CN208128150U - 直流无刷电机及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种直流无刷电机、机器人。该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路以及第一控制器；逆变驱动电路电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相；过零检测电路，电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置；传感电路用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号；第一控制器与过零检测电路及传感电路电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。通过上述方式，本申请能够加快获取直流无刷电机转速的速度。

Description

直流无刷电机及机器人

技术领域

本申请涉及电机控制技术领域，特别是涉及直流无刷电机及机器人。

背景技术

直流无刷电机(BLDCM)一般使用电机端的三相霍尔信号作为速度反馈信号来做转速闭环控制。电机转一圈，三相霍尔有6个跳变信号，测量任意相邻两个跳变信号的时间差，就可以计算出当前的电机转速。

这种测量速度的方式，当电机运行在高速段时，电机进行速度闭环控制，运行很平滑。但是当电机运行在低速段时，由于霍尔信号跳变的周期变长，导致速度反馈的时间也变长，这样就会出现速度闭环控制输出延时，导致电机低速运行不平滑，抗扰动能力降低。

实用新型内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种直流无刷电机及机器人，能够加快获取直流无刷电机转速的速度。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种直流无刷电机。该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路以及第一控制器；逆变驱动电路电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相。过零检测电路，电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置。传感电路用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号。第一控制器与过零检测电路及传感电路电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种机器人。该机器人包括摄像装置及上述直流无刷电机，摄像装置用于拍摄获取图像，直流无刷电机用于驱动摄像装置移动。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请公开了一种直流无刷电机及机器人。该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路以及第一控制器；逆变驱动电路电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相。过零检测电路，电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置。传感电路用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号。第一控制器与过零检测电路及传感电路电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。通过上述方式，本申请利用反电动势过零点信号与传感电路检测的跳变信号相结合的方式，将标识转子位置信息的信号频率提高了一倍，将转速闭环的时间降低了一半，加快了获取直流无刷电机转速的速度，使直流无刷电极的转速控制更平滑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的直流无刷电机一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的直流无刷电机另一实施例的结构示意图；

图3是图2实施例中逆变驱动电路的结构示意图；

图4是图2实施例中的霍尔传感信号与反电动势的波形示意图；

图5是本申请提供的直流无刷电机又一实施例的结构示意；

图6是本申请提供的机器人一实施例的结构示意；

图7是本申请提供的检测直流无刷电机转速的方法一实施例的流程示意。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1，本申请提供的直流无刷电机一实施例的结构示意图。

该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路20、过零检测电路30、传感电路40以及第一控制器50。其中，定子与转子均设置于电极10中。

逆变驱动电路20电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相。定子上设置有多相绕组，转子上设置有永磁磁钢，逆变驱动电路驱动多相绕组按序依次导通与关闭，以实现对转子转速与转动方向的控制。

过零检测电路30电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置。由于电磁感应现象，在转子旋转于多相绕组未导通的绕组中产生感应反电动势。当反电动势电压大小与中性点电压大小相等时，该点为过零点。通过检测过零点信号可得到转子的位置，在转子旋转一周的过程中，逆变驱动电路20驱动绕组六次换相，进而过零检测电路30检测到六次过零点信号。

传感电路40用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号。传感电路40在无刷直流电机中检测转子的磁极位置，为第一控制器50 提供正确换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子的绕组换相，使多相绕组中的电流随转子位置的变化按一定次序换相，驱动转子不断旋转。因而多相绕组每60度换一次相，每次换相时，传感电路40检测到换相产生的跳变信号。过零点信号比跳变信号滞后30度，因而在转子旋转一周内，可检测到6个跳变信号及6个过零点信号用于标识出转子的位置信息，相比现有技术中检测6个跳变信号用于标识转子的位置信息，本申请将标识转子位置的信号频率提高了一倍。

第一控制器50与过零检测电路30及传感电路40电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。由上述文字进一步可知，转子转速的反馈频率同样提高了一倍，降低了转子转速闭环的时间。相对的，直流无刷电机的转速控制更平滑，使转子低速运行时的控制品质更高。

上述实施例简单描述了本申请中直流无刷电机中各部分电路的连接关系及功用，下面将着眼于各电路的具体结构。

参阅图2，本申请提供的直流无刷电机另一实施例的结构示意图。

本实施例中，该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路以及第一控制器。

逆变驱动电路电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相。过零检测电路，电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置。传感电路用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号。第一控制器与过零检测电路及传感电路电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。

以下将分别介绍逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路的具体电路结构。

参阅图3，图2实施例中逆变驱动电路的结构示意图。

具体地，逆变驱动电路包括第二控制器PWM、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6。

第一开关管Q1、第二开关管Q2以及第三开关管Q3的第一端均耦接电压输入端VCC，其第二端分别耦接至定子的三相绕组，以提供三相电压(U、V、W)。

第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6的第一端分别耦接至第一开关管Q1、第二开关管Q2以及第三开关管Q3的第二端，第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6的第二端耦接至接地端GND。

第二控制器PWM耦接第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6的控制端，用于控制其导通和关闭。

