CN115514264A - 一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，属于直流无刷电机领域，涉及无位置传感器控制技术，直流无刷电机的三相绕组通过桥式逆变器与电源相连，桥式逆变器由六个功率开关管连接而成；还包括用于检测u、v、w相的反电动势的AD采样电路；AD采样电路包括若干串联或者并联的电阻；第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第一连接端分别连接在三相绕组的端点，第二连接端均连接在并联节点；第一分压电阻R4的第一连接端连接在并联节点上，第一分压电阻R4的第二连接端与第二分压电阻R5的第一连接端连接，第二分压电阻R5的第二连接端接地；在第一分压电阻R4与第二分压电阻R5的中间部分连接有AD采样输出端。

Description

一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路

技术领域

本发明属于直流无刷电机领域，涉及无位置传感器控制技术，具体是一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路。

背景技术

无刷直流电机具有体积小、质量轻、效率高、损耗小等特点，不仅已大规模应用于航空、航天、机械、汽车等工业应用领域，还广泛应用于空调、冰箱、电动单车等民用领域。通常，无刷直流电机一般采用位置传感器确定电机转子位置，但安装位置传感器提高了系统成本、增加了系统复杂性，降低了系统可靠性和抗干扰能力，因此无位置传感器无刷直流电机控制技术已成为电机控制领域研究的一个热点。

无刷电机一般指磁通密度/反电动势随电机位置变化的函数为梯形波的电机，方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向(每60°换向一次)。每个换向位置电机输出特定方向的力，因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。由于在这种方式控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。普通的无刷电机无位置传感器控制器，需要4路AD口来采样电源电压和三相电机相线电压，通过零点检测，再实现换相。

传统方法需要4个ad口实现无位置控制，对控制芯片功能要求稍高。

基于此，本发明提出一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，直流无刷电机的三相绕组通过桥式逆变器与电源相连，桥式逆变器由六个功率开关管连接而成；还包括用于检测u、v、w相的反电动势的AD采样电路；

所述AD采样电路包括若干串联或者并联的电阻；在本发明中包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3以及第一分压电阻R4和第二分压电阻R5；

所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第一连接端分别连接在三相绕组的端点，所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第二连接端均连接在并联节点；

所述第一分压电阻R4的第一连接端连接在并联节点上，所述第一分压电阻R4的第二连接端与第二分压电阻R5的第一连接端连接，所述第二分压电阻R5的第二连接端接地；

在第一分压电阻R4与第二分压电阻R5的中间部分连接有AD采样输出端。

优选的，第一采样电阻R1的第一连接端连接在u相绕组的端点；所述第一采样电阻R1的第二连接端连接在并联节点；

第二采样电阻R2的第一连接端连接在v相绕组的端点；所述第二采样电阻R2的第二连接端连接在并联节点；

第三采样电阻R3的第一连接端连接在w相绕组的端点；所述第三采样电阻R3的第二连接端连接在并联节点。

优选的，并联节点为第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的公共端。

优选的，v相反电动势的计算过程包括：

打开u相上桥S1和w相下桥S6，此时u相电压＝电源电压，w相电压＝0V，Rs是绕组电阻；

设计：R₁＝R₂＝R₃；

根据戴维南定理，uvw三相等效合成电阻为：

等效合成电压：

中性点电压：

当测量其中某一相反电动势E_x时，其余两相两两导通；

则其余两相端电压一个是U_dc，一个是0；

其余两相反电动势，一个是

一个是

则Uuvw化简为：

输入到采样端口的测量电压为：

则待测相反电动势为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

传统方法需要4个ad口实现无位置控制，对控制芯片功能要求稍高。本发明提出的直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路仅需1路AD口即可采样电源电压和三相电机线电压，实现无刷电机的无位置传感器控制。可使用更廉价的控制芯片，从而降低硬件成本。

