無刷直流電機轉子位置檢測裝置及換相方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反電勢三次諧波的無刷直流電機轉子位置檢測裝置和與該裝置相適應的換相控制方法。無刷直流電機轉子位置檢測裝置由Y型連接三相對稱電阻網絡、電壓分壓電路、帶通濾波電路、過零比較電路和光電隔離電路四部分組成。本發(fā)明提供的檢測裝置通過星形三相對稱電阻網絡構建模擬中性點，并從中提取反電勢的三次諧波分量，由反電勢三次諧波分量與接地端的比較，獲得反電動勢三次諧波分量過零信號，微處理器根據(jù)檢測裝置的兩次過零信號和上次開關管動作時間來計算出無刷直流電機三相反電動勢過零時刻，并根據(jù)過零時刻控制換相。該檢測方法可以減少轉子位置檢測裝置的器件數(shù)量，提高檢測的可靠性。
【專利說明】無刷直流電機轉子位置檢測裝置及換相方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電機領域，特別是一種無刷直流電機(BLDC)轉子位置檢測裝置及換相方法。
【背景技術】
[0002]無刷直流電機的反電勢為梯形波，供電電流為方波，控制系統(tǒng)對轉子位置信號的要求不高，只需獲得若干個離散的轉子關鍵位置信號。無刷直流電動機既具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機運行效率高、調速性能好的特點，加上成本較低，應用越來越廣泛。
[0003]對無刷直流電機主要存在兩種控制方式:有位置傳感器控制和無位置傳感器技術控制。有位置傳感器控制方法和控制電路都比較簡單，控制系統(tǒng)成本低，得到了廣泛的應用。但位置傳感器的存在，使電動機結構變得復雜，系統(tǒng)的可靠性變差，無法在一些惡劣的工況下運行，在一定程度上限制了無刷直流電動機的進一步推廣和使用。
[0004]使用無位置傳感器技術控制無刷直流電動機，可以避免轉子位置傳感器所帶來的各種弊端。早期的反電勢三次諧波法是一種與反電勢過零檢測法不同類別的方法，這是因為早期的三次諧波法通過對反電勢中的三次諧波積分來獲得電動機換相信號。對波形信號積分，硬件線路復雜，實現(xiàn)困難。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定可靠、成本較低的無刷直流電機轉子位置檢測裝置及檢測方法。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明的技術解決方案為:一種基于反電勢三次諧波的BLDC轉子位置檢測裝置，包括依次連接的Y型連接三相對稱電阻網絡、電壓分壓電路、帶通濾波電路、過零比較電路和光耦隔離電路，Y型連接三相對稱電阻網絡對輸入的電機三相端電壓信號進行疊力口，獲得模擬中性點電壓，該電壓經電壓分壓電路分壓后，傳輸給帶通濾波電路，帶通濾波電路消除模擬中性點電壓信號中的高頻分量、低頻分量和直流分量，只保留反電勢三次諧波信息，帶通濾波電路將反電勢信息傳輸給過零比較電路；過零比較電路將該信息與接地點電壓進行比較，獲得反電勢過零信號，并將該信號傳輸給光耦隔離電路；光耦隔離電路對輸入的信號進行隔離，并將信號輸出給外界的微處理器。
[0007]—種基于上述基于反電勢三次諧波的BLDC轉子位置檢測裝置的換相方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1、微處理器捕捉光耦隔離電路輸出的過零信號，與上次捕捉時間相減做差，得到兩個過零點的間隔時間Ti，得到間隔時間Ti后根據(jù)上次換相時間Tc判斷間隔時間Ti是否在[0.5Tc, 1.5Tc]內，如果在，就用新的到的間隔時間Ti代替換相時間Tc，如果Ti不在上述范圍內，將這個新的間隔時間Ti值舍去，換相時間沿用上次的換相時間Tc值，不進行更新；[0009]步驟2、得到換相時間Tc后，再根據(jù)上次開關管換相動作時間Ta，得到下次的換相時刻Ta+Tc,微處理器在換相時刻控制開關管進行換相操作。