一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法

1.本发明涉及无刷电机技术领域，特别涉及一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法。


背景技术：

2.直流无刷电机由于其调速性能优越，使用效率高被广泛应用于医疗、航空、汽车、直升机等领域，同时由于直流无刷无感电机的电机内部无需安装传感器，在复杂恶劣工况下不用频繁维修，硬件控制电路简单等优点更是在自动控制领域得到了更多的青睐。
3.目前，直流无刷无感电机由于不存在传感器，因此反电势过零点检测成为了研究热点，然而随着该领域的发展，绝大部分检测方法都存在检测不够精准导致换相失败的问题，尤其是在低速启动情况下反电势较小，电路中还存在功率驱动器件的导通压降导致过零点的偏移和反电势过小等问题，给检测带来更大的困难，不同功率器件由于导通压降的不同导致检测电路通用性不强，同时如果仅在pwm关通区检测又存在占空比无法达到百分百的问题导致电机无法在很高的速度下稳定运行，仅在pwm开通区检测由于低速情况下反电动势小导致过零点被湮没，检测难度大，另外过零点低速工况检测和高速工况检测往往采用不同检测方法，对于高速工况和低速工况均有需求的场合无法发挥很好的作用。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明旨在提出一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，以解决现有无刷无感电机低速启动工况下反电势过小检测困难、功率驱动器件压降差，高速工况下pwm占空比无法达到百分百的缺陷的问题。
5.为达到上述目的，本发明提出了一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其包括对直流无刷无感电机采用pwm方波驱动,通过调节pwm开通区间的时间调节占空比来实现调速，所述pwm调制方式采用在电机每次导通区间内上桥臂pwm调制、下桥臂恒通的hpwm_lon调制方式；
6.在电机的三相桥式驱动电路中，引出电机三相虚拟中性线，提取虚拟三相中性线电压；
7.对所述虚拟三相中性线电压进行rc低通滤波处理；
8.根据电机当前所处启动工况将所述虚拟三相中性线电压输入至对应预设的检测电路以获取反电动势过零点位置信息，所述启动工况包括启动低速工况和启动高速工况。
9.进一步地，所述低速工况的检测电路包括用于补偿功率驱动器件引起的压降差的滑动变阻器、以及将虚拟三相中性线电压进行放大的放大器。
10.进一步地，所述低速工况的检测电路中的放大器输出信号输入pwm关断区比较器，所述pwm关断区比较器输出波形即为低速工况下反电动势过零点方波，低速工况下反电动势过零点方波的高低电平跳变沿即为获取的低速工况下反电势过零点位置。
11.进一步地，所述高速工况的检测电路包括正向输入端输入虚拟三相中性线电压的
pwm开通区比较器，所述pwm开通区比较器的反向输入端输入直流母线电压的一半，所述pwm开通区比较器的输出信号输入至微处理器进行ad采样转化为高速工况下反电动势过零点方波，高速工况下反电动势过零点方波的高低电平跳变沿即为获取的高速工况下反电势过零点位置。
12.进一步地，所述检测电路中包括用于将比较器输出电压调节至所需电压的上拉电阻。
13.进一步地，将所得零点方波高低电平跳变沿作为过零点位置进行延时30度电角度即可进行换相。
14.本发明实施例通过在低速和高速两种不同速度工况下对中性线电压与不同参考电压进行比较，针对性的解决了低速启动阶段反电势过零点由于压降差导致的过零点偏移和反电势太小不易检测的问题，同时也解决了速度要求高的情况下由于在pwm关断区占空比无法达到百分百的问题，本发明无论是在低速还是高速情况下，都能精准检测反电势过零点，解决了高速和低速工况下反电势过零点检测方法不兼容的问题，成本低，精度高，通用性强。
附图说明
15.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
16.图1为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法的hpwm_lon调制方式示意图；
17.图2为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法的电机三相中性线电压提取电路图；
18.图3为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中电机其中一相未导通时端电压波形图；
19.图4为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中性线电压波形与反电势过零点方波示意图；
20.图5为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中电机在高速工况下反电势过零点检测电路图；
21.图6为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中电机在低速工况下反电势过零点检测电路图；
22.图7为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法的流程示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示
