CN207382216U - 一种新型的永磁同步电机电动势检测结构 - Google Patents

Abstract

因为永磁同步电机低速运行的时候，反电动势非常小，MCU不容易检测到准确的反电动势，最终将导致无法完成正常的逻辑换向。为了解决以上问题，本实用新型提出一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，其包括传统的反电动势检测电路，以及电机低速无衰减反电动势检测结构，通过两个电路的合并配合，实现了反电动势在低电压和正常电压下的准确检测。

Description

一种新型的永磁同步电机电动势检测结构

技术领域

本实用新型涉及永磁同步电机相线的反电动势的检测结构，具体的涉及到一种新型的永磁同步电机电动势检测结构。

背景技术

在无霍尔方波控制方案中，通过ADC去采样电机相线的反电动势来检测电机的过零点信号，用来作电机换相使用。永磁同步电机无霍尔低速运行的时候，反电动势非常小，不容易检测到。

因为电机反电动势最高是由电机本身决定的，所以需要在采样ADC的时候，需要用一个分压比将反动电动势分压，让电压达到MCU的工作电压以内，这时候就能够有效的检测到过零点，实现正确换相。

但是，电机在速度很低的时候，反电动势比较低，有电压分压比的存在，导致采样到的反电动势比较小，ADC采样值之间变化不明显，通常在过零点只有几十毫伏甚至更低时，MCU无法检测到或者容易误判，最终导致无法正常的逻辑换向，从而导致电机失步。

永磁同步电机在低速时由于分压比的存在，导致ADC采样的电机反电动势很小，导致无法正确检测到电机换相信号。比如+48V电机，用了一个30:1的分压比，当采样到48V的反电动势，ADC采样的值为1.55V(小于ADC最大量程3.3V)，而当在低速，反电动势为小于3V时，ADC采样电压小于100mv，会导致计算错误的风险，从而导致电机换相错误。

发明内容

为了解决以上问题，本实用新型提出一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，采用此新型的无衰减电动势检测结构，不但可以对电机高速运转时的反电动势进行检测，同时还可以在PWM关断无效期间，对反电动势进行无衰减采样，使得能够有效的检测到过零信号，实现正常的逻辑换向，此发明特别适用于低压电机的控制方案中。

永磁同步电机的结构，包括：整流电路、降压模块、MCU、Mos驱动电路、电机驱动电路、电机信号反馈电路，所述的整流电路输出端与降压模块输入端和电机驱动电路的一端相连，降压模块输出端分别与MCU和Mos驱动电路相连，MCU的输出端通过Mos驱动电路与电机驱动电路的所有Mos管的栅极相连，电机驱动电路的输出端通过电机信号反馈电路与MCU相连。

所述的整流电路包含整流桥和滤波电容，220V、50Hz的正弦波交流市电经过整流桥后，整流成一个正弦半波信号，再通过滤波电容C1和C2直接整流成310V的直流电压，此电压直接供给给电机驱动电路的Mos1、Mos2、Mos3的漏极。

所述的整流电路中包括电源管理芯片IC1(VIPER22)和高频变压线圈、以及一个78L05稳压芯片，所述的整流后的310V电压通过降压模块和高频变压线圈将310V电压降低为15V和5V，分别供给Mos驱动电路和MCU。

所述的MCU中的主控芯片为IC2，选择32位机STM32FOXX系列芯片，MCU通过采集电机的电流等其他参数用来做计算机程序。MCU的电机控制PWM(脉冲调制宽度)输出信号U、V、W、X、Y、Z的电压级别为3.3V，难以驱动Mos管，通常情况下Mos管的G极的开启电压为10V～12V，故在MCU的电机控制PWM(脉冲调制宽度)输出信号端再通过一个Mos驱动电路，将MCU的电机控制PWM输出信号端的信号提升为15V，来驱动电机控制电路Mos栅极，通过PWM(脉冲调制宽度)的开关高低电平来控制电机驱动电路Mos1、Mos2、Mos3、Mos4、Mos5、Mos6的开关。另外，由于整流电路输出的310V电压直接施加在电机的U相的Mos1、V相的Mos2、W相的Mos3的源极，故相应的MOS电路导通，使得电机的三相相线产生及合成一定的磁场方向，从而拖动且控制电机永磁转子的正向或者反向旋转。

