一种直流无刷电机的过零检测电路的制作方法

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种直流无刷电机的过零检测电路。

背景技术：

目前比较流行的是使用反电动势进行无传感器的无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor，简称BLDC)控制，使用六步梯形波(120度换相法)为电机绕组通电，如图1-2是六步换相原理，每一步或每一区间，相当于60个电角度，六个区间组成了360个电角度或一次电气旋转。永磁电机转子转动时，定子绕组产生电压，即反电动势，其幅值与电机转速成正比。反电动势信号具有以下三个特征：

1、速度上升时，反电动势信号的电压幅值也增大；2、速度上升时，反电动势信号的斜率变大；3、反电动势信号以0V电压为中心对称(假设驱动电源为对称的正负电压)。

利用反电动势的特性，电机由Vdc电压驱动，反电动势以Vdc/2为中心对称。如果反电动势信号为一条直线，那么信号将在该区间的一半处(也就是该区间的30度电角度处)通过零线，该点称为过零点。在过零事件后再经过30度电角度进行下一次换相。

然而，目前无刷直流电机只能在较高转速下才能实现对反电动势过零的检测，还无法解决在无刷直流电机低速启动或者控制时反电动势较小时进行过零检测问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够在无刷直流电机低速启动或者控制时反电动势较小时进行过零检测的电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种直流无刷电机的过零检测电路，包括：单片机、信号跳变检测电路、位置检测电路、A/D转换器、母线电压检测电路和直流无刷电机；

所述单片机通过串联连接的信号跳变检测电路和位置检测电路与直流无刷电机电连接；所述单片机通过A/D转换器和母线电压检测电路电连接；所述位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路；

所述单片机用于直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，根据母线电压值计算出直流无刷电机的反电动势中点电压，根据所述反电动势中点电压调节数字电位器电路的开度值，使得过零比较电路检测到直流无刷电机的过零信号。

本发明的有益效果在于：

相较传统的过零检测电路，本发明提供的一种直流无刷电机的过零检测电路区别在于：增设母线电压检测电路和位置检测电路，其中位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路，当直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，通过计算输出的PWM占空比和电机反电动势参数来估算反电动势中点电压，动态调节数字电位器的开度值，以适应低速时反电动势过零检测电路检测到U/V/W过零信号，实现速度闭环控制。

附图说明

图1为本发明的背景技术中的六步换相原理示意图；

图2为本发明的背景技术中的六步换相原理对应的三相电压示意图；

图3为本发明的直流无刷电机的过零检测电路的模块示意图；

图4为本发明的母线电压检测电路的电路连接图；

图5为本发明的数字电位器电路的电路连接图；

图6为本发明的过零比较电路的电路连接图；

标号说明：

1、单片机；2、信号跳变检测电路；3、位置检测电路；4、A/D转换器；

5、母线电压检测电路；6、直流无刷电机；7、数字I/O接口；8、换相逻辑电路；9、逆变电路；10、隔离驱动电路。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：增设母线电压检测电路和位置检测电路，当直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，通过计算输出的PWM占空比和电机反电动势参数来估算反电动势中点电压，动态调节数字电位器的开度值，以适应低速时反电动势过零检测电路检测到U/V/W过零信号，实现速度闭环控制。

请参照图3-6，本发明提供的一种直流无刷电机的过零检测电路，包括：单片机1、信号跳变检测电路2、位置检测电路3、A/D转换器4、母线电压检测电路5和直流无刷电机6；

所述单片机1通过串联连接的信号跳变检测电路2和位置检测电路3与直流无刷电机6电连接；所述单片机1通过A/D转换器4和母线电压检测电路5电连接；所述位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路；

所述单片机1用于直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，根据母线电压值计算出直流无刷电机的反电动势中点电压，根据所述反电动势中点电压调节数字电位器电路的开度值，使得过零比较电路检测到直流无刷电机的过零信号。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

相较传统的过零检测电路，本发明提供的一种直流无刷电机的过零检测电路区别在于：增设母线电压检测电路和位置检测电路，其中位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路，当直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，通过计算输出的PWM占空比和电机反电动势参数来估算反电动势中点电压，动态调节数字电位器的开度值，以适应低速时反电动势过零检测电路检测到U/V/W过零信号，实现速度闭环控制。

