CN201213247Y

CN201213247Y - 无传感器无刷电机宽速度精准换相器

Info

Publication number: CN201213247Y
Application number: CNU2008201162910U
Authority: CN
Inventors: 薛晓明; 陶洪
Original assignee: CHANGZHOU INFORMATION TECHNOLOGY INSTITUTE
Current assignee: CHANGZHOU INFORMATION TECHNOLOGY INSTITUTE
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-05-28

Abstract

本实用新型公开了一种无传感器无刷电机宽速度精准换相器，包括相反电势检测电路、自动增益控制放大电路、线电势过零点检测电路、转速－电压转换电路和起动电路，其特点是电机加电后，起动电路通过线电势过零点检测电路输出定位和起动换相信号，拖动电机旋转，相反电势检测电路将检测到的反电势信号，经自动增益控制放大电路放大为不随电机转速变化的恒定幅值反电势信号，先送到起动电路检测线电势的第一个过零点，在检测到后，关闭起动电路，切换送到线电势过零点检测电路比较得到换相信号并输出；本换相器工艺简单、起动容易、成本低廉，能保证从0.1％的额定转速到额定转速的宽速度范围内都能提供精准换相信号，可广泛应用在家用电器、电动自行车等无刷直流电机产品中。

Description

无传感器无刷电机宽速度精准换相器

技术领域

本实用新型涉及一种用于电机控制领域，具体地说是一种无传感器无刷电机宽速度精准换相器。

背景技术

无刷直流电机因其换相无火花、功率密度大、调速性能佳等优点，在家用电器、电动汽车、电动自行车、计算机外设等领域，应用越来越广泛。

为了获得最大转矩，无刷直流电机的运行需要利用转子位置信息来获取定子绕组的换相信号，获取转子位置信息的方式通常是利用在电机内部安装霍尔位置传感器直接检测，这种方式的最大优点是电机静止时，也能检测到转子的位置，电机可以从零速到额定转速的全速度范围内提供按照转子位置信息的精准换相信号，但这种方式存在着安装工艺复杂、维护和制造成本高、不适宜高温工作环境等诸多缺陷。

基于上述原因，近二十年来国内外一直开展去掉传感器，从一些已知量中获取转子位置信息的无位置传感器技术研究，到目前为止，最为简单、实用、成熟的方法是利用的电机定子绕组上感应的反电势来检测转子位置信息，主要包括反电势过零检测法、反电势三次谐波积分检测法、锁相环法和续流二极管检测法等，这些方法都采用检测电机的端电压或相电压来间接地检测反电势，存在以下几方面的缺点：1、端电压或相电压中含有PWM斩波信号和换相时二极管续流引发的干扰电势，检测电路须要采用低通滤波器滤去高次谐波分量和进行30°或90°的移相，低通滤波器的存在使得换相信号的相位随电机转速的变化而变化，而且30°或90°的移相并不能保证转子也转过了30°或90°，致使得到的电机换相信号不精准；2、电机在静止或低速时的反电势本身很小，经过衰减器分压后反电势更小，检测不到换相信息，电机需要利用外部起动的方法把速度加速到电机额定转速的10％，电机才能按照转子位置信息进行换相，在外部起动电机加速过程中，极易引起电机起动失败。

发明内容

本实用新型目的是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种工艺简单、起动容易、成本低廉，无需低通滤波器、无需衰减器、无需移相，从0.1％的额定转速到额定转速的宽速度范围内都能提供精准换相信号的无传感器无刷电机换相信号检测器。

为达到上述目的，本实用新型所设计的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，由相反电势检测电路、自动增益控制放大电路、线电势过零点检测电路、转速-电压转换电路和起动电路组成，其特点是电机加电后，起动电路通过线电势过零点检测电路输出定位和起动换相信号，拖动电机旋转，相反电势检测电路将检测到的反电势信号，经自动增益控制放大电路放大为不随电机转速变化的恒定幅值反电势信号，先送到起动电路检测线电势的第一个过零点，在检测到后，关闭起动电路，切换为送到线电势过零点检测电路比较得到换相信号并输出，换相信号同时作为转速-电压转换电路的输入信号，把电机的转速信号转换为电压信号，送到自动增益控制放大电路，产生可控增益。