所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
25.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
26.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.如图7所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法的流程示意图，本发明实施例所采用的桥式驱动电路调制方式为hpwm_lon调制，采用不同的pwm调制方式，电机的控制效果和过零点在电机三相端电压波形中所处的位置都不一样，考虑到二极管的续流以及功率开关管器件的压降以及控制效果最优，所以采用hpwm_lon调制方式，即在电机一个电角度调制期间，采用上桥pwm调制，下桥恒通的调制方式。
29.本发明实施例所采取的调制方式对应的电机三相端电压过零点的位置理论上在忽略功率驱动器件压降的前提下在pwm开通区和关断区处于相同位置，电机任意两相导通时未导通相反电势过零点在未导通相端电压波形中有两个位置可以进行检测，利用此种调制方式的特性可以对过零点的两处位置进行检测与不同的参考电压进行比较来获取任意速度工况下的精确反电势过零点信号。
30.本发明实施例的检测方法通过引出电机三相的中性线电压作为初级信号，由于电路中功率开关管开关噪声的影响，中性线电压存在一定杂波，因此对中性线电压进行简单的rc低通滤波即可得到可靠的初级检测信号。
31.本发明实施例在电机具有一定速度能够获取足够大的反电势情况下，由于此时在pwm开通区中性线电压为母线电压分量与未导通相反电势分量之和，同时在pwm开通时，由于功率器件自身内阻足够小，功率驱动器件所引起的压降可以忽略不计，因此通过将中性线电压信号输入比较器的同相输入端，将直流母线电压的所含分量输入给比较器反向输入端，再对比较器输出高低电平在pwm开通区进行ad采样转化为过零点方波，方波高低电平跳变沿位置即为反电势过零点的准确位置。
32.本发明实施例在电机启动低速无法获取足够大的反电势时，由于此时在pwm关断区直流母线电压为零，因此未导通相端电压只含反电动势电压信号，但由于功率器件大都存在反并联二极管，二极管导通压降带来的误差会使反电势过零点偏移准确位置，直接利用中性线电压作为检测信号无法准确获取过零点的位置导致换相失败，因此本发明设计的低速启动阶段检测电路针对这一问题采用了电压补偿方法，针对二极管导通压降无法准确获取的问题，通过调节滑动变阻器的阻值即可补偿任何类型的功率驱动器件引起的压降差，另外，由于低速启动过程，反电势比较小，通过放大器将补偿后的中性线电压输入比较器正向输入端，比较器反向输入端直接接地，比较器输出无需ad采样转化直接就能得到过零点方波，方波高低电平跳变沿位置即为反电势过零点的准确位置。检测电路简单高效，通用性强，很好的解决了直流无刷电机低速启动过程中反电势太小、二极管压降带来的误差等问题。
33.本发明实施例通过在低速和高速两种不同速度工况下对中性线电压与不同参考电压进行比较，硬件上无需多余器件只需一个双通道比较器和一个放大器即可实现两种速度工况检测，针对性的解决了低速启动阶段反电势过零点由于压降差导致的过零点偏移和反电势太小不易检测的问题，同时也解决了速度要求高的情况下由于在pwm关断区占空比无法达到百分百的问题，本发明无论是在低速还是高速情况下，都能精准检测反电势过零点，解决了高速和低速工况下反电势过零点检测方法不兼容的问题，成本低，精度高，通用性强
34.下面将参考附图1-6并结合实施例来详细说明本发明。
35.如图1所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法方法所对应的pwm调制方法，直流无刷电机在一个电角度周期内有六个换相状态，即六步换相，桥式驱动电路由六个功率器件构成，采用上桥三个依次排列下桥三个依次排列的排列方式，在电机每一步换相时导通上桥和下桥而驱动电机转动，直流无刷电机pwm调制方法有多种，然而不同调制方法控制效果和所对应的过零点处于端电压波形中的位置都不一样，而模拟中性线电压由端电压得出，为了得到更好的控制性能更准确检测过零点，因此本发明采用一个电角度周期内上桥pwm调制，下桥恒通的调制方式。
36.如图2所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法的hpwm_lon调制方式电机中性线电压提取电路，r01、r02、r03为三个阻值相等的电阻，引出电机三相中性线，经过r04和c01组成的rc低通滤波即可提取中性线电压。
37.如图3所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法检测电路直流无刷电机某一相未导通时端电压波形，2002、2003为pwm开通区反电势过零点在未导通时端电压波形中的位置，2004、2009为pwm关断区反电势过零点在未导通时端电压波形中的理论实际位置，但由于反并联二极管导通压降的存在，以功率驱动器件为mos管为例，在pwm关断区，未导通相端电压
[0038][0039]
其中ea为a相反电动势,v
mos
为mos管导通压降，vd为反并联二极管导通压降，由于mos管内阻非常小，因此v
mos
可以忽略不计，但由于低速时ea还很小，所以端电压会因为vd的存在向下偏移，这将直接影响过零点的检测，实际检测到的过零点偏移至2005、2008处所在位置，在pwm开通区，比较器反向输入端电压为2001所在电压，电压值为母线电压一半，在pwm关断区比较器反向输入端电压通过调节滑动变阻器阻值将参考值从2007处调整为2006处电压，2006处电压为0。