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有的技術相比，其顯著的優(yōu)點為:(I)在獲取模擬中性點電壓時，將三相端電壓直接經過三個等值電阻簡單相加，省去了通常的濾波環(huán)節(jié)，只在之后的帶通濾波電路中濾波，簡化了模擬中性點電壓的獲取。(2)在獲取三次諧波過零信號時，將反電勢三次諧波與參考電平比較，即將三次諧波法視為反電勢過零檢測法的一種類型，而不是通過對反電勢中的三次諧波積分來獲得電動機換相信號，簡化了硬件電路和實現(xiàn)方式。(3)在對反電動勢檢測裝置進行簡化的基礎上，檢測的是兩個過零信號間的時間間隔，根據(jù)前一次開關管換相時刻計算轉子位置，這時可以不考慮不同速度下的濾波相位偏移，實現(xiàn)準確的換相操作，實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)運行和調速。(4)本發(fā)明提出了一種轉子位置檢測方法，可使無刷直流電動機平穩(wěn)運行。
[0011]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1基于本發(fā)明檢測裝置的轉子位置檢測方法的流程圖。
[0013]圖2是RC帶通濾波電路。
[0014]圖3是無刷直流電機轉子位置檢測裝置電路圖。
【具體實施方式】
[0015]結合圖3，本發(fā)明的一種基于反電勢三次諧波的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，包括依次連接的Y型連接三相對稱電阻網絡1、電壓分壓電路2、帶通濾波電路3、過零比較電路4和光耦隔離電路5，Y型連接三相對稱電阻網絡I對輸入的電機三相端電壓信號進行疊加，獲得模擬中性點電壓，該電壓經電壓分壓電路2分壓后，傳輸給帶通濾波電路3，帶通濾波電路3消除模擬中性點電壓信號中的高頻分量、低頻分量和直流分量，只保留反電勢三次諧波信息，帶通濾波電路3將反電勢信息傳輸給過零比較電路4 ;過零比較電路4將該信息與接地點電壓進行比較，獲得反電勢過零信號，并將該信號傳輸給光耦隔離電路5;光耦隔離電路5對輸入的信號進行隔離，并將信號輸出給外界的微處理器。
[0016]Y型連接三相對稱電阻網絡I包括第一電阻Rl，第二電阻R2和第三電阻R3，第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3的一端分別連接電機三相端電壓ua、ub, u。，另一端共同相連后作為Y型連接三相對稱電阻網絡I的輸出端。
[0017]電壓分壓電路2包括第四電阻R4、第五電阻R5，第四電阻R4的一端與Y型連接三相對稱電阻網絡I的輸出端相連，另一端與第五電阻R5相連，第五電阻R5另一端接地，第四電阻R4與第五電阻R5接頭處作為電壓分壓電路2的輸出端。
[0018]帶通濾波電路3包括第一電容C1、第二電容C2和第六電阻R6 ;第一電容C1 一端與前端分壓電路2的輸出相連，另一端接地，第一電容C1和第五電阻R5相結合組成帶通濾波電路前端的低通濾波電路；第二電容C2 —端與電壓分壓電路2的輸出端相連，另一端與第六電阻R6相連，第六電阻R6的另一端接地，第二電容C2與第六電阻R6接頭處作為帶通濾波電路3的輸出端；第二電容C2和第六電阻R6相結合組成帶通濾波電路的高通濾波電路；第一電容C1和第五電阻R5組成的低通濾波電路與上述高通濾波路一起構成帶通濾波電路。[0019]過零比較電路4包括第七電阻R7、第三電容C3、第一二極管D1和比較器；第七電阻R7與帶通濾波電路3的輸出端相連，另一端與第三電容C3 —端相連，第三電容C3另一端接地，第七電阻R7與第三電容C3組成深度濾波電路，第七電阻R7與第三電容C3接頭處作為深度濾波電路的輸出端并與比較器的正極相連，作為比較器的正極輸入，比較器的負極輸入接地，第一二極管D1的陽極與比較器正極輸入相連，第一二極管D1的陰極連接到VCCl電源，比較器的輸出作為過零比較電路4的輸出。