所述的相反电势检测电路包括三组测试线圈，分别埋置在电机主绕组三相所放置的齿槽中，三组线圈的尾端汇接引出接地，首端引出分别与自动增益控制放大电路R1的前端连接。

所述的自动增益控制放大电路采用包括场效应管的集成运算放大器，场效应管T1的源极与集成运算放大器的负输入端连接，栅极与转速-电压转换电路(4)的R9前端连接。

所述的线电势过零点检测电路包括三个比较器，比较器U2A的正输入端、二极管D_a的负极、比较器U2B的负输入端、R4的上端汇接；比较器U2B的正输入端、二极管D_b的负极、R6的上端、比较器U2C的负输入端汇接；比较器U2A的负输入端与比较器U2C的正输入端连接；U2A、U2B、U2C三个比较器的输出端输出电机换相信号。

所述的转速-电压转换电路的电容C1、C2、C3的后端与线电势过零点检测电路三个比较器的输出端连接，把电机的转速信号转换为电压信号，通过电阻R9的前端送到自动增益控制放大电路场效应管T1的栅极。

所述的起动电路包括电阻R3、R4、R5、R6、R7，电容C0，晶体三极管T2、T3，二极管D_a、D_b和比较器U2D；二极管D_a的正极、集成运算放大器U1A的输出端、比较器U2D的负输入端汇接；二极管D_b的正极与集成运算放大器U1B的输出端连接；比较器U2D的正输入端、集成运算放大器U1C的输出端、比较器U2C的正输入端汇接；比较器U2D的输出端、T2的基极、T3的基极汇接；T3的集电极、R5的上端、R3的前端、R4的下端汇接；T2的集电极、R6的下端、R7前端、C0的上端汇接。

本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：

1、三组测试线圈分别埋置在电机主绕组三相所放置的齿槽中，安装工艺非常简单，加之测试线圈中流过电流十分微弱，测试线圈的线径很细，占用主绕组的体积很小。

2、反电势直接从测试线圈中检测，不含PWM信号和换相时无二极管续流引发的干扰电势，非常平滑，检测电路无需滤波器。

3、采用自动增益控制放大电路，取消了衰减器，保证电机在从0.1％的额定转速到额定转速的宽速度范围内输出不随电机转速变化的恒定反电势，电机起动非常容易，不会产生失败。

4、比较器比较的是线电势的过零点，线电势的过零点正好对应电机的最佳换相时刻，检测电路无需移相30°或90°。

5、检测电路输出的换相信号的相位与霍尔传感器输出的换相信号的相位完全一致，非常精准，可采用与霍尔传感器配套的成本低廉的无刷直流电机控制芯片，无需成本高昂的DSP芯片。

附图说明

图1为本实用新型的原理方框图。

图2为本实用新型的电路图。

图3为本实用新型图2中e_a、e_b、e_c、E_a、E_b、E_c、E_ac、E_ba、E_cb、V_P、V_Q电压信号以及换相信号H1、H2、H3的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例描述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，包括相反电势检测电路(1)、自动增益控制放大电路(2)、线电势过零点检测电路(3)、转速-电压转换电路(4)和起动电路(5)，反电势检测电路(1)的三个输出端与自动增益控制放大电路(2)的三个输入端连接，自动增益控制放大电路(2)的三个输出端与起动电路(5)的三个输入端连接，起动电路(5)的三个输出端与线电势过零点检测电路(3)的输入端连接，线电势过零点检测电路(3)的三个输出端输出换相信号，同时输出的换相信号与转速-电压转换电路(4)三个输入端连接，转速-电压转换电路(4)的输出端与自动增益控制放大电路(2)的控制端连接。