[0040]
如图4所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中直流无刷无感电机三相引出的虚拟中性线电路示意图，比较器通过两个不同的参考电压值与3002中性线电压进行比较，3003为高速情况下比较器输出波形，由于高速情况下比较器输出波形不是方波，并且比较器输出波形高电平与pwm开通区高电平一致，因此需要对比较器输出波形3003进行ad采样、保持转化为3006过零点方波。而在低速情况下，在pwm关断区中性线电压通过补偿电压的叠加，比较器输出就是3006的过零点方波，不管是在开通区和关断区，都能检测到3001、3005的反电势过零点准确位置，通过过零点延时30度电角度即为换相点3004的准确位置。
[0041]
如图5所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中电机在高速工况下反电势过零点检测电路图，将滤波后的三相中性线电压输入比较器comparator正向输入端3，比较器反向输入端2为直流母线电压的一半，图中r05、r06为两个阻值相等的电阻，udc为直流电源电压，再将比较器的输出通过上拉电阻r09调整至所需电压，最后将wave_open高低电平反馈至微处理器进行pwm开通区ad采样、保持处理成过零点方波，方波高低电平跳变沿即为获取的反电势过零点准确位置。
[0042]
如图6所示为本发明实施例提供的一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法中电机在低速工况下反电势过零点检测电路图，通过调节rp01滑动变阻器的阻值来获取分压阻值，无需计算和查阅，阻值即为二极管导通压降值，由于低速启动过程，反电势比较小，因此将该电压补偿与中性线电压相加输入给lm358放大器的正向输入端，放大倍数为放大器的输出再输入给
[0043]
比较器comparator的一个正向输入端5，比较器反相输入端6接地为零，再将比较器的输出通过上拉电阻r09调整至所需电压，最后所得wave_close高低电平即为过零点方波，方波高低电平跳变沿即为获取的反电势过零点准确位置。
[0044]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，对直流无刷无感电机采用pwm方波驱动,通过调节pwm开通区间的时间调节占空比来实现调速，所述pwm调制方式采用在电机每次导通区间内上桥臂pwm调制、下桥臂恒通的hpwm_lon调制方式；在电机的三相桥式驱动电路中，引出电机三相虚拟中性线，提取虚拟三相中性线电压；对所述虚拟三相中性线电压进行rc低通滤波处理；根据电机当前所处启动工况将所述虚拟三相中性线电压输入至对应预设的检测电路以获取反电动势过零点位置信息，所述启动工况包括启动低速工况和启动高速工况。2.根据权利要求1所述的直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，所述低速工况的检测电路包括用于补偿功率驱动器件引起的压降差的滑动变阻器、以及将虚拟三相中性线电压进行放大的放大器。3.根据权利要求2所述的直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，所述低速工况的检测电路中的放大器输出信号输入pwm关断区比较器，所述pwm关断区比较器输出波形即为低速工况下反电动势过零点方波，低速工况下反电动势过零点方波的高低电平跳变沿即为获取的低速工况下反电势过零点位置。4.根据权利要求1所述的直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，所述高速工况的检测电路包括正向输入端输入虚拟三相中性线电压的pwm开通区比较器，所述pwm开通区比较器的反向输入端输入直流母线电压的一半，所述pwm开通区比较器的输出信号输入至微处理器进行ad采样转化为高速工况下反电动势过零点方波，高速工况下反电动势过零点方波的高低电平跳变沿即为获取的高速工况下反电势过零点位置。5.根据权利要求3或4中所述的直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，所述检测电路中包括用于将比较器输出电压调节至所需电压的上拉电阻。6.根据权利要求5所述的直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其特征在于，将所得零点方波高低电平跳变沿作为过零点位置进行延时30度电角度即可进行换相。

技术总结
本发明提供了一种直流无刷无感电机反电动势过零点检测方法，其通过在低速和高速两种不同速度工况下对中性线电压与不同参考电压进行比较，针对性的解决了低速启动阶段反电势过零点由于压降差导致的过零点偏移和反电势太小不易检测的问题，同时也解决了速度要求高的情况下由于在PWM关断区占空比无法达到百分百的问题，本发明无论是在低速还是高速情况下，都能精准检测反电势过零点，解决了高速和低速工况下反电势过零点检测方法不兼容的问题，成本低，精度高，通用性强。通用性强。通用性强。


技术研发人员：黄康 龚成 丁曙光 夏伟
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/4