[0020]光耦隔離電路5包括第八電阻R8、第九電阻R9和光耦隔離器件；第八電阻R8的一端與前端過零比較電路4輸出相連，另一端與光耦隔離器件的輸入負端相連，作為光耦隔離器的輸入，光耦隔離器件的正端輸入與VCCl電源相連，光耦隔離器件的負端輸出接地，正端與第九電阻R9—端相連并作為轉子位置檢測裝置的最終輸出，第九電阻R9的另一端連接到VCC2電源。
[0021]一種基于上述無刷直流電機反電勢三次諧波的轉子位置檢測裝置的換相方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1、微處理器捕捉光耦隔離電路5輸出的過零信號，與上次捕捉時間相減做差，得到兩個過零點的間隔時間Ti，得到間隔時間Ti后根據(jù)上次換相時間Tc判斷間隔時間Ti是否在[0.5Tc, 1.5Tc]內，如果在，就用新的到的間隔時間Ti代替換相時間Tc，如果Ti不在上述范圍內，將這個新的間隔時間Ti值舍去，換相時間沿用上次的換相時間Tc值，不進行更新；
[0023]步驟2、得到換相時間Tc后，再根據(jù)上次開關管換相動作時間Ta，得到下次的換相時刻Ta+Tc,微處理器在換相時刻控制開關管進行換相操作。
[0024]下面進行更詳細的描述。
[0025]無刷直流電動機的反電勢為梯形波，它包含基波及奇次高次諧波分量，通過對電樞三相端電壓的簡單疊加，可以獲得模擬中性點電壓，從中提取反電勢的三次諧波分量，進行積分，積分值為零時即得功率器件的換相時刻。當無刷直流電動機中性點引出時，可由引出線直接獲得三次諧波信號；當中性點沒有引出時，可以通過星形三相對稱電阻網絡構建模擬中性點，并從中得到三次諧波信號。
[0026]一種基于反電勢三次諧波的無刷直流電機轉子位置檢測裝置和相對應的檢測方法；無刷直流電機位置檢測裝置包括Y型連接三相對稱電阻網絡、電壓分壓電路、帶通濾波電路、過零比較電路和光電隔離電路四部分組成；所述Y型連接三相對稱電阻網絡由三個一端連接到一點的等值電阻組成，三個電阻的非公共端分別連接電機三相端電壓，另一端公共端得到模擬中性點電壓，作為Y型連接三相對稱電阻網絡的輸出端；電壓分壓電路由兩個分壓電阻組成，分壓電路的一端與Y型連接三相對稱電阻網絡的輸出端相連，將模擬中心點電壓引入檢測裝置，兩電阻接頭處作為分壓電路的輸出，提供合適幅值的模擬中心點電壓，分壓電路的另一端接地；分壓電路的輸出接入到后端的帶通濾波電路，帶通濾波電路由一個低通濾波器和一個高通濾波器組成，低通濾波器由濾波電路中的一個低通濾波電容和前端分壓電路中的一個電阻組成，低通濾波電容一端與前端分壓電路的輸出相連，另一端與帶通濾波電路接地端相連，低通濾波電容和分壓電阻相結合組成帶通濾波電路前端的低通濾波電路，高通濾波電路由高通濾波電容和高通濾波電阻組成，高通濾波電容一端與低通濾波電容和前端分壓電路的輸出接頭處相連，另一端與高通濾波電阻相連，高通濾波電阻的另一端與低通濾波電容接地端相連接地，高通濾波電容與高通濾波電阻接頭處作為帶通濾波電路輸出；帶通濾波電路的輸出作為過零比較電路一端輸入，在信號接入比較器之前，要先經過一個深度濾波電路，低通濾波電路的輸出與深度濾波電阻一端相連，深度濾波電阻另一端與深度濾波電容一端相連，深度濾波電容另一端接地，深度濾波電阻與深度濾波電容組成深度濾波電路，深度濾波電阻與深度濾波電容接頭處作為深度濾波電路的輸出與比較器的正極相連，作為比較器的正極輸出，比