如图4，进一步的，所述母线电压检测电路包括第一电阻R53、第二电阻R54、第三电阻R55、第四电阻R59、第一比较器N07C LM339、第一电容C54、第二电容C55和第一二极管V30；

所述第一电阻和第二电阻串联连接，串联连接的一端接第一电源VDC+；

所述第三电阻和第一电容并联连接，并联连接的一端分别与第一电阻和第二电阻串联连接的另一端以及第一比较器的正向输入端电连接，并联连接的另一端接地；

所述第一比较器的输出端分别与第一比较器的反向输入端、第四电阻的一端和第二电容的一端电连接，所述第二电阻的另一端接地，第四电阻的另一端通过第一二极管接第二电源+3.3V，第四电阻的另一端与A/D转换器电连接。

上述的母线电压检测电路中的母线电压采用电阻分压式测量，换算公式为Vin＝3.3/R55*(R53+R54+R55)。由于电机反电动势参数在设计电机时是可以通过设计软件测算，在得到母线电压后，已知控制器输出PWM占空比即可换算出加载在直流无刷电机两相间的有效电压值Vm，通过电机反电动势参数e，估算出反电动势中点电压Vbemf＝Vm*e*Ge，其中Ge为算法换算后控制常量。

如图5，进一步的，所述数字电位器电路由四个可调电阻器组成。具体为：RP1、RP2、RP3、RP4。

利用估算出反电动势中点电压Vbemf，通过核心算法(速度估算反电动势值)计算出数字电位器开度值，调整过零比较电压。虚拟中点电压值在换向时刻时为：

Vmu＝Vpu*RP1/(RP1+R32)；

Vmv＝Vpu*RP1/(RP1+R39)；

Vmw＝Vpu*RP1/(RP1+R48)；其中RP1为数字电位器通道电阻值。直流无刷电机反电动势值在换向时刻时为：

Vu＝Vpu*RP2/(RP2+R33)；

Vv＝Vpv*RP3/(RP3+R41)；

Vw＝Vpw*RP4/(RP4+R50)；其中RP2，RP3，RP4为数字电位器通道电阻值。数字电位器是通过程序算法控制的，计算公式为RP(Dn)＝(Rwb-Rw)*256/Rab，其中RP(Dn)为写入数字电位器数值，Rwb为设定目标电阻值，Rw为抽头电阻值，Rab为数字电位器满量程值。

如图6，进一步的，所述过零比较电路包括三路分别与直流无刷电机的三相电连接的比较单元，分别为第一比较单元、第二比较单元和第三比较单元；

所述第一比较单元包括第五电阻R32、第六电阻R33、第七电阻RP1、第八电阻RP2、第九电阻R31、第二二极管V26、第三二极管V27、第三电容C31、第四电容C30、第五电容C32和第二比较器N07A LM339；所述第二比较器包括正向输入端、反向输入端、电源端、接地端和输出端；

所述第二二极管与第七电阻并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第五电阻的一端、第三电容的一端和第二比较器的反向输入端电连接；所述第五电阻的另一端与第六电阻的一端电连接；

所述第八电阻与第三二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第六电阻的另一端、第三电容的另一端和第二比较器的正向输入端电连接；

所述第二比较器的电源端接第二电源+3.3V，所述第二比较器的电源端通过第四电容接地；

所述第二比较器的输出端分别与第九电阻的一端、第五电容的一端和直流无刷电机的三相中的第一相电(U相)连接；所述第九电阻的另一端接第二电源；所述第五电容的另一端接地；

所述第二比较单元包括第十电阻R39、第十一电阻R41、第十二电阻RP3、第十三电阻R40、第四二极管V28、第六电容C37、第七电容C38和第三比较器N07B；

所述第十电阻的一端分别与第六电容的一端和第三比较器的反向输入端电连接；所述第十电阻的另一端与第十一电阻的一端电连接；

所述第十二电阻与第四二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第十一电阻的另一端、第六电容的另一端和第三比较器的正向输入端电连接；

所述第三比较器的输出端分别与第十三电阻的一端、第七电容的一端和直流无刷电机的三相中的第二相(V相)电连接；所述第十三电阻的另一端接第二电源；所述第七电容的另一端接地；

