一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路的制作方法

本发明涉及一种无刷直流电机换相电路，特别是一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路。

背景技术：

无刷直流电机具有转子转动惯量小、功率密度高、效率高、体积小、无电刷等优点，具有比直流电机更优越的性能，广泛应用在机器人、数控机床等高性能运动控制领域。随着控制理论和电力电子器件的快速发展，无刷直流电机的应用愈加广泛，而无刷直流电机控制性能的好坏，关键取决于电机换相电路的准确性和可靠性。

现有的无刷直流电机换相电路主要分为基于位置传感器的换相电路和基于无位置传感器的换相电路两部分。基于位置传感器的换相电路又可分为两部分，第一种包括：霍尔传感器、光电码盘、差动电路接收器和控制器，第二种包括：旋转变压器、旋变数字转换器和控制器。这两种电路的优点都是检测精度比较高，缺点是增加电机的成本和体积，引出线较多，降低系统抗干扰性和可靠性。基于无位置传感器的换相电路主要借助于采集电压、电流、转速等参量，结合电机的数学模型和相关参数进行一系列复杂的算法来实现电机的换相，优点是可以省掉机械式位置传感器，降低电机体积和成本，缺点是算法复杂，实时性差，实现困难，并且由于电机参数和数学模型的不确定性，导致电机换相点计算准确性降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路，解决无刷直流电机控制中的换相问题。

一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路，包括：功率主电路和DSP控制器，还包括：反电势检测与滤波电路、隔离放大电路、零点捕捉电路和位置检测电路。

反电势检测与滤波电路包括：电阻R₁、电阻R₂、电容C₁。隔离放大电路包括：运算放大器U1、线性光耦U2和运算放大器U3。零点捕捉电路包括：电压过零比较器U4。位置检测电路包括：锁相芯片U7、串行计数器U8、8选1数据选择器U9A、8选1数据选择器U11B、反相器U10、或门U12、拨码开关U13。功率主电路包括：一个驱动电路U14，六个功率组件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，每个功率组件均有D、G、S三个接线端。

电机输入端子A分别功率组件VT1的S端、VT4的D端、反电势检测与滤波电路的输入端、电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端分别与电阻R₂的一端、电容C₁的一端、电阻R₃的一端连接，电阻R₂的另一端和电容C₁的另一端分别与电机中性点N连接，电阻R₃的另一端分别与运算放大器U1的负向输入端、电容C₂的一端和线性光耦U3内部的光电二极管LED2的阴极连接，运算放大器U1的正电源端与其供电电源正极+VCC1连接，运算放大器U1的负电源端与其供电电源的负极-VCC1连接，运算放大器U1的正向输入端与其供电电源的地端AGND1连接，线性光耦U2内部的光电二极管LED2的阳极与运算放大器U2的供电电源的地端AGND1连接，电容C2的另一端与运算放大器U2的输出端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与线性光耦U2输入端发光二极管LED1的阴极连接，线性光耦U2输入端发光二极管的阳极与其供电电源的正极+VCC1连接，线性光耦U2内部的发光二极管LED3的阴极分别与运算放大器U3的负向输入端、电阻R5的一端和电容C3的一端连接，线性光耦U2内部的发光二极管LED3的阳极分别与运算放大器U3的供电电源的地端AGND2、运算放大器U3的正向输入端连接，运算放大器U3的正电源端与其供电电源正极+VCC2连接，运算放大器U3的负电源端与其供电电源的负极-VCC2连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接、电容C3的另一端和运算放大器U3的输出端连接，电阻R6的另一端与电压过零比较器U4的负向输入端连接，电压过零比较器U4的正向输入端与其供电电源的地端AGND2连接，电压过零比较器U4的正电源端与其供电电源正极+VCC2连接，负电源端与其供电电源的地端AGND2连接。电压过零比较器U4的输出端与电阻R7的一端连接、锁相芯片U5的输入端和DSP控制器的输入端连接，DSP控制器的电源端与其供电电源+VCC4连接，DSP控制器的地端与电压过零比较器U4的供电电源的地端AGND2连接，电阻R7的另一端分别与电压过零比较器U4的供电电源正极+VCC3连接，锁相芯片U7的输出端分别与串行计数器U8的输入端、DSP控制器的输入端连接，串行计数器U8的输出端分别与8选1数据选择器U9A的输入端和8选1数据选择器U11B的输入端连接，8选1数据选择器U9A的输出端和8选1数据选择器U11B的输出端均与或门U12的输入端连接，或门U12的输出端与锁相芯片U7的反馈端连接，拨码开关U13由四个1端和四个0端组成，拨码开关U13的四个1端分别与上拉电阻R8、R9、R10、R11的一端、8选1数据选择器U9A的数据选择端和片选信号端、8选1数据选择器U11B的数据选择端、反相器U10的输入端连接，拨码开关U13的四个0端分别与DSP控制器的电源地端连接，上拉电阻R8、R9、R10、R11的另一端均与DSP控制器的电源正极连接，反相器U10的输出端与8选1数据选择器U11B的片选信号端连接，DSP控制器的输出端与功率主电路的驱动电路U14的输入端连接，驱动电路U14的输出端分别与功率主电路的六个功率组件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的连接；功率组件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端分别串联之后形成三个支路，S1的D端、VT3的D端、VT5的D端分别与供电直流母线的正极连接，VT4的S端、VT6的S端、VT2的S端分别与供电直流母线的负极连接，从VT1的S端、VT3的S端、VT5的S端引出三个接线点分别接到无刷直流电机的A、B、C三个输入端子。