逆变驱动电路采用三相全桥式电路结构，通过第二控制器PWM控制开关管两两导通，且上桥臂第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3与下桥臂第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6中每次均导通其中的一个，以及在电压输入端VCC、接地端GND间串联的开关管不能同时导通。即第二控制器PWM输出控制信号按一定次序控制开启或关闭Q1和Q5、Q1和Q6、Q2和Q4、Q2和Q6、Q3和Q4、 Q3和Q5，驱动多相绕组换相以使转子不断旋转。

经逆变驱动电路产生三相电压(U、V、W)，驱动三相绕组两两导通，一端悬空，在转子旋转时于悬空端产生反电动势。

可选的，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6可以是绝缘栅双级晶体管 (IGBT)或金氧半场效晶体管(MOSFET)，以及第二控制器PWM可集成于第一控制器MCU中，根据第一控制器中的跳变信号(HA、HB、 HC)、过零点信号(EA、EB、EC)控制多相绕组的换相。

可选的，多相绕组有多种连接方式，如Y型连接或三角形连接。本实施例中采用Y型连接，三相绕组对称且无中性点引出。

具体地，过零检测电路包括分压电路、中性点重构电路、比较电路。

分压电路耦接第一开关管Q1、第二开关管Q2以及第三开关管Q3 的第二端，用于对三相电压进行分压；中性点重构电路耦接分压电路，将分压后的三相电压集中形成中性点电压；比较电路耦接分压电路和中性点重构电路，用于将分压后的三相电压分别与中性点电压进行比较，以得到三个过零点信号。

鉴于比较电路的检测的电压范围有限，故而设置分压电路将电压变换到比较器合适检测的范围。

分压电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻 R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6。

第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3的第一端分别耦接至定子的三相绕组，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3的第二端分别耦接第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6的第一端，第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6的第二端接地。

中性点重构电路包括第七分压电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9。

第七分压电阻R7第一端耦接于第一分压电阻R1的第二端，第八分压电阻R8第一端耦接于第二分压电阻R2的第二端，第九分压电阻R9 第一端耦接于第三分压电阻R3的第二端，第七分压电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9耦接于中性点电压输出端P。

比较电路包括第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3，第一比较器U1的第一端耦接于第一分压电阻R1的第二端，第二比较器 U2的第一端耦接于第二分压电阻R2的第二端，第三比较器U3的第一端耦接于第三分压电阻R3的第二端，第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3的第二端耦接于中性点电压输出端P，第一比较器U1、第二比较器U1、第三比较器U1的第三端耦接于第一控制器MCU。

第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3的第一端输入悬空端反电动势电压，第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3 的第二端输入中性点电压，第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3的第二端输出过零点信号至第一控制器MCU(微处理器)，即当反电动势电压大小等于中性点电压大小，相应的比较器输出过零点信号。

传感电路包括三个霍尔传感器(K1、K2、K3)，霍尔传感器(K1、 K2、K3)用于检测转子的位置，耦接于第一控制器MCU，在转子换相时产生跳变信号。具体地，霍尔传感器(K1、K2、K3)设置于定子上，检测多相绕组的驱动电压变化情况。

参阅图4，本实施例中的霍尔传感信号与反电动势的波形示意图。

逆变驱动电路以方波励磁形式驱动多相绕组换相，霍尔传感器三相绕组的电压信号变化情况，第一霍尔传感器K1在一个周期内检测到两个跳变信号(从低电平跳变到高电平或从高电平跳变到低电平)，三个霍尔传感器(K1、K2、K3)在一个周期内检测到六个跳变信号。

过零检测电路中，第一比较器U1在一个周期内检测到两个过零点信号，且过零点信号滞后跳变信号30度。同样，过零检测电路在一个周期内检测到6个过零点信号。

根据过零点信号、跳变信号产生的时间及其对应的转子位置，可得到转速，进而可更平滑地控制转子转动。

参阅图5，本申请提供的直流无刷电机又一实施例的结构示意。

本实施中，较图2实施例的不同之处在于使用了不同的中性点重构电路。

该中性点重构电路包括第十分压电阻R10、第十一分压电阻R11，第十分压电阻R10第一端耦接于电压输入端VCC，第十一分压电阻R11 的第一端耦接于第十分压电阻R10的第二端，第十一分压电阻R11的第二端耦接于接地端GND，中性点电压输出端Q耦接于第十分压电阻 R10、第十一分压电阻R11之间。