較器的負極輸入接地，二極管的陽極與深度濾波器的輸出和比較器正極輸入相連，二極管的陰極連接到VCCl電源，該二極管主要為了防止突變的電壓對比較器產生影響，保證電路的穩(wěn)定性和可靠性，比較器的輸出作為過零比較電路的輸出；比較電路的輸出作為光耦隔離電路的一路輸入，比較電路的輸出首先要通過限流電阻，限流電阻一端與前端過零比較電路輸出相連，另一端與光耦隔離器件的輸入負端相連，作為光耦隔離器的輸入，光耦隔離器件的正端輸入與VCCl電源相連，光耦隔離器件的負端輸出接地，正端與光耦輸出電阻一端相連作為轉子位置檢測裝置的最終輸出，光耦輸出電阻的另一端連接到VCC2電源。
[0027]轉子位置檢測裝置的最終輸出接入到微處理器中斷捕獲端口，微處理器捕捉過零檢測裝置輸出的過零信號，與上次捕捉時間相減做差，得到兩個過零點的間隔時間Ti，得到Ti后根據(jù)上次換相時間Tc判斷Ti是否在一合理范圍，如果是一個合理的值，就用新的到的Ti值代替換相時間Tc ;如果Ti不在這個合理范圍內，將這個新的Ti值舍去，換相時間沿用上次的Tc值，不進行更新。得到換相時間Tc后，再根據(jù)上次開關管換相動作時間，計算出下次的換相時刻，然后微處理器控制開關管在換相時刻進行換相操作。
[0028]下面結合實施例進一步說明本發(fā)明的內容。
[0029]實施例
[0030]實施例子所用的電動機是直流變頻空調中使用的壓縮機電動機，其參數(shù)如下:
[0031](I)電動機類型:無刷直流電動機(BLDCM)；
[0032](2)極對數(shù)卬=2;
[0033](3)額定轉速:n = 3600rpm ；
[0034](4)額定輸出功率:W = 650W ；
[0035](5)每相繞組電阻:r = 0.9Ω (20°C)；
[0036](6)母相繞組電感:L。= 3.35mH ；
[0037](7)工作頻率:f = 20 ?190Hz ;
[0038](8)轉子轉動慣量 J = 6.55X 10_4 (Kg.m2)；
[0039](9)電勢系數(shù) Ke = 13.2 (mV/rpm)；
[0040](10)轉矩系數(shù) Kt = 0.392 (N.m/A)。
[0041]無刷直流電機位置檢測裝置的Y型網絡輸入端接電機三相端電壓，得到的模擬中性點電壓經分壓電路將模擬中性點電壓信號經電阻分壓，將帶有反電動勢三次諧波信息的電壓信號采集到檢測裝置中。
[0042]本發(fā)明中的帶通濾波器為無緣帶通濾波器，其具體由一個RC低通濾波器和一個RC高通濾波器組合而成，如圖2所示。低通濾波器同時與前端電阻構成分壓電路，根據(jù)低通濾波器電路列出電壓節(jié)點方程。
【權利要求】
1.一種無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，包括依次連接的Y型連接三相對稱電阻網絡[I]、電壓分壓電路[2]、帶通濾波電路[3]、過零比較電路[4]和光耦隔離電路[5]，Y型連接三相對稱電阻網絡[I]對輸入的電機三相端電壓信號進行疊加，獲得模擬中性點電壓，該電壓經電壓分壓電路[2]分壓后，傳輸給帶通濾波電路[3]，帶通濾波電路[3]消除模擬中性點電壓信號中的高頻分量、低頻分量和直流分量，只保留反電勢三次諧波信息，帶通濾波電路[3]將反電勢信息傳輸給過零比較電路[4];過零比較電路[4]將該信息與接地點電壓進行比較，獲得反電勢過零信號，并將該信號傳輸給光耦隔離電路[5];光耦隔離電路[5]對輸入的信號進行隔離，并將信號輸出給外界的微處理器。
2.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，Y型連接三相對稱電阻網絡[I]包括第一電阻[R1]、第二電阻[R2]和第三電阻[R3L第一電阻[RJ、第二電阻[R2]和第三電阻[R3]的一端分別連接電機三相端電壓ua、ub、u。，另一端共同相連后作為Y型連接三相對稱電阻網絡[I]的輸出端。
