈值504时，不对过零点进行采样处理；其余时段则可进行正常过零点采样。

本实施例中，由于开关电压毛刺干扰改为由软件处理，在消除开关噪声影响的同时，最大限度保证了过零点可采样区间，增加了高速应用中过零点的采样精度，并且也具有一定的操作灵活性。另外，本实施例中采用了简单的软件算法来进行端电压信号处理，适用于基于M0内核低成本芯片的高转速应用，为低成本产品开发提供了可能。

实施例2

本实施例的硬件与实施例1相同，在此不再赘述。假设实施例1中设置的定时器为定时器A，那么本实施例与实施例1的不同之处在于，针对软件处理方式的实现，在Mosfet开通和关断的同时，再开启一个定时器B。当PWM向上计数且定时器B计数值小于503时，或当PWM向下计数且定时器B计数值大于504时，不对过零点进行采样处理，其余时段可进行正常过零采样。该实施例也可实现算法逻辑，不过需多消耗一个定时器资源。

根据本申请的一些实施例，提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如上述的过零点检测方法。

根据本申请的一些实施例，提出一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现上述的过零点检测方法。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，包括：

输出三相桥，连接无刷直流电机的三相输入端；

反电势检测电路，连接在无刷直流电机的三相输入端和微控制器之间；

微控制器，连接所述输出三相桥，以及所述反电势检测电路，所述微控制器接收反电势检测电路检测的反电势信号，通过设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的所述反电势信号，并采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，

所述反电势检测电路包括六个电阻，分为三组，其中第一组包括两个串联电阻，第一电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第一端，第一电阻的另一端连接微控制器和第二电阻的一端；第二组包括两个串联电阻，第三电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第二端，第三电阻的另一端连接微控制器和第四电阻的一端；第三组包括两个串联电阻，第五电阻的一端连接无刷直流电机的三相输入端的第三端，第五电阻的另一端连接微控制器和第六电阻的一端。

3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，包括：

输入电压检测电路，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间，并连接所述微控制器。

4.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，

所述输入电压检测电路为两个串联的第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的一端连接输入电源的正极，另一端连接微控制器和第八电阻；所述第八电阻的一端连接第七电阻，另一端连接输入电极的阴极。

5.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，进一步包括：

电流检测电路，串联在输入电源的负极与所述输出三相桥之间，并连接所述微控制器。

6.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，

所述电流检测电路为一个第九电阻，所述第九电阻的一端连接输入电源的阴极，另一端与微控制器连接。

7.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的过零点检测装置，其特征在于，进一步包括：

直流母线支撑电容，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间。

8.一种无刷直流电机的过零点检测方法，其特征在于，包括：

设置屏蔽时间以屏蔽在输出三相桥的MOSFET开通或关断时间点之后的产生毛刺抖动的所述反电势信号；

采样剩余区间的反电势信号，以确定过零点。

9.根据权利要求8所述的一种无刷直流电机的过零点检测方法，其特征在于，

通过设置定时器以控制所述采样的时间区间，包括：

定时器向上计数，当定时器滴答值大于PWM占空值且小于屏蔽时段阈值时，或定时器向下计数，当定时器滴答值小于PWM占空值且大于屏蔽时段阈值时，不对过零点进行采样处理；其余时段进行过零点采样。

10.一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如权利要求8或9所述的方法。

11.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求8或9所述的方法。

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