直流无刷电机运行时，反电势检测与滤波电路将电机的相电压信号u_AS进行分压和滤波，得到电机的准反电势信号e_AS’，利用隔离放大电路将准反电势信号e_AS’进行隔离和放大之后生成信号e_AS”，零点捕获电路将信号e_AS”转换为方波位置信号θ_AS’，锁相环芯片U7将θ_AS’倍频传输至串行计数器U8，串行计数器U8将信号进行计数之后，分别传输至8选1数据选择器U9A和8选1数据选择器U11B，8选1数据选择器U9A和8选1数据选择器U11B将信号传输至或门U12，或门U12将高频脉冲位置信号θ_AS”传输至锁相环芯片U7，拨码开关U13分别将二进制开关信号D2D1D0分别传输至8选1数据选择器U9A和8选1数据选择器U11B，拨码开关U13将二进制开关信号D3分别传输至反相器U10和8选1数据选择器U9A，反相器U10将信号传输至8选1数据选择器U11B。

高频脉冲位置信号θ_AS”的频率等于θ_AS’的频率的P倍，其中，P为2的M次方，且M的数值等于2^N，N为拨码开关U13预先设定的四位二进制开关信号D3D2D1D0对应的十进制整数，D3对应四位二进制的最高位，D2对应四位二进制的次高位，D1对应四位二进制的次低位，D0对应四位二进制的最低位，DSP控制器6实时读取方波位置信号θ_AS’和高频脉冲位置信号θ_AS”，利用方波位置信号θ_AS’的上升沿来判断电机一个电周期的绝对零位置，当方波位置信号θ_AS’的上升沿到来时，电机已经旋转一周，DSP控制器将捕捉的θ_AS”信号计数值清零。DSP控制器利用预定时间段内捕捉的高频脉冲位置信号θ_AS”的计数值X，得到电机的转速ω=。根据电机转速，确定无刷直流电机转子相对于A相过零点的角度θ_r，当电机正转时，θ_r的数值为：，其中，，R₁、R₂分别为反电势检测与滤波电路1中R₁、R₂的电阻值，C₁为反电势检测与滤波电路1中的电容值；当电机反转时，θ_r的数值为：，电机正转时，当θ_r=30°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT6和VT1导通，同时将VT2、VT3、VT4、VT5关断，当θ_r=90°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT1和VT2导通，同时将VT3、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=150°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT2和VT3导通，同时将VT1、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=210°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT3和VT4导通，同时将VT1、VT2、VT5、VT6关断，当θ_r=270°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT4和VT5导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT6关断，当θ_r=330°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT5和VT6导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT4关断。电机反转时，当θ_r=30°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT3和VT4导通，同时将VT1、VT2、VT5、VT6关断，当θ_r=90°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT4和VT5导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT6关断，当θ_r=150°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT5和VT6导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT4关断，当θ_r=210°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT6和VT1导通，同时将VT2、VT3、VT4、VT5关断，当θ_r=270°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT1和VT2导通，同时将VT3、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=330°时，DSP控制器输出信号至驱动电路U14，将VT2和VT3导通，同时将VT1、VT4、VT5、VT6关断。至此，实现无刷直流电机的换相。

