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一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路的制作方法

文檔序號:11111595閱讀:1024來源:國知局
一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及一種無刷直流電機換相電路,特別是一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路。



背景技術(shù):

無刷直流電機具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、功率密度高、效率高、體積小、無電刷等優(yōu)點,具有比直流電機更優(yōu)越的性能,廣泛應用在機器人、數(shù)控機床等高性能運動控制領(lǐng)域。隨著控制理論和電力電子器件的快速發(fā)展,無刷直流電機的應用愈加廣泛,而無刷直流電機控制性能的好壞,關(guān)鍵取決于電機換相電路的準確性和可靠性。

現(xiàn)有的無刷直流電機換相電路主要分為基于位置傳感器的換相電路和基于無位置傳感器的換相電路兩部分?;谖恢脗鞲衅鞯膿Q相電路又可分為兩部分,第一種包括:霍爾傳感器、光電碼盤、差動電路接收器和控制器,第二種包括:旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制器。這兩種電路的優(yōu)點都是檢測精度比較高,缺點是增加電機的成本和體積,引出線較多,降低系統(tǒng)抗干擾性和可靠性?;跓o位置傳感器的換相電路主要借助于采集電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參量,結(jié)合電機的數(shù)學模型和相關(guān)參數(shù)進行一系列復雜的算法來實現(xiàn)電機的換相,優(yōu)點是可以省掉機械式位置傳感器,降低電機體積和成本,缺點是算法復雜,實時性差,實現(xiàn)困難,并且由于電機參數(shù)和數(shù)學模型的不確定性,導致電機換相點計算準確性降低。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提供一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路,解決無刷直流電機控制中的換相問題。

一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路,包括:功率主電路和DSP控制器,還包括:反電勢檢測與濾波電路、隔離放大電路、零點捕捉電路和位置檢測電路。

反電勢檢測與濾波電路包括:電阻R1、電阻R2、電容C1。隔離放大電路包括:運算放大器U1、線性光耦U2和運算放大器U3。零點捕捉電路包括:電壓過零比較器U4。位置檢測電路包括:鎖相芯片U7、串行計數(shù)器U8、8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A、8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B、反相器U10、或門U12、撥碼開關(guān)U13。功率主電路包括:一個驅(qū)動電路U14,六個功率組件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6,每個功率組件均有D、G、S三個接線端。