所述的Mos驱动电路的输入信号为MCU控制的3.3V的电机控制PWM(脉冲调制宽度)输出信号U、V、W、X、Y、Z，此输入信号通过Mos驱动电路通过Mos驱动电路调节后，将所输入的信号一一升压，并分别输出对应于15V的电机控制PWM(脉冲调制宽度)输出信号u、v、w、x、y、z，所述的15V的电机控制PWM(脉冲调制宽度)输出信号u、v、w、x、y、z分别与电机驱动电路的Mos6、Mos5、Mos4、Mos3、Mos2、Mos1的栅极相连。

所述的电机驱动电路包含驱动桥的6个Mos1～Mos6,其中Mos1、Mos2、Mos3的漏极与整流电路的输出端310V电压相连，Mos6、Mos5、Mos4、Mos3、Mos2、Mos1的栅极分别与15V的电机控制PWM(脉冲宽度调制)输出信号u、v、w、x、y、z相连，由上述6路PWM(脉冲宽度调制)来分别控制Mos1～Mos6的通断。且Mos1的源级与Mos4的漏极相连，Mos4的源级与Rbus连接，Mos2的源级与Mos5的漏极相连，Mos5的源级与Rbus连接，Mos3的源级与Mos6的漏极相连，Mos6的源级与Rbus连接，其中，Rbus为电机母线电流采样电阻，且Mos1、Mos2和Mos3的源极及Mos4、Mos5和Mos6的漏极分别连接到电机的三个相线端，当控制电机的时候，同一时刻只有两个Mos导通，且这两个Mos分别为Mos1～Mos3中的一个和Mos4～Mos6中的一个，且Mos1和Mos4,Mos2和Mos5，Mos3和Mos6不能同时导通。

所述的电机信号反馈电路包含母线电流采集的采样电阻Rbus、运算放大器、运算放大器反馈电阻R8、电阻R6、接地电阻R6、输出信号滤波电容C3、输入信号滤波电容C4，其中，Rbus上的电流经过R5连接到运算放大器的同相端，通过上拉电阻R4接到Vref(+1.65V),R8通过连接线分别接在运放的反相端和输出端，R6分别与GND和运放的反相端相连，C4与R5并联，运放的输出端通过R7连接到MCU的ADC端口，R7通过C3后接地。采用以上的电机母线电流信号反馈电路，由于运放的输入端和输出端均含有滤波电容C4和C3，滤除了高频杂波干扰，保证了信号的稳定性，另外，采用R8反馈电阻反馈母线电流的信号，保证了运放能够将电机的母线电流信号精准放大到一定倍数，方便MCU采集。

采集以上母线电流信号的目的在于，用于判断当前的电机是否过载以及堵转。电机在加载的过程中，如果不做限流控制，则可能会导致电机负载增大，速度下降，电流一直上升，直至电机最终烧毁。

为了检测以上永磁同步电机的反电动势，传统的检测结构是利用R9，R10分压电阻，将电机相线的信号直接通过两个分压电阻，将反电动势信号做比例衰减后，送到MCU的ADC1～ADC3采样，软件通过ADC1～ADC3采样到信号做一系列的算法后，计算出电机合适的换相点和施加的PWM占空比，从而控制电机运行在正常状态。

如果当前的电机的运行相序是U相流向V相(此时W相悬空，可检测到反电动势)，即Mos1和Mos5导通。

如图2所示为电机PWM波占空比100％全开速度较高时，U相电压为标准的梯形波的示意图。在t0～t1，t2～t3，t4～t5，t6～t7时间段内，U相是不导通的(悬浮端)，其余时间导通。在t0～t1，t2～t3，t4～t5，t6～t7时间段内去采样反电动势值，可计算过零点信号从而正确换相。

如图3所示为电机速度较低的时候，电机的反电动势较低的情况下U相电压的波形图。其中虚线为采样的反电动势，而过零点在t0～t1或t2～t3的中点，在低速的时候，假如虚线电压是3V以内，经过30:1分压电阻后，ADC1～ADC3采样到的值小于100mV，会导致计算错误的风险，从而导致电机换相错误，从而电机失步。

本实用新型提出的一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，其在传统的检测结构上增加了一个没有分压比的ADC4～ADC6来直接采样信号，然后计算得出反电动势，得出电机转子的位置信号，控制电机旋转。

一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，其包括在W相上分别连接R10和R9分压电阻后接地，R9上的分压电阻电压接到MCU的ADC3端口采样，V相和U相上的电路连接跟W相上的电路连接完全相同，其特征在于：W相电压又通过R13接到MCU的ADC6端口采样，并且在ADC6的采样点串联一个稳压二极管D3上拉接到3.3V，V相和U相上的电路连接跟W相上的电路连接结构完全相同。