3.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，電壓分壓電路[2]包括第四電阻[RJ、第五電阻[R5]，第四電阻[R4]的一端與Y型連接三相對稱電阻網絡[I]的輸出端相連，另一端與第五電阻[R5]相連，第五電阻[R5]另一端接地，第四電阻[R4]與第五電阻[R5]接頭處作為電壓分壓電路[2]的輸出端。
4.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，帶通濾波電路[3]包括第一電容[C1]、第二電容[C2]和第六電阻[R6];第一電容[C1] 一端與前端分壓電路[2]的輸出相連，另一端接地，第一電容[C1]和第五電阻[R5]相結合組成帶通濾波電路前端的低通濾波電路；第二電容[C2] —端與電壓分壓電路[2]的輸出端相連，另一端與第六電阻[R6]相連，第六電阻[R6]的另一端接地，第二電容[C2]與第六電阻[R6]接頭處作為帶通濾波電路[3]的輸出端；第二電容[C2]和第六電阻[R6]相結合組成帶通濾波電路的高通濾波電路；第一電容[C1]和第五電阻[R5]組成的低通濾波電路與上述高通濾波路一起構成帶通濾波電路。`
5.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，過零比較電路[4]包括第七電阻[R7]、第三電容[C3]、第一二極管[D1]和比較器；第七電阻[R7]與帶通濾波電路[3]的輸出端相連，另一端與第三電容[C3] —端相連，第三電容[C3]另一端接地，第七電阻[R7]與第三電容[C3]組成深度濾波電路，第七電阻[R7]與第三電容[C3]接頭處作為深度濾波電路的輸出端并與比較器的正極相連，作為比較器的正極輸入，比較器的負極輸入接地，第一二極管[D1]的陽極與比較器正極輸入相連，第一二極管[D1]的陰極連接到VCCl電源，比較器的輸出作為過零比較電路[4]的輸出。
6.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置，其特征在于，光耦隔離電路[5]包括第八電阻[R8]、第九電阻[R9]和光耦隔離器件；第八電阻[R8]的一端與前端過零比較電路[4]輸出相連，另一端與光耦隔離器件的輸入負端相連，作為光耦隔離器的輸入，光耦隔離器件的正端輸入與VCCl電源相連，光耦隔離器件的負端輸出接地，正端與第九電阻[R9] —端相連并作為轉子位置檢測裝置的最終輸出，第九電阻[R9]的另一端連接到VCC2電源。
7.一種基于權利要求1所述的無刷直流電機轉子位置檢測裝置的換相方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1、微處理器捕捉光耦隔離電路[5]輸出的過零信號，與上次捕捉時間相減做差，得到兩個過零點的間隔時間Ti，得到間隔時間Ti后根據(jù)上次換相時間Tc判斷間隔時間Ti是否在[0.5Tc，1.5Tc]內，如果在，就用新的到的間隔時間Ti代替換相時間Tc，如果Ti不在上述范圍內，將這個新的間隔時間Ti值舍去，換相時間沿用上次的換相時間Tc值，不進行更新； 步驟2、得到換相時間Tc后，再根據(jù)上次開關管換相動作時間Ta，得到下次的換相時刻Ta+Tc，微處理器在換相時刻控制開關管進行換相操作。
【文檔編號】H02P6/16GK103715953SQ201310744926
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權日:2013年12月30日
【發(fā)明者】李強, 王瑞霞, 蔡小玲, 楊偉, 徐斌, 馮承超 申請人:南京理工大學