如图2所示，相反电势检测电路(1)包括L1、L2、L3三组测试线圈，分别埋置在电机主绕组A相、B相、C相所放置的齿槽中，三组测试线圈的尾端汇接引出接地，首端引出作为相反电势检测电路(1)的输出端；自动增益控制放大电路(2)包括三个自动增益控制放大器，每个自动增益控制放大器由两个电阻R1、R2，一个场效应管T1和一个集成运放组成，三个电阻R1的前端分别作为三个自动增益控制放大电路(2)的输入端，三个电阻R1的后端分别与各自集成运放的正输入端连接，三个电阻R2的后端分别与各自集成运放的输出端连接，三个电阻R2的前端、各自集成运放的负输入端、各自场效应管T1的源极汇接，各自场效应管T1的漏极接地，三个场效应管T1的栅极作为自动增益控制放大电路(2)的控制端，三个集成运放的输出端作为自动增益控制放大电路(2)的输出端；线电势过零点检测电路(3)包括U2A、U2B、U2C三个比较器，U2A比较器的正输入端与U2B比较器的负输入端连接，作为线电势过零点检测电路(3)的一个输入端，U2B比较器的正输入端与U2C比较器的负输入端连接作为线电势过零点检测电路(3)的另一个输入端，U2C比较器的正输入端与U2B比较器的负输入端连接，作为线电势过零点检测电路(3)的第三个输入端，U2A、U2B、U2C三个比较器的输出端作为线电势过零点检测电路(3)的输出端输出电机换相信号；转速-电压转换电路(4)包括电阻R8、R9，电容C1、C2、C3、C4和二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电容C1、C2、C3的后端分别作为转速-电压转换电路(4)的输入端，前端分别与二极管D1、D3、D5的正极连接，二极管D2、D4、D6正极接地，负极分别与D1、D3、D5正极连接，二极管D1、D3、D5的负极、电容C4的上端、电阻R8的上端、电阻R9的后端汇接，电容C4的下端与电阻R8的下端接地，R9的前端作为转速-电压转换电路(4)的输出端；起动电路(5)包括电阻R3、R4、R5、R6、R7，电容C0，晶体三极管T2、T3，二极管D_a、D_b和比较器U2D，电阻R4、R5串联的上端与二极管D_a的负极连接，作为起动电路(5)的一个输出端，电阻R4、R5串联的公共端、R3的前端、T3的集电极汇接，R3的后端接电源，R5的下端接地，比较器U2D输出端、T2的基极、T3的基极汇接，R6与C0串联后的上端与二极管D_b的负极连接，作为起动电路(5)的另一个输出端，R6与C0串联后的公共端、R7的前端、T2的集电极汇接，R7的后端接电源，C0的下端、T2发射极、T3发射极接地，二极管D_a的正极、比较器U2D负输入端连接，作为起动电路(5)的一个输入端，二极管D_b的正极作为起动电路(5)的另一个输入端与自动增益控制放大电路(2)的U1B输出端连接，比较器U2D的正输入端作为第三个输入、输出端与自动增益控制放大电路(2)的U1C输出端、线电势过零点检测电路(3)U2C的正输入端汇接；自动增益控制放大电路(2)的三个集成运放、线电势过零检测电路(3)和起动电路(5)的比较器均采用LM339搭建，自动增益控制放大电路(2)的三个场效应管采用KP903A，起动电路(5)中的晶体三极管采用C1815，相反电势测试电路(1)三组线圈的线径为主绕组线径的1/20。