本发明无需在无刷直流电机端安装专门的位置传感器，避免了复杂的检测电路，降低了电机成本，减小了电机安装体积，提高了换相精度和可靠性；采用反电势检测与滤波电路从电机的相电压信号中提取准反电势信号，无需电压传感器，减弱了电磁干扰；可以通过软件计算补偿电机转子位置的检测偏差，简单灵活易实现。可通过拨码开关选择电机转子位置的分辨率，简单易实现。拨码开关U13预先设定的四位二进制开关信号D3D2D1D0对应的十进制整数N越大，高频脉冲位置信号θ_AS”的频率相对于方波位置信号θ_AS’的倍数P越大，换相精度越高，但是对DSP控制器6的脉冲捕捉能力要求越高，实际应用中，根据换相精度要求和DSP控制器6的脉冲捕捉频率范围，选择合适的P值和N值。

附图说明

图1 一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路结构示意图；

图2 一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路的位置检测电路示意图；

1.反电势检测与滤波电路 2.隔离放大电路 3.零点捕捉电路 4.位置检测电路

5.功率主电路 6.DSP控制器 7.锁相环芯片U7 8.串行计数器U8

9.8选1数据选择器U9A 10.反相器U10 11.8选1数据选择器U11B 12.或门U12

13.拨码开关U13 14.驱动电路U14。

具体实施方式

一种基于无位置传感器的无刷直流电机换相电路，包括：功率主电路5和DSP控制器6，还包括：反电势检测与滤波电路1、隔离放大电路2、零点捕捉电路3和位置检测电路4。

反电势检测与滤波电路1包括：电阻R₁、电阻R₂、电容C₁；隔离放大电路2包括：运算放大器U1、线性光耦U2和运算放大器U3；零点捕捉电路3包括：电压过零比较器U4；位置检测电路4包括：锁相芯片U7、串行计数器U88、8选1数据选择器U9A9、8选1数据选择器U11B11、反相器U1010、或门U1212、拨码开关U1313；功率主电路5包括：一个驱动电路U1414，六个功率组件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，每个功率组件均有D、G、S三个接线端。

电机输入端子A分别功率组件VT1的S端、VT4的D端、反电势检测与滤波电路1的输入端、电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端分别与电阻R₂的一端、电容C₁的一端、电阻R₃的一端连接，电阻R₂的另一端和电容C₁的另一端分别与电机中性点N连接，电阻R₃的另一端分别与运算放大器U1的负向输入端、电容C₂的一端和线性光耦U3内部的光电二极管LED2的阴极连接，运算放大器U1的正电源端与其供电电源正极+VCC1连接，运算放大器U1的负电源端与其供电电源的负极-VCC1连接，运算放大器U1的正向输入端与其供电电源的地端AGND1连接，线性光耦U2内部的光电二极管LED2的阳极与运算放大器U2的供电电源的地端AGND1连接，电容C2的另一端与运算放大器U2的输出端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与线性光耦U2输入端发光二极管LED1的阴极连接，线性光耦U2输入端发光二极管的阳极与其供电电源的正极+VCC1连接，线性光耦U2内部的发光二极管LED3的阴极分别与运算放大器U3的负向输入端、电阻R5的一端和电容C3的一端连接，线性光耦U2内部的发光二极管LED3的阳极分别与运算放大器U3的供电电源的地端AGND2、运算放大器U3的正向输入端连接，运算放大器U3的正电源端与其供电电源正极+VCC2连接，运算放大器U3的负电源端与其供电电源的负极-VCC2连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接、电容C3的另一端和运算放大器U3的输出端连接，电阻R6的另一端与电压过零比较器U4的负向输入端连接，电压过零比较器U4的正向输入端与其供电电源的地端AGND2连接，电压过零比较器U4的正电源端与其供电电源正极+VCC2连接，负电源端与其供电电源的地端AGND2连接；电压过零比较器U4的输出端与电阻R7的一端连接、锁相芯片U5的输入端和DSP控制器6的输入端连接，DSP控制器6的电源端与其供电电源+VCC4连接，DSP控制器6的地端与电压过零比较器U4的供电电源的地端AGND2连接，电阻R7的另一端分别与电压过零比较器U4的供电电源正极+VCC3连接，锁相芯片U7的输出端分别与串行计数器U88的输入端、DSP控制器6的输入端连接，串行计数器U88的输出端分别与8选1数据选择器U9A9的输入端和8选1数据选择器U11B11的输入端连接，8选1数据选择器U9A9的输出端和8选1数据选择器U11B11的输出端均与或门U1212的输入端连接，或门U1212的输出端与锁相芯片U7的反馈端连接，拨码开关U1313由四个1端和四个0端组成，拨码开关U1313的四个1端分别与上拉电阻R8、R9、R10、R11的一端、8选1数据选择器U9A9的数据选择端和片选信号端、8选1数据选择器U11B11的数据选择端、反相器U1010的输入端连接，拨码开关U1313的四个0端分别与DSP控制器6的电源地端连接，上拉电阻R8、R9、R10、R11的另一端均与DSP控制器6的电源正极连接，反相器U1010的输出端与8选1数据选择器U11B11的片选信号端连接，DSP控制器6的输出端与功率主电路5的驱动电路U1414的输入端连接，驱动电路U1414的输出端分别与功率主电路5的六个功率组件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的连接；功率组件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端分别串联之后形成三个支路，S1的D端、VT3的D端、VT5的D端分别与供电直流母线的正极连接，VT4的S端、VT6的S端、VT2的S端分别与供电直流母线的负极连接，从VT1的S端、VT3的S端、VT5的S端引出三个接线点分别接到无刷直流电机的A、B、C三个输入端子。