附图说明

图1为本发明的直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路图；

图2为本发明的电源电压检测时电流流向图；

图3为本发明计算v相反电动势时的电流流向图；

图4为本发明电机闭环控制流程图；

图5为6相电机控制电路图；

图6为本发明的等效电路图一；

图7为本发明的等效电路图二；

图8为本发明的等效电路图三；

图9为本发明的等效电路图四。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，其中直流无刷电机的三相绕组通过桥式逆变器与电源相连，桥式逆变器由六个功率开关管连接而成；还包括用于检测u、v、w相(或者U、V、W相)的反电动势的AD采样电路；其中的BLDC为直流无刷电机；

其中的AD采样电路用于将采集到的u、v、w相的反电动势输入到单片机中，单片机将通过反电势过零检测法进行控制电机换相；

其中反电势过零检测原理为：

无位置传感器无刷直流电机常见的导通方式可分为两两导通和三三导通两种工作方式。两两导通方式是指无刷直流电机在任意时刻均有两相绕组导通，另外一相绕组处于悬空状态。三三导通方式指每一瞬间逆变桥均有三只功率器件同时通电。

本发明采用两两导通方式，功率开关管S1～S6共有六种开关组合状态，每隔1/6周期换相一次，每次换相切换一个功率开关管，每一个功率开关管导通120°的电角度。电机顺时钟方向旋转时，功率开关管导通规律如表1所示，按照空间360°电度角将转子位置均分成I～VI等6个区域，在不同位置区域切换功率开关组合。

表1

表1中，正通表示某相电流从功率电路流向电机绕组，反通表示某相电流由电机绕组流回功率电路。在电机运行过程中，由于定子绕组切割转子磁场，在定子绕组中将产生反电势e，反电势e的大小正比于电机的转速和气隙磁密，并随转子极性的改变而改变。当反电势e的正方向确定后，反电势e将随转子极性的改变而出现正负变化。在两两导通全桥驱动电路中，假设导通相流过的电流为矩形波，则在定子三相绕组中将产生梯形波反电势e，将反电势e过零信号点延时30°电度角即可得到功率开关管换相点。因此，反电势过零检测法一般是在获取电机三相绕组中不通电相(悬空相)反电势信号的基础上，将其与参考信号进行比较获得过零信号，再通过对该过零信号进行相应的角度延时即可得到转子的位置信息，从而控制电机换相。

在本发明中，所述AD采样电路包括若干串联或者并联的电阻；具体的，在本发明中包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3以及第一分压电阻R4和第二分压电阻R5；

其中，第一采样电阻R1的第一连接端连接在u相绕组的端点；所述第一采样电阻R1的第二连接端连接在并联节点；

第二采样电阻R2的第一连接端连接在v相绕组的端点；所述第二采样电阻R2的第二连接端连接在并联节点；

第三采样电阻R3的第一连接端连接在w相绕组的端点；所述第三采样电阻R3的第二连接端连接在并联节点；

所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第一连接端分别连接在u、v、w相绕组的端点，所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第二连接端均连接在并联节点；其中的并联节点为第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的公共端；

所述第一分压电阻R4的第一连接端连接在并联节点上，所述第一分压电阻R4的第二连接端与第二分压电阻R5的第一连接端连接，所述第二分压电阻R5的第二连接端接地；

在本申请中，需要进行说明的是，在第一分压电阻R4与第二分压电阻R5的中间部分连接有AD采样输出端。

在本申请中，如图4所示，直流无刷电机刚启动时转速很低，因此绕组产生的反电动势较小，需要采用转子预定位、转子加速和绕组切换三段式法来启动电机，首先设定两次转子预定位用于获取转子的初始位置，根据两相导通绕组，结合电机的六次切换驱动方式，以此导通三相绕组中的任意两相，使电机开始旋转，接着再经过电机加速阶段，定子绕组产生电动势，若控制系统多次检测到反电动势过零点信号时说明电机转速符合闭环控制的条件。