電機輸入端子A分別功率組件VT1的S端、VT4的D端、反電勢檢測與濾波電路的輸入端、電阻R1的一端連接,電阻R1的另一端分別與電阻R2的一端、電容C1的一端、電阻R3的一端連接,電阻R2的另一端和電容C1的另一端分別與電機中性點N連接,電阻R3的另一端分別與運算放大器U1的負向輸入端、電容C2的一端和線性光耦U3內(nèi)部的光電二極管LED2的陰極連接,運算放大器U1的正電源端與其供電電源正極+VCC1連接,運算放大器U1的負電源端與其供電電源的負極-VCC1連接,運算放大器U1的正向輸入端與其供電電源的地端AGND1連接,線性光耦U2內(nèi)部的光電二極管LED2的陽極與運算放大器U2的供電電源的地端AGND1連接,電容C2的另一端與運算放大器U2的輸出端和電阻R4的一端連接,電阻R4的另一端與線性光耦U2輸入端發(fā)光二極管LED1的陰極連接,線性光耦U2輸入端發(fā)光二極管的陽極與其供電電源的正極+VCC1連接,線性光耦U2內(nèi)部的發(fā)光二極管LED3的陰極分別與運算放大器U3的負向輸入端、電阻R5的一端和電容C3的一端連接,線性光耦U2內(nèi)部的發(fā)光二極管LED3的陽極分別與運算放大器U3的供電電源的地端AGND2、運算放大器U3的正向輸入端連接,運算放大器U3的正電源端與其供電電源正極+VCC2連接,運算放大器U3的負電源端與其供電電源的負極-VCC2連接,電阻R5的另一端與電阻R6的一端連接、電容C3的另一端和運算放大器U3的輸出端連接,電阻R6的另一端與電壓過零比較器U4的負向輸入端連接,電壓過零比較器U4的正向輸入端與其供電電源的地端AGND2連接,電壓過零比較器U4的正電源端與其供電電源正極+VCC2連接,負電源端與其供電電源的地端AGND2連接。電壓過零比較器U4的輸出端與電阻R7的一端連接、鎖相芯片U5的輸入端和DSP控制器的輸入端連接,DSP控制器的電源端與其供電電源+VCC4連接,DSP控制器的地端與電壓過零比較器U4的供電電源的地端AGND2連接,電阻R7的另一端分別與電壓過零比較器U4的供電電源正極+VCC3連接,鎖相芯片U7的輸出端分別與串行計數(shù)器U8的輸入端、DSP控制器的輸入端連接,串行計數(shù)器U8的輸出端分別與8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A的輸入端和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B的輸入端連接,8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A的輸出端和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B的輸出端均與或門U12的輸入端連接,或門U12的輸出端與鎖相芯片U7的反饋端連接,撥碼開關(guān)U13由四個1端和四個0端組成,撥碼開關(guān)U13的四個1端分別與上拉電阻R8、R9、R10、R11的一端、8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A的數(shù)據(jù)選擇端和片選信號端、8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B的數(shù)據(jù)選擇端、反相器U10的輸入端連接,撥碼開關(guān)U13的四個0端分別與DSP控制器的電源地端連接,上拉電阻R8、R9、R10、R11的另一端均與DSP控制器的電源正極連接,反相器U10的輸出端與8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B的片選信號端連接,DSP控制器的輸出端與功率主電路的驅(qū)動電路U14的輸入端連接,驅(qū)動電路U14的輸出端分別與功率主電路的六個功率組件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的連接;功率組件VT1的S端和VT4的D端、VT3的S端和VT6的D端、VT5的S端和VT2的D端分別串聯(lián)之后形成三個支路,S1的D端、VT3的D端、VT5的D端分別與供電直流母線的正極連接,VT4的S端、VT6的S端、VT2的S端分別與供電直流母線的負極連接,從VT1的S端、VT3的S端、VT5的S端引出三個接線點分別接到無刷直流電機的A、B、C三個輸入端子。

直流無刷電機運行時,反電勢檢測與濾波電路將電機的相電壓信號uAS進行分壓和濾波,得到電機的準反電勢信號eAS’,利用隔離放大電路將準反電勢信號eAS’進行隔離和放大之后生成信號eAS”,零點捕獲電路將信號eAS”轉(zhuǎn)換為方波位置信號θAS’,鎖相環(huán)芯片U7將θAS’倍頻傳輸至串行計數(shù)器U8,串行計數(shù)器U8將信號進行計數(shù)之后,分別傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B,8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B將信號傳輸至或門U12,或門U12將高頻脈沖位置信號θAS”傳輸至鎖相環(huán)芯片U7,撥碼開關(guān)U13分別將二進制開關(guān)信號D2D1D0分別傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B,撥碼開關(guān)U13將二進制開關(guān)信號D3分別傳輸至反相器U10和8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A,反相器U10將信號傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B。

