CN102012454B - 永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法，包括步骤：给电机的三个定子绕组中的其中两相施加PWM电压；在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压；计算两倍的所述不导通相的电压与所述导通相的电压的差值来判断反电动势是否过零。本发明还提供一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测装置。本发明由于不在所述PWM波形为高电平期间进行检测，因此在检测过程中无需滤波而无高频噪声，整个检测过程控制性能好、精度高、适用范围广、实现简单且成本低廉，可方便地确定在运行过程中的所述电机转子位置，实现无霍尔传感器的无刷直流电机的控制。

Description

永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法及装置

技术领域

本发明涉及永磁直流无刷无霍尔电机技术领域，具体来说，本发明涉及一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法及过零检测装置。

背景技术

对于永磁直流无刷无霍尔电机，在运行过程中，为了准确换相，应该首先确定其转子的位置。而为了确定转子的位置，可以采用反电动势过零检测法。现有的一些反电动势的过零检测方法包括：

(1)测量电机的不导通相的端电压来确定反电动势的过零点的检测方法。但是其需要获得电机绕组的中位点电压，信噪比低，需要进行滤波从而造成相移，控制性能差。

(2)虚拟中位点电压的反电动势的过零检测方法。但是该虚拟的中位点电压会随着脉冲宽度调制(PWM)的频率变化，会带来极大的共模电平和高频噪声，需要进行滤波，控制精度差。

(3)直接反电动势的过零检测方法。该方法为在二极管续流期间，检测不导通相的电压，运用比较器获得过零点。但是该方法不适合电枢电感较小的电机，续流时间太短，需外接比较器，成本太高。

因此，需要一种控制性能好、精度高、适用范围广、实现简单且成本低廉的反电动势的过零检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制性能好、精度高、适用范围广、实现简单且成本低廉的永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法及过零检测装置，用于方便地确定在运行过程中的电机的转子位置，实现无霍尔传感器的无刷直流电机的控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法，包括步骤：

给电机的三个定子绕组中的其中两相施加PWM电压；

在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压；

由公式计算两倍的所述不导通相的电压与所述导通相的电压的差值来判断所述反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

本发明还提供一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测装置，包括：

PWM电压施加单元，与电机相连接，用于给所述电机的三个定子绕组中的其中两相施加PWM电压；

相电压检测单元，与所述PWM电压施加单元和所述电机相连接，用于在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压；

判断单元，与所述相电压检测单元相连接，用于由公式

计算两倍的所述不导通相的电压与所述导通相的电压的差值来判断所述反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在施加给电机定子绕组的电压的PWM波形为低电平期间且续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压，据此来判断所述电机反电动势的过零点。由于不在所述PWM波形为高电平期间进行检测，因此在检测过程中无需滤波而无高频噪声，整个检测过程控制性能好、精度高、适用范围广、实现简单且成本低廉，可以方便地确定在运行过程中的所述电机转子位置，实现无霍尔传感器的无刷直流电机的控制。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机及其主要驱动电路的等效示意图；

图2为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机的PWM波形的示意图；

图3为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法的流程图；

图4为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测装置的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

在开始描述本发明的具体实施例之前，先来看一下本发明中的判断永磁直流无刷无霍尔电机的反电动势是否过零的公式的详细推导过程：

假设本发明实施例的永磁直流无刷无霍尔电机三相对称，则在理想状态下，该电机及其主要驱动电路的等效示意图可以如图1所示。如图所示，该电机M可以等效为由三个定子绕组A、B、C三相组成的结构，其中A相可以包括串联连接的电阻R_A、电感L_A和对母线地的反电动势e_A，类似地B相可以包括串联连接的电阻R_B、电感L_B和对母线地的反电动势e_B，C相可以包括串联连接的电阻R_C、电感L_C和对母线地的反电动势e_C，U_N为定子绕组中位点的电压。另外，T₁和T₂、T₃和T₄、T₅和T₆分别为A相定子绕组的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管、B相定子绕组的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管、C相定子绕组的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管，它们都是由PWM信号控制其开关的通断的。类似地，D₁和D₂、D₃和D₄、D₅和D₆分别为与各相定子绕组的上、下桥臂的开关管T₁和T₂、T₃和T₄、T₅和T₆并联连接的续流二极管。最后，U_d为施加在各定子绕组上、下桥臂之间的母线电压。

则该电机的A、B、C三相电压方程式可以写为：

$U_A=R_A\×i_A+L_A\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}+e_A+U_N---\left(1\right)$

$U_B=R_B\×i_B+L_B\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}+e_B+U_N---\left(2\right)$