实施例1：

如图2所示，检测电源电压，闭合S1，电源电压将通过S1，经过R1,R4，R5分压采集电源电压；

U_meas＝R5/(R1+R4+R5)*U_dc

其中的Udc是实际的母线电压，Umeas为测量电压；

转子预定位，开通任意两相，使电机转到对应的位置下。

转子起动阶段，采用强制换相使电机加速起动转动，此时进行反电动势检测，控制系统多次检测到反电动势过零点信号时，切入无位置闭环运行。

在一个实施例中，反电动势检测以v相为例，打开u相上桥S1和w相下桥S6，如图3所示，此时u相电压＝电源电压，w相电压＝0V，根据戴维南定理，可以算出悬空相V相的相电压：

其中，戴维南定理推导如下：

如图6、7、8、9所示，直流无刷电机以星型连接为例，中性点为N，Eu，Ev，Ew是三相反电动势，Rs是绕组电阻：忽略Rs：设计：R₁＝R₂＝R₃；

根据戴维南定理，先将uv两相电源和电阻合成：

同理，将w相也合成进去：

当测v相反电动势时：

u相端电压：U_u＝U_dc；

w相端电压：U_w＝0；

中性点电压：

u相反电动势：

w相端反电动势：

于是合成电压可化简为：

输入到采样端口的测量电压为：

化简之后的结果为：

于是待测相的反电动势为：

需要说明的是，测u相反电动势，w相反电动势同理。

实施例2：

使用方波控制的电机，都可套用本发明的AD采样方法，比如6相(即双三相)电机、4相步进电机、开关磁阻电机等均可使用。

如图5所示，以6相电机为例：

设计：R₁＝R₂＝R₃，R₆＝R₇＝R₈。

根据戴维南定理u、v、w三相等效合成电阻：

等效合成电压：

中性点电压：

根据戴维南定理a、b、c(A、B、C)三相等效合成电阻：

等效合成电压：

中性点电压：

当测量其中某一相(x相)反电动势E_x时，其余两相两两导通，则其余两相(y相，z相)端电压一个是U_dc，一个是0。其余两相反电动势，一个是

一个是

则Uuvw和Uabc化简为：

输入到采样端口的测量电压为：

则待测相反电动势为：uvw侧：

abc侧：

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (4)

1.一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，其特征在于，直流无刷电机的三相绕组通过桥式逆变器与电源相连，桥式逆变器由六个功率开关管连接而成；还包括用于检测u、v、w相的反电动势的AD采样电路；

所述AD采样电路包括若干串联或者并联的电阻；包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3以及第一分压电阻R4和第二分压电阻R5；

所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第一连接端分别连接在三相绕组的端点，所述第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的第二连接端均连接在并联节点；

所述第一分压电阻R4的第一连接端连接在并联节点上，所述第一分压电阻R4的第二连接端与第二分压电阻R5的第一连接端连接，所述第二分压电阻R5的第二连接端接地；

在第一分压电阻R4与第二分压电阻R5的中间部分连接有AD采样输出端。

2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，其特征在于，第一采样电阻R1的第一连接端连接在u相绕组的端点；所述第一采样电阻R1的第二连接端连接在并联节点；

第二采样电阻R2的第一连接端连接在v相绕组的端点；所述第二采样电阻R2的第二连接端连接在并联节点；

第三采样电阻R3的第一连接端连接在w相绕组的端点；所述第三采样电阻R3的第二连接端连接在并联节点。

3.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，其特征在于，并联节点为第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3的公共端。

4.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机无位置传感器控制电压采样电路，其特征在于，

设计：R₁＝R₂＝R₃；

根据戴维南定理，uvw三相等效合成电阻为：

等效合成电压：

中性点电压：

当测量其中某一相反电动势E_x时，其余两相两两导通；

则其余两相端电压一个是U_dc，一个是0；

其余两相反电动势，一个是

一个是

则Uuvw化简为：

输入到采样端口的测量电压为：

则待测相反电动势为：

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