高頻脈沖位置信號θAS”的頻率等于θAS’的頻率的P倍,其中,P為2的M次方,且M的數(shù)值等于2N,N為撥碼開關(guān)U13預先設(shè)定的四位二進制開關(guān)信號D3D2D1D0對應的十進制整數(shù),D3對應四位二進制的最高位,D2對應四位二進制的次高位,D1對應四位二進制的次低位,D0對應四位二進制的最低位,DSP控制器6實時讀取方波位置信號θAS’和高頻脈沖位置信號θAS”,利用方波位置信號θAS’的上升沿來判斷電機一個電周期的絕對零位置,當方波位置信號θAS’的上升沿到來時,電機已經(jīng)旋轉(zhuǎn)一周,DSP控制器將捕捉的θAS”信號計數(shù)值清零。DSP控制器利用預定時間段內(nèi)捕捉的高頻脈沖位置信號θAS”的計數(shù)值X,得到電機的轉(zhuǎn)速ω=。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速,確定無刷直流電機轉(zhuǎn)子相對于A相過零點的角度θr,當電機正轉(zhuǎn)時,θr的數(shù)值為:,其中,,R1、R2分別為反電勢檢測與濾波電路1中R1、R2的電阻值,C1為反電勢檢測與濾波電路1中的電容值;當電機反轉(zhuǎn)時,θr的數(shù)值為:,電機正轉(zhuǎn)時,當θr=30°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT6和VT1導通,同時將VT2、VT3、VT4、VT5關(guān)斷,當θr=90°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT1和VT2導通,同時將VT3、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=150°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT2和VT3導通,同時將VT1、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=210°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT3和VT4導通,同時將VT1、VT2、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=270°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT4和VT5導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT6關(guān)斷,當θr=330°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT5和VT6導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT4關(guān)斷。電機反轉(zhuǎn)時,當θr=30°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT3和VT4導通,同時將VT1、VT2、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=90°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT4和VT5導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT6關(guān)斷,當θr=150°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT5和VT6導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT4關(guān)斷,當θr=210°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT6和VT1導通,同時將VT2、VT3、VT4、VT5關(guān)斷,當θr=270°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT1和VT2導通,同時將VT3、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=330°時,DSP控制器輸出信號至驅(qū)動電路U14,將VT2和VT3導通,同時將VT1、VT4、VT5、VT6關(guān)斷。至此,實現(xiàn)無刷直流電機的換相。

本發(fā)明無需在無刷直流電機端安裝專門的位置傳感器,避免了復雜的檢測電路,降低了電機成本,減小了電機安裝體積,提高了換相精度和可靠性;采用反電勢檢測與濾波電路從電機的相電壓信號中提取準反電勢信號,無需電壓傳感器,減弱了電磁干擾;可以通過軟件計算補償電機轉(zhuǎn)子位置的檢測偏差,簡單靈活易實現(xiàn)??赏ㄟ^撥碼開關(guān)選擇電機轉(zhuǎn)子位置的分辨率,簡單易實現(xiàn)。撥碼開關(guān)U13預先設(shè)定的四位二進制開關(guān)信號D3D2D1D0對應的十進制整數(shù)N越大,高頻脈沖位置信號θAS”的頻率相對于方波位置信號θAS’的倍數(shù)P越大,換相精度越高,但是對DSP控制器6的脈沖捕捉能力要求越高,實際應用中,根據(jù)換相精度要求和DSP控制器6的脈沖捕捉頻率范圍,選擇合適的P值和N值。

附圖說明

圖1 一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2 一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路的位置檢測電路示意圖;

1.反電勢檢測與濾波電路 2.隔離放大電路 3.零點捕捉電路 4.位置檢測電路

5.功率主電路 6.DSP控制器 7.鎖相環(huán)芯片U7 8.串行計數(shù)器U8

9.8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A 10.反相器U10 11.8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B 12.或門U12

13.撥碼開關(guān)U13 14.驅(qū)動電路U14。

具體實施方式

一種基于無位置傳感器的無刷直流電機換相電路,包括:功率主電路5和DSP控制器6,還包括:反電勢檢測與濾波電路1、隔離放大電路2、零點捕捉電路3和位置檢測電路4。

反電勢檢測與濾波電路1包括:電阻R1、電阻R2、電容C1;隔離放大電路2包括:運算放大器U1、線性光耦U2和運算放大器U3;零點捕捉電路3包括:電壓過零比較器U4;位置檢測電路4包括:鎖相芯片U7、串行計數(shù)器U88、8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9、8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11、反相器U1010、或門U1212、撥碼開關(guān)U1313;功率主電路5包括:一個驅(qū)動電路U1414,六個功率組件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6,每個功率組件均有D、G、S三個接線端。