如图3所示，本实用新型提供的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其工作过程是：

电机加电后，电源电压Vcc经R3、R5分压产生大于E_amax的电压V_P，通过R4送到U2A的正输入端，与此同时，电源电压经R7给电容C0充电，充电电压V_Q通过R6送到U2B的正输入端，在电容电压C0充电到V_P的时间内，三个比较器U2A、U2B、U2C输出的换相信号H1、H2、H3逻辑电平为1、0、0，通过直流电机控制器译码后，两相定子绕组通电，使电机的转子从一个未知位置定位到一个规定的位置，定位的时间由电容C0充电到V_P的时间来决定；当电容C0的电压V_Q充电到大于V_P时，三个比较器输出的换相信号H1、H2、H3的逻辑电平变成了1、1、0，电机开始旋转，由测试线圈L1、L2、L3产生的不含PWM信号和换相时无二极管续流引发的干扰电势的平滑反电势信号e_a、e_b、e_c，经过自动增益控制放大电路(2)放大得到不随电机转速变化的恒定反电势信号E_a、E_b、E_c，先送到比较器U2D的正、负输入端，当比较器U2D测试到线电势Eac第一个过零点后，比较器U2D输出高电平，使晶体三极管T2、T3导通，将电容C0、电阻R5短路，关闭起动电路，切换送到三个比较器组成的线电势过零检测电路(3)，经比较得到换相信号H1、H2、H3并输出，因线电势的过零点正好对应电机的最佳换相时刻，所得到的换相信号H1、H2、H3与霍尔传感器输出的换相信号相位完全一致，非常精准；换相信号同时作为转速-电压转换电路(4)的输入信号，通过转速-电压转换电路(4)把电机的转速信号转换为电压信号，送到自动增益控制放大电路(2)三个场效应管T1的栅极，产生可控增益，保证输出的反电势信号不随电机转速的变化而变化；在起动电路切换时，电机的运转速度小于0.1％的额定转速，而电机的换相信号已开始由线电势的过零点接管，即由电机的转子位置信息来决定，起动只需两步，非常简单，不会产生失败现象。

实施例2

本实施例描述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，应用于主要技术指标为48伏直流工作电压、功率350W、转速440转/分的电动自行车的驱动电机时，通过调整测试线圈L1、L2、L3匝数及充电电容C0的容量使其充电时间常数为0.01秒，实现低电压、低转速、小功率的频繁起动。

实施例3

本实施例描述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，应用于主要技术指标为300伏直流工作电压、功率1200W、转速6000转/分的空调压缩机用驱动电机时，通过调整测试线圈L1、L2、L3匝数及充电电容C0的容量使其充电时间常数为0.5秒，实现高电压、高转速、大功率的平稳运行。

Claims

1、无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：包括相反电势检测电路(1)、自动增益控制放大电路(2)、线电势过零点检测电路(3)、转速-电压转换电路(4)和起动电路(5)；相反电势检测电路(1)与自动增益控制放大电路(2)连接；自动增益控制放大电路(2)与起动电路(5)连接；起动电路(5)与线电势过零点检测电路(3)连接；转速-电压转换电路(4)与自动增益控制放大电路(2)连接；线电势过零点检测电路(3)输出电机换相信号。

2、根据权利要求1所述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：相反电势检测电路(1)包括三组测试线圈，分别埋置在电机主绕组三相所放置的齿槽中，三组测试线圈的尾端汇接引出接地，首端引出分别与自动增益控制放大电路(2)R1的前端连接。

3、根据权利要求1所述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：自动增益控制放大电路(2)包括三个场效应管、三个集成运算放大器，三个场效应管T1的源极分别与三个集成运算放大器的负输入端连接，三个场效应管T1的栅极与转速-电压转换电路(4)的R9前端连接。

4、根据权利要求1所述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：线电势过零点检测电路(3)包括三个比较器，比较器U2A的正输入端、二极管D_a的负极、比较器U2B的负输入端、R4的上端汇接；比较器U2B的正输入端、二极管D_b的负极、R6的上端、比较器U2C的负输入端汇接；比较器U2A的负输入端与比较器U2C的正输入端连接；U2A、U2B、U2C三个比较器的输出端输出电机换相信号。

5、根据权利要求1所述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：转速-电压转换电路(4)的电容C1、C2、C3的后端与线电势过零点检测电路(3)三个比较器的输出端连接。

6、根据权利要求1所述的无传感器无刷电机宽速度精准换相器，其特征在于：起动电路(5)包括电阻R3、R4、R5、R6、R7，电容C0，晶体三极管T2、T3，二极管D_a、D_b和比较器U2D，二极管Da的正极、集成运算放大器U1A的输出端、比较器U2D的负输入端汇接；二极管D_b的正极与集成运算放大器U1B的输出端连接；比较器U2D的正输入端、集成运算放大器U1C的输出端、比较器U2C的正输入端汇接；比较器U2D的输出端、T2的基极、T3的基极汇接；T3的集电极、R5的上端、R3的前端、R4的下端汇接；T2的集电极、R6的下端、R7前端、C0的上端汇接。