$U_C=R_C\×i_C+L_C\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}+e_C+U_N---\left(3\right)$

其中，U_A、U_B、U_C分别为A、B、C三相对母线地的端电压，i_A、i_B、i_C分别为A、B、C三相的电流。由于该电机M为三相对称星型接法，则

e_A+e_B+e_C＝0(4)

假设该电机M的A相上桥臂用PWM调制(此时A相称为导通相)、B相下桥臂恒通(此时B相称为恒通相)且C相为不导通相，则在A相上桥臂的开关管T₁上的PWM波形为低电平期间，该电机M通过A相下桥臂的二极管D₂续流。图2为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机的PWM波形的示意图，图中t_{fw_on}为PWM波形为低电平期间电机M续流的时间，t_{fw_off}为PWM波形为低电平期间电机M续流结束后的时间。当电机M续流结束后，U_B、i_A、i_B、i_C为零，由公式(1)、(2)、(3)、(4)可以得到：

$U_N=\frac{U_A+U_C}{3}---\left(5\right)$

把公式(5)代入公式(3)中，可以得到当A、B相通电时，C相对母线地的反电动势e_C为：

$e_C=\frac{2U_C-U_A}{3}---\left(6\right)$

根据本领域中判定电机反电动势过零点的一般定义，只需观察e_C的值是否由正变负或者由负变正，即只需比较2U_C与U_A之间的大小就可以检测电机反电动势的过零点。

同理，可以归纳得到永磁直流无刷无霍尔电机任意两相通电时的反电动势的过零检测方法：

假设在某一PWM周期内，X为PWM导通相，Y为恒通相，Z为不导通相，则不导通相对母线地的反电动势e_Z为：

$e_Z=\frac{2U_Z-U_X}{3}---\left(7\right)$

则通过观察e_Z的值就可以检测电机反电动势的过零点。

基于上述的理论，本发明在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测PWM信号的导通相和不导通相的电压，根据公式(7)计算是否由正变负或者由负变正，就可以得到电机反电动势是否过零的信号。这种方法适用于所有三相永磁直流无刷无霍尔电机的PWM半桥调制方法。

具体来说，图3为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法的流程图。如图所示，该方法可以包括：

执行步骤S101，给电机的三个定子绕组中的其中两相施加PWM电压；

执行步骤S102，在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测电机的导通相和不导通相的电压；

执行步骤S103，由公式

计算两倍的不导通相的电压与导通相的电压的差值来判断反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

在本实施例中，检测电机的导通相和不导通相的电压可以采用本领域中公知的技术手段来完成。

图4为本发明一个实施例的永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测装置的示意图。如图所示，该过零检测装置400可以包括：

PWM电压施加单元401，与电机M相连接，用于给电机的三个定子绕组中的其中两相施加PWM电压；

相电压检测单元402，与PWM电压施加单元401和电机M相连接，用于在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测电机M的导通相和不导通相的电压；

判断单元403，与相电压检测单元402相连接，用于由公式

计算两倍的不导通相的电压与导通相的电压的差值来判断反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

在本实施例中，一控制单元404可以与判断单元403和电机M相连接，用于当判断单元403确定了电机M的反电动势的过零点之后，根据该过零点的检测结果相应地确定电机转子的位置，来实现电机M的连续运转。

本发明在施加给电机定子绕组的电压的PWM波形为低电平期间且续流结束后，检测电机的导通相和不导通相的电压，据此来判断电机反电动势的过零点。由于不在PWM波形为高电平期间进行检测，因此在检测过程中无需滤波而无高频噪声，整个检测过程控制性能好、精度高、适用范围广、实现简单且成本低廉，可以方便地确定在运行过程中的电机转子位置，实现无霍尔传感器的无刷直流电机的控制。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测方法，包括步骤：

给电机的三个定子绕组中的一相施加PWM电压，一相恒通，一相不导通；

在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压；

由公式

计算两倍的所述不导通相的电压与所述导通相的电压的差值来判断所述反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

2.一种永磁直流无刷无霍尔电机反电动势的过零检测装置，包括：

PWM电压施加单元，与电机相连接，用于给所述电机的三个定子绕组中的一相施加PWM电压，一相恒通，一相不导通；

相电压检测单元，与所述PWM电压施加单元和所述电机相连接，用于在PWM波形为低电平期间续流结束后，检测所述电机的导通相和不导通相的电压；

判断单元，与所述相电压检测单元相连接，用于由公式计算两倍的所述不导通相的电压与所述导通相的电压的差值来判断所述反电动势是否过零，其中e_Z为不导通相的反电动势，U_Z为不导通相的电压，U_X为导通相的电压。

Images