電機輸入端子A分別功率組件VT1的S端、VT4的D端、反電勢檢測與濾波電路1的輸入端、電阻R1的一端連接,電阻R1的另一端分別與電阻R2的一端、電容C1的一端、電阻R3的一端連接,電阻R2的另一端和電容C1的另一端分別與電機中性點N連接,電阻R3的另一端分別與運算放大器U1的負向輸入端、電容C2的一端和線性光耦U3內(nèi)部的光電二極管LED2的陰極連接,運算放大器U1的正電源端與其供電電源正極+VCC1連接,運算放大器U1的負電源端與其供電電源的負極-VCC1連接,運算放大器U1的正向輸入端與其供電電源的地端AGND1連接,線性光耦U2內(nèi)部的光電二極管LED2的陽極與運算放大器U2的供電電源的地端AGND1連接,電容C2的另一端與運算放大器U2的輸出端和電阻R4的一端連接,電阻R4的另一端與線性光耦U2輸入端發(fā)光二極管LED1的陰極連接,線性光耦U2輸入端發(fā)光二極管的陽極與其供電電源的正極+VCC1連接,線性光耦U2內(nèi)部的發(fā)光二極管LED3的陰極分別與運算放大器U3的負向輸入端、電阻R5的一端和電容C3的一端連接,線性光耦U2內(nèi)部的發(fā)光二極管LED3的陽極分別與運算放大器U3的供電電源的地端AGND2、運算放大器U3的正向輸入端連接,運算放大器U3的正電源端與其供電電源正極+VCC2連接,運算放大器U3的負電源端與其供電電源的負極-VCC2連接,電阻R5的另一端與電阻R6的一端連接、電容C3的另一端和運算放大器U3的輸出端連接,電阻R6的另一端與電壓過零比較器U4的負向輸入端連接,電壓過零比較器U4的正向輸入端與其供電電源的地端AGND2連接,電壓過零比較器U4的正電源端與其供電電源正極+VCC2連接,負電源端與其供電電源的地端AGND2連接;電壓過零比較器U4的輸出端與電阻R7的一端連接、鎖相芯片U5的輸入端和DSP控制器6的輸入端連接,DSP控制器6的電源端與其供電電源+VCC4連接,DSP控制器6的地端與電壓過零比較器U4的供電電源的地端AGND2連接,電阻R7的另一端分別與電壓過零比較器U4的供電電源正極+VCC3連接,鎖相芯片U7的輸出端分別與串行計數(shù)器U88的輸入端、DSP控制器6的輸入端連接,串行計數(shù)器U88的輸出端分別與8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9的輸入端和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11的輸入端連接,8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9的輸出端和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11的輸出端均與或門U1212的輸入端連接,或門U1212的輸出端與鎖相芯片U7的反饋端連接,撥碼開關(guān)U1313由四個1端和四個0端組成,撥碼開關(guān)U1313的四個1端分別與上拉電阻R8、R9、R10、R11的一端、8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9的數(shù)據(jù)選擇端和片選信號端、8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11的數(shù)據(jù)選擇端、反相器U1010的輸入端連接,撥碼開關(guān)U1313的四個0端分別與DSP控制器6的電源地端連接,上拉電阻R8、R9、R10、R11的另一端均與DSP控制器6的電源正極連接,反相器U1010的輸出端與8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11的片選信號端連接,DSP控制器6的輸出端與功率主電路5的驅(qū)動電路U1414的輸入端連接,驅(qū)動電路U1414的輸出端分別與功率主電路5的六個功率組件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的連接;功率組件VT1的S端和VT4的D端、VT3的S端和VT6的D端、VT5的S端和VT2的D端分別串聯(lián)之后形成三個支路,S1的D端、VT3的D端、VT5的D端分別與供電直流母線的正極連接,VT4的S端、VT6的S端、VT2的S端分別與供電直流母線的負極連接,從VT1的S端、VT3的S端、VT5的S端引出三個接線點分別接到無刷直流電機的A、B、C三個輸入端子。