直流无刷电机运行时，反电势检测与滤波电路1将电机的相电压信号u_AS进行分压和滤波，得到电机的准反电势信号e_AS’，利用隔离放大电路2将准反电势信号e_AS’进行隔离和放大之后生成信号e_AS”，零点捕获电路将信号e_AS”转换为方波位置信号θ_AS’，锁相环芯片U77将θ_AS’倍频传输至串行计数器U88，串行计数器U88将信号进行计数之后，分别传输至8选1数据选择器U9A9和8选1数据选择器U11B11，8选1数据选择器U9A9和8选1数据选择器U11B11将信号传输至或门U1212，或门U1212将高频脉冲位置信号θ_AS”传输至锁相环芯片U77，拨码开关U1313分别将二进制开关信号D2D1D0分别传输至8选1数据选择器U9A9和8选1数据选择器U11B11，拨码开关U1313将二进制开关信号D3分别传输至反相器U1010和8选1数据选择器U9A9，反相器U1010将信号传输至8选1数据选择器U11B11。

高频脉冲位置信号θ_AS”的频率等于θ_AS’的频率的P倍，其中，P为2的M次方，且M的数值等于2^N，N为拨码开关U1313预先设定的四位二进制开关信号D3D2D1D0对应的十进制整数，D3对应四位二进制的最高位，D2对应四位二进制的次高位，D1对应四位二进制的次低位，D0对应四位二进制的最低位，DSP控制器66实时读取方波位置信号θ_AS’和高频脉冲位置信号θ_AS”，利用方波位置信号θ_AS’的上升沿来判断电机一个电周期的绝对零位置，当方波位置信号θ_AS’的上升沿到来时，电机已经旋转一周，DSP控制器6将捕捉的θ_AS”信号计数值清零；DSP控制器6利用预定时间段内捕捉的高频脉冲位置信号θ_AS”的计数值X，得到电机的转速ω=；根据电机转速，确定无刷直流电机转子相对于A相过零点的角度θ_r，当电机正转时，θ_r的数值为：，其中，，R₁、R₂分别为反电势检测与滤波电路11中R₁、R₂的电阻值，C₁为反电势检测与滤波电路11中的电容值；当电机反转时，θ_r的数值为：，电机正转时，当θ_r=30°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT6和VT1导通，同时将VT2、VT3、VT4、VT5关断，当θ_r=90°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT1和VT2导通，同时将VT3、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=150°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT2和VT3导通，同时将VT1、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=210°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT3和VT4导通，同时将VT1、VT2、VT5、VT6关断，当θ_r=270°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT4和VT5导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT6关断，当θ_r=330°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT5和VT6导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT4关断；电机反转时，当θ_r=30°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT3和VT4导通，同时将VT1、VT2、VT5、VT6关断，当θ_r=90°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT4和VT5导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT6关断，当θ_r=150°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT5和VT6导通，同时将VT1、VT2、VT3、VT4关断，当θ_r=210°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT6和VT1导通，同时将VT2、VT3、VT4、VT5关断，当θ_r=270°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT1和VT2导通，同时将VT3、VT4、VT5、VT6关断，当θ_r=330°时，DSP控制器6输出信号至驱动电路U1414，将VT2和VT3导通，同时将VT1、VT4、VT5、VT6关断；至此，实现无刷直流电机的换相。