在某些实施例中，电压输入端VCC的电压值远远大于两两导通的开关管两端的压降，因而可利用本实施例中的中性点重构电路来重构多相绕组的中性点电压。

参阅图6，本申请提供的机器人一实施例的结构示意。

该机器人60包括摄像装置61及上述图2或图5任一实施例中所述的直流无刷电机62，摄像装置61用于拍摄获取图像，直流无刷电机62 用于驱动摄像装置61移动。

参阅图7，本申请提供的检测直流无刷电机转速的方法一实施例的流程示意。

S100：检测直流无刷电机的过零点信号及换相跳变信号，并记录过零点信号及换相跳变信号的产生时间。

S200：根据过零点信号及换相跳变信号的产生时间，测算直流无刷电机的转速。

区别于现有技术的情况，本申请公开了一种直流无刷电机、机器人及检测直流无刷电机转速的方法。该直流无刷电机包括定子和转子，还包括逆变驱动电路、过零检测电路、传感电路以及第一控制器；逆变驱动电路电性耦接于定子，用于驱动定子的绕组换相。过零检测电路，电性耦接于定子与逆变驱动电路之间，用于检测直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号，过零点信号用于表示转子的位置。传感电路用于检测转子的位置，在转子换相时产生跳变信号。第一控制器与过零检测电路及传感电路电性耦接，根据过零点信号及跳变信号的产生时间，得到转子的转速。通过上述方式，本申请利用反电动势过零点信号与传感电路检测的跳变信号相结合的方式，将标识转子位置信息的信号频率提高了一倍，将转速闭环的时间降低了一半，加快了获取直流无刷电机转速的速度，使直流无刷电极的转速控制更平滑。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机，包括定子和转子，其特征在于，还包括：

逆变驱动电路，电性耦接于所述定子，用于驱动所述定子的绕组换相；

过零检测电路，电性耦接于所述定子与所述逆变驱动电路之间，用于检测所述直流无刷电机反电动势的过零点，并产生过零点信号；其中，所述过零点信号用于表示所述转子的位置；

传感电路，用于检测所述转子的位置，在所述转子换相时产生跳变信号；

第一控制器，与所述过零检测电路及所述传感电路电性耦接，根据所述过零点信号及跳变信号的产生时间，得到所述转子的转速。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述逆变驱动电路包括第二控制器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及第六开关管；

所述第一开关管、所述第二开关管以及所述第三开关管的第一端均耦接电压输入端，其第二端分别耦接至所述定子的三相绕组，以提供三相电压；

所述第四开关管、所述第五开关管以及所述第六开关管的第一端分别耦接至所述第一开关管、所述第二开关管以及所述第三开关管的第二端，所述第四开关管、所述第五开关管以及所述第六开关管的第二端耦接至接地端；

所述第二控制器耦接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管以及所述第六开关管的控制端，用于控制其导通和关闭。

3.根据权利要求2所述的直流无刷电机，其特征在于，所述过零检测电路包括：

分压电路，耦接所述第一开关管、所述第二开关管以及所述第三开关管的第二端，用于对三相电压进行分压；

中性点重构电路，耦接所述分压电路，将分压后的三相电压集中形成中性点电压；

比较电路，耦接所述分压电路和所述中性点重构电路，用于将分压后的三相电压分别与所述中性点电压进行比较，以得到三个过零点信号。

4.根据权利要求3所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述分压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻、第四分压电阻、第五分压电阻、第六分压电阻；

所述第一分压电阻、所述第二分压电阻、所述第三分压电阻的第一端分别耦接至所述定子的三相绕组，所述第一分压电阻、所述第二分压电阻、所述第三分压电阻的第二端分别耦接所述第四分压电阻、所述第五分压电阻、所述第六分压电阻的第一端，第四分压电阻、所述第五分压电阻、所述第六分压电阻的第二端接地。

5.根据权利要求4所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述比较电路包括第一比较器、第二比较器、第三比较器，所述第一比较器的第一端耦接于所述第一分压电阻的第二端，所述第二比较器的第一端耦接于所述第二分压电阻的第二端，所述第三比较器的第一端耦接于所述第三分压电阻的第二端，所述第一比较器、所述第二比较器、所述第三比较器的第二端耦接于中性点电压输出端，所述第一比较器、所述第二比较器、所述第三比较器的第三端耦接于所述第一控制器。

6.根据权利要求5所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述中性点重构电路包括第七分压电阻、第八分压电阻、第九分压电阻；

所述第七分压电阻第一端耦接于所述第一分压电阻的第二端，所述第八分压电阻第一端耦接于所述第二分压电阻的第二端，所述第九分压电阻第一端耦接于所述第三分压电阻的第二端，所述第七分压电阻、所述第八分压电阻、所述第九分压电阻耦接于中性点电压输出端。

7.根据权利要求5所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述中性点重构电路包括第十分压电阻、第十一分压电阻，所述第十分压电阻第一端耦接于所述电压输入端，所述第十一分压电阻的第一端耦接于所述第十分压电阻的第二端，所述第十一分压电阻的第二端耦接于所述接地端，所述中性点电压输出端设置于所述第十分压电阻、所述第十一分压电阻之间。

8.根据权利要求5所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述传感电路包括三个霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测所述转子的位置，耦接于所述第一控制器，在所述转子换相时产生跳变信号。

9.根据权利要求5所述的直流无刷电机，其特征在于，

所述第一控制器是微处理器。

10.一种机器人，其特征在于，包括摄像装置及权利要求1-9任一项所述的直流无刷电机，所述摄像装置用于拍摄获取图像，所述直流无刷电机用于驱动所述摄像装置的移动。