直流無刷電機運行時,反電勢檢測與濾波電路1將電機的相電壓信號uAS進行分壓和濾波,得到電機的準反電勢信號eAS’,利用隔離放大電路2將準反電勢信號eAS’進行隔離和放大之后生成信號eAS”,零點捕獲電路將信號eAS”轉(zhuǎn)換為方波位置信號θAS’,鎖相環(huán)芯片U77將θAS’倍頻傳輸至串行計數(shù)器U88,串行計數(shù)器U88將信號進行計數(shù)之后,分別傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11,8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11將信號傳輸至或門U1212,或門U1212將高頻脈沖位置信號θAS”傳輸至鎖相環(huán)芯片U77,撥碼開關(guān)U1313分別將二進制開關(guān)信號D2D1D0分別傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9和8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11,撥碼開關(guān)U1313將二進制開關(guān)信號D3分別傳輸至反相器U1010和8選1數(shù)據(jù)選擇器U9A9,反相器U1010將信號傳輸至8選1數(shù)據(jù)選擇器U11B11。

高頻脈沖位置信號θAS”的頻率等于θAS’的頻率的P倍,其中,P為2的M次方,且M的數(shù)值等于2N,N為撥碼開關(guān)U1313預先設(shè)定的四位二進制開關(guān)信號D3D2D1D0對應的十進制整數(shù),D3對應四位二進制的最高位,D2對應四位二進制的次高位,D1對應四位二進制的次低位,D0對應四位二進制的最低位,DSP控制器66實時讀取方波位置信號θAS’和高頻脈沖位置信號θAS”,利用方波位置信號θAS’的上升沿來判斷電機一個電周期的絕對零位置,當方波位置信號θAS’的上升沿到來時,電機已經(jīng)旋轉(zhuǎn)一周,DSP控制器6將捕捉的θAS”信號計數(shù)值清零;DSP控制器6利用預定時間段內(nèi)捕捉的高頻脈沖位置信號θAS”的計數(shù)值X,得到電機的轉(zhuǎn)速ω=;根據(jù)電機轉(zhuǎn)速,確定無刷直流電機轉(zhuǎn)子相對于A相過零點的角度θr,當電機正轉(zhuǎn)時,θr的數(shù)值為:,其中,,R1、R2分別為反電勢檢測與濾波電路11中R1、R2的電阻值,C1為反電勢檢測與濾波電路11中的電容值;當電機反轉(zhuǎn)時,θr的數(shù)值為:,電機正轉(zhuǎn)時,當θr=30°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT6和VT1導通,同時將VT2、VT3、VT4、VT5關(guān)斷,當θr=90°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT1和VT2導通,同時將VT3、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=150°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT2和VT3導通,同時將VT1、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=210°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT3和VT4導通,同時將VT1、VT2、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=270°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT4和VT5導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT6關(guān)斷,當θr=330°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT5和VT6導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT4關(guān)斷;電機反轉(zhuǎn)時,當θr=30°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT3和VT4導通,同時將VT1、VT2、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=90°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT4和VT5導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT6關(guān)斷,當θr=150°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT5和VT6導通,同時將VT1、VT2、VT3、VT4關(guān)斷,當θr=210°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT6和VT1導通,同時將VT2、VT3、VT4、VT5關(guān)斷,當θr=270°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT1和VT2導通,同時將VT3、VT4、VT5、VT6關(guān)斷,當θr=330°時,DSP控制器6輸出信號至驅(qū)動電路U1414,將VT2和VT3導通,同時將VT1、VT4、VT5、VT6關(guān)斷;至此,實現(xiàn)無刷直流電機的換相。

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