如上所述的电路中采用稳压二极管的作用在于防止三相线上的电压大于3.3V时，没有稳压管电压钳位，导致损坏MCU及稳压二极管。

如上所述的电路中R11～R13的电阻值为10KΩ～100KΩ。其电阻值的选择原因在于：当电机在正常运转的时候，UVW三相上的电压信号是包含反电动势信号及供电电压级别电压的PWM波，也就是R10和R13之间的那个点电压的PWM波，所以R11～R13的阻值要大一些；如果过小，则UVW相上的电压就会通过R11～R13产生一个较大的电流，分流入MCU的ADC4接口～ADC6接口，而MCU的输入端口的最大灌入流量大约为几十毫安，以上过程可能会烧坏MCU，并且大电流产生的功率也会超过R11～R13电阻的功率，损坏分压比电路。

本实用新型的反电动势检测结构的工作过程如下：在电机高速运转时，将电机相线的信号直接通过两个分压电阻，将反电动势信号做比例衰减后，送到MCU的ADC1～ADC3采样，软件通过ADC1～ADC3采样到信号做一系列的算法后，计算出电机合适的换相点和施加的PWM占空比，从而控制电机运行在正常状态。

而在电机低速运转时，不采用分压电阻测量的分压信号，而是在PWM无效区间，对反电动势进行无衰减采样，反电动势直接接到R11～R13，直接使用ADC4～ADC6采样反电动势，假如低速反电动势在3V以内，直接采样便能精确的采样反电动势而计算过零点，实现精确换向，而D1，D2，D3是稳压二极管，防止在高速的时候，反电动势较大，击穿MCU端口和稳压二极管。

附图说明：

下面结合附图对具体实施方式作进一步的说明，其中：

图1本实用新型的反电动势检测结构在永磁同步电机中的应用的结构示意图。

如图2为电机PWM波占空比100％全开速度较高时，U相电压为标准的梯形波的示意图；

如图3为电机速度较低的时候，电机的反电动势较低的情况下U相电压的波形图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

具体实施案例1：

一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，其包括在U相上分别连接R10和R9分压电阻后接地，R9上的分压电阻电压接到MCU的ADC3端口采样，V相和W相上的电路连接跟U相上的电路连接完全相同，其特征在于：W相电压又通过R13接到MCU的ADC6端口采样，并且在ADC6的采样点串联一个稳压二极管D3上拉接到3.3V，V相和U相上的电路连接跟W相上的电路连接结构完全相同。

如上所述的电路中采用稳压二极管的作用在于防止三相线上的电压大于3.3V时，没有稳压管电压钳位，导致损坏MCU和稳压二极管。

如上所述的电路中R11～R13的电阻值为100KΩ。其电阻值的选择原因在于：当电机在正常运转的时候，UVW三相上的电压信号是包含反电动势信号及供电电压级别电压的PWM波，也就是R10和R13之间的那个点电压的PWM波，所以R11～R13的阻值要大一些；如果过小，则UVW相上的电压就会通过R11～R13产生一个较大的电流，流入MCU的ADC4接口～ADC6接口，而MCU的输入端口的最大灌入流量大约为几十毫安，以上过程可能会烧坏MCU和稳压二极管。

本实用新型的永磁同步电机电动势检测结构的工作过程如下：在电机高速运转时，将电机相线的信号直接通过两个分压电阻，将反电动势信号做比例衰减后，送到MCU的ADC1～ADC3采样，软件通过ADC1～ADC3采样到信号做一系列的算法后，计算出电机合适的换相点和施加的PWM占空比，从而控制电机运行在正常状态。

而在电机低速运转时，不采用分压电阻测量的分压信号，而是在PWM无效区间，对反电动势进行无衰减采样，反电动势直接接到R11～R13，直接使用ADC4～ADC6采样反电动势，假如低速反电动势在3V以内，直接采样便能精确的采样反电动势而计算过零点，实现精确换向，而D1，D2，D3是稳压二极管，防止在高速的时候，反电动势较大，击穿MCU端口和稳压二极管。

以上所述实施例其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种新型的永磁同步电机电动势检测结构，其包括在W相上分别连接R10和R9分压电阻后接地，R9上的分压电阻电压接到MCU的ADC3端口采样，V相和U相上的电路连接跟W相上的电路连接完全相同，其特征在于：W相电压又通过R13接到MCU的ADC6端口采样，并且在ADC6的采样点串联一个稳压二极管D3上拉接到3.3V，V相和U相上的电路连接跟W相上的电路连接结构完全相同。

2.如权利要求1所述的新型的永磁同步电机电动势检测结构，其特征在于：R13的电阻值为10KΩ～100KΩ。