所述第三比较单元包括第十四电阻R48、第十五电阻R50、第十六电阻RP4、第十七电阻R49、第五二极管V29、第八电容C44、第九电容C45和第四比较器N07D；

所述第十四电阻的一端分别与第八电容的一端和第四比较器的反向输入端电连接；所述第十四电阻的另一端与第十五电阻的一端电连接；

所述第十六电阻与第五二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第十五电阻的另一端、第八电容的另一端和第四比较器的正向输入端电连接；

所述第四比较器的输出端分别与第十七电阻的一端、第九电容的一端和直流无刷电机的三相中的第三相(W相)电连接；所述第十七电阻的另一端接第二电源；所述第九电容的另一端接地；

所述第五电阻的一端、第十电阻的一端和第十四电阻的一端相互电连接。

过零比较电路的工作原理为：在直流无刷电机换向时刻，通过反电动势过零比较电路产生换向信号上升沿或者下降沿中断后，获取3相过零比较器信号后得到当前电机转子位置。由于比较器输出信号与霍尔传感器输出的信号一一对应，所以很容易估算电机转子当前位置，并进行适时换向。

进一步的，还包括逆变电路9、换相逻辑电路8和数字I/O接口7；所述直流无刷电机通过逆变电路与换相逻辑电路电连接，所述换相逻辑电路通过数字I/O接口与单片机电连接。

进一步的，还包括隔离驱动电路10，所述隔离驱动电路设置在逆变电路和换相逻辑电路之间的通路上。

参阅图2-6，本发明实施例一为：

一种直流无刷电机的过零检测电路，包括：单片机、信号跳变检测电路、位置检测电路、A/D转换器、母线电压检测电路和直流无刷电机；

所述单片机通过串联连接的信号跳变检测电路和位置检测电路与直流无刷电机电连接；所述单片机通过A/D转换器和母线电压检测电路电连接；所述位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路；

所述单片机用于直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，根据母线电压值计算出直流无刷电机的反电动势中点电压，根据所述反电动势中点电压调节数字电位器电路的开度值，使得过零比较电路检测到直流无刷电机的过零信号。

所述母线电压检测电路包括第一电阻R53、第二电阻R54、第三电阻R55、第四电阻R59、第一比较器N07C LM339、第一电容C54、第二电容C55和第一二极管V30；

所述第一电阻和第二电阻串联连接，串联连接的一端接第一电源VDC+；

所述第三电阻和第一电容并联连接，并联连接的一端分别与第一电阻和第二电阻串联连接的另一端以及第一比较器的正向输入端电连接，并联连接的另一端接地；

所述第一比较器的输出端分别与第一比较器的反向输入端、第四电阻的一端和第二电容的一端电连接，所述第二电阻的另一端接地，第四电阻的另一端通过第一二极管接第二电源+3.3V，第四电阻的另一端与A/D转换器电连接。

上述的母线电压检测电路中的母线电压采用电阻分压式测量，换算公式为Vin＝3.3/R55*(R53+R54+R55)。由于电机反电动势参数在设计电机时是可以通过设计软件测算，在得到母线电压后，已知控制器输出PWM占空比即可换算出加载在直流无刷电机两相间的有效电压值Vm，通过电机反电动势参数e，估算出反电动势中点电压Vbemf＝Vm*e*Ge，其中Ge为算法换算后控制常量。

如图5，进一步的，所述数字电位器电路由四个可调电阻器组成。具体为：RP1、RP2、RP3、RP4。

利用估算出反电动势中点电压Vbemf，通过核心算法(速度估算反电动势值)计算出数字电位器开度值，调整过零比较电压。虚拟中点电压值在换向时刻时为：

Vmu＝Vpu*RP1/(RP1+R32)；

Vmv＝Vpu*RP1/(RP1+R39)；

Vmw＝Vpu*RP1/(RP1+R48)；其中RP1为数字电位器通道电阻值。直流无刷电机反电动势值在换向时刻时为：

Vu＝Vpu*RP2/(RP2+R33)；

Vv＝Vpv*RP3/(RP3+R41)；

Vw＝Vpw*RP4/(RP4+R50)；其中RP2，RP3，RP4为数字电位器通道电阻值。数字电位器是通过程序算法控制的，计算公式为RP(Dn)＝(Rwb-Rw)*256/Rab，其中RP(Dn)为写入数字电位器数值，Rwb为设定目标电阻值，Rw为抽头电阻值，Rab为数字电位器满量程值。

如图6，进一步的，所述过零比较电路包括三路分别与直流无刷电机的三相电连接的比较单元，分别为第一比较单元、第二比较单元和第三比较单元；

所述第一比较单元包括第五电阻R32、第六电阻R33、第七电阻RP1、第八电阻RP2、第九电阻R31、第二二极管V26、第三二极管V27、第三电容C31、第四电容C30、第五电容C32和第二比较器N07A LM339；所述第二比较器包括正向输入端、反向输入端、电源端、接地端和输出端；

所述第二二极管与第七电阻并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第五电阻的一端、第三电容的一端和第二比较器的反向输入端电连接；所述第五电阻的另一端与第六电阻的一端电连接；

所述第八电阻与第三二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第六电阻的另一端、第三电容的另一端和第二比较器的正向输入端电连接；

所述第二比较器的电源端接第二电源+3.3V，所述第二比较器的电源端通过第四电容接地；

所述第二比较器的输出端分别与第九电阻的一端、第五电容的一端和直流无刷电机的三相中的第一相电(U相)连接；所述第九电阻的另一端接第二电源；所述第五电容的另一端接地；

所述第二比较单元包括第十电阻R39、第十一电阻R41、第十二电阻RP3、第十三电阻R40、第四二极管V28、第六电容C37、第七电容C38和第三比较器N07B；

所述第十电阻的一端分别与第六电容的一端和第三比较器的反向输入端电连接；所述第十电阻的另一端与第十一电阻的一端电连接；

所述第十二电阻与第四二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第十一电阻的另一端、第六电容的另一端和第三比较器的正向输入端电连接；

所述第三比较器的输出端分别与第十三电阻的一端、第七电容的一端和直流无刷电机的三相中的第二相(V相)电连接；所述第十三电阻的另一端接第二电源；所述第七电容的另一端接地；

所述第三比较单元包括第十四电阻R48、第十五电阻R50、第十六电阻RP4、第十七电阻R49、第五二极管V29、第八电容C44、第九电容C45和第四比较器N07D；

所述第十四电阻的一端分别与第八电容的一端和第四比较器的反向输入端电连接；所述第十四电阻的另一端与第十五电阻的一端电连接；

所述第十六电阻与第五二极管并联连接，并联连接的一端接地，并联连接的另一端分别与第十五电阻的另一端、第八电容的另一端和第四比较器的正向输入端电连接；

所述第四比较器的输出端分别与第十七电阻的一端、第九电容的一端和直流无刷电机的三相中的第三相(W相)电连接；所述第十七电阻的另一端接第二电源；所述第九电容的另一端接地；

所述第五电阻的一端、第十电阻的一端和第十四电阻的一端相互电连接。

过零比较电路的工作原理为：在直流无刷电机换向时刻，通过反电动势过零比较电路产生换向信号上升沿或者下降沿中断后，获取3相过零比较器信号后得到当前电机转子位置。由于比较器输出信号与霍尔传感器输出的信号一一对应，所以很容易估算电机转子当前位置，并进行适时换向。

上述的直流无刷电机的过零检测电路还包括逆变电路、换相逻辑电路和数字I/O接口；所述直流无刷电机通过逆变电路与换相逻辑电路电连接，所述换相逻辑电路通过数字I/O接口与单片机电连接。上述的直流无刷电机的过零检测电路还包括隔离驱动电路，所述隔离驱动电路设置在逆变电路和换相逻辑电路之间的通路上。

综上所述，本发明提供的一种直流无刷电机的过零检测电路，增设母线电压检测电路和位置检测电路，其中位置检测电路包括数字电位器电路和过零比较电路，当直流无刷电机低速启动时，控制母线电压检测电路获取母线电压值，通过计算输出的PWM占空比和电机反电动势参数来估算反电动势中点电压，动态调节数字电位器的开度值，以适应低速时反电动势过零检测电路检测到U/V/W过零信号，实现速度闭环控制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。