一种电机转子初始位置检测电路及方法与流程

本发明属于无刷直流电机技术领域，尤其涉及一种电机转子初始位置检测电路及方法。

背景技术

无感bldc(无刷直流电机，brushlessdirectcurrentmotor，bldcm)启动时需要知道电机转子初始位置，现有技术中的电机转子初始位置检测通常是采用几个高频脉冲注入无刷直流电机，因为电感的对电流的阻碍作用，不同序列的高频脉冲在相同时间内，通过采样电阻的电流不一样，因此mcu模块通过adc(analog-to-digitalconverter，模数转换器)采集采样电阻上的电压来识别电机转子初始位置，但是adc的分辨率范围最大为0-4096，而不同序列之间必须要一定的数值差异才能准确判断和识别，通过现有的adc进行电机转子初始位置识别，分辨率太低，针对于某些电机不能实现转子初始位置的准确识别，本技术领域亟需一种有高分辨率且能实现电机转子初始位置精准检测的方案，以增大分辨率，增加采集数据的精度，扩展电机的兼容性。

技术实现要素：

本发明提供了一种电机转子初始位置检测电路，旨在解决mcu模块通过adc识别电机转子初始位置的分辨率低，无法准确识别的问题。

本发明是这样实现的，一种电机转子初始位置检测电路，所述电路，包括：

将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流的逆变电路；

采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流所对应电压值的开关电路；

当电压值达到预设电压值时获取对应的时间值，将该时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据该最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置的mcu模块。

更进一步的，所述开关电路，包括：

采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲产生的交流电流并转化成电压值的采样模块；

所述电压值达到预设电压值时输出状态发生翻转的开关模块。

更进一步的，所述采样模块为采样电阻，电流互感器或者霍尔电流传感器。

更进一步的，所述开关模块，包括：

一端与采样模块连接，另一端与开关元件连接的第一电阻；

与电源电压连接的第二电阻；

第一极与第一电阻的输出端连接，第二极接地，第三极分别与第二电阻以及mcu模块连接的开关元件。

更进一步的，所述开关模块，包括：

一端与采样模块连接，另一端与比较器的第一输入端连接的第三电阻；

一端与比较器第二输入端连接，另一端与第一电源电压连接的第一分压电阻；

一端与比较器第二输入端连接，另一端接地的第二分压电阻；

输出端分别与上拉电阻以及mcu模块连接的比较器；

一端连接比较器输出端，另一端与第二电源电压连接的上拉电阻。

更进一步的，逆变电路包括：

一端连接电源电压，另一端连接第二开关管的第一开关管；

一端连接第二开关管，另一端连接开关电路的第二开关管；

一端连接电源电压，另一端连接第四开关管的第三开关管；

一端连接第三开关管，另一端连接开关电路的第四开关管；

一端连接电源电压，另一端连接第六开关管的第五开关管；

一端连接第五开关管，另一端连接开关电路的第六开关管；

电机的u相连接端、电机的v相连接端、电机的w相连接端，分别连接到第一开关管与第二开关管的连接线上、第三开关管与第四开关管的连接线上、第五开关管与第六开关管的连接线上。

本发明还提供一种电机转子初始位置检测方法，所述方法包括如下步骤：

设置多个不同的激励脉冲，并依次注入电机；

将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流；

采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流并转化成电压值，所述电压值达到预设电压值时输出状态发生翻转；

当所述电压值达到预设电压值时获取对应的时间值；

将该时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置。

更进一步的，所述设置多个不同的激励脉冲，并依次注入电机，包括如下步骤：

设置多个不同的激励脉冲，间隔一定的时长，向所述电机注入一个激励脉冲。

更进一步的，当所述电压值达到预设电压值时获取对应的时间值，具体包括如下步骤：

将与mcu模块连接的开关电路的导通电压门限作为预设电压值；

选择一个激励脉冲注入到电机里，同时mcu模块清零计数器，开始计数；

采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时，开关电路的输出状态会发生翻转，此时mcu模块停止计数，同时获取对应的时间值；

重复上述过程，得到不同的激励脉冲所对应的时间值。

更进一步的，所述将所述时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据所述最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置，包括如下步骤：

将时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲；

最小时间值对应的激励脉冲使定子磁势与转子磁势之间的夹角最小，由此确定出转子的磁场方向，进而确定电机转子初始位置。

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路及方法，逆变电路将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流，开关电路采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流所对应电压值，mcu模块在所述电压值达到预设电压值时获取对应的时间值，将所述时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据所述最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置，本发明在开关电路的导通电压门限即预设电压值一定的情况下，mcu模块获取达到这个预设电压值的时间，因为定时器的最大范围为0-65535，其理论分辨率为adc采样方法的16倍，因此增加了采集数据的灵敏性，扩展了电机的兼容性，这种方法具有高分辨率且能实现电机转子初始位置精准检测。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种电机转子初始位置检测模块图；

图2是本发明实施例二提供的一种电机转子初始位置检测模块图；

图3是本发明实施例四提供的一种电机转子初始位置检测电路图；

图4是本发明实施例五提供的一种电机转子初始位置检测电路图；

图5是本发明实施例六提供的逆变电路图；

图6是本发明实施例七提供的一种电机转子初始位置检测方法流程图；

图7是本发明实施例八提供的一种电机转子初始位置检测方法流程图；

图8是本发明实施例九提供的一种电机转子初始位置检测方法流程图；

图9是本发明实施例十提供的一种电机转子初始位置检测方法流程图；

图10是本发明实施例六提供的设置多个不同的激励脉冲的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种电机转子初始位置检测电路，包括：将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流的逆变电路；采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流所对应电压值的开关电路；当电压值达到预设电压值时获取对应的时间值，将该时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据该最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置的mcu模块。在开关电路的导通电压门限即预设电压值一定的情况下，mcu模块获取达到这个预设电压值的时间，并根据该最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置，增加了采集数据的灵敏性，扩展了电机的兼容性，这种做法具有高分辨率且能实现电机转子初始位置精准检测。

实施例一:

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，如图1所示，该电路，包括：

将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流的逆变电路100；

采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流所对应电压值的开关电路200；

当电压值达到预设电压值时获取对应的时间值，将该时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据该最小时间值对应的激励脉冲的方向确定电机转子初始位置的mcu模块300。

该实施例中，电路的工作原理是：

某一激励脉冲注入电机，逆变电路100将直流变成交流电流，开关电路200采样交流所对应电压值，同时mcu模块300清零计时器，开始计时；待采样得到的电压值达到预设电压值时，开关电路200输出状态会发生翻转，此时mcu模块300停止计时，同时读取这段计时时间；依次重复上述过程，得到不同的激励脉冲所对应的时间值，根据其中最小的时间值对应激励脉冲的方向确定电机转子初始位置。上述过程中，通过mcu模块300计时器对采样得到的电压值达到预设电压值所需时间进行计时，与现有技术中通过adc采样相比，提高了采集数据的灵敏性，增大了分辨率。

实施例二

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，如图2所示，在实施例一的基础上，开关电路200，包括：

采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲产生的交流电流并转化成电压值的采样模块201；

所述电压值达到预设电压值时输出状态发生翻转的开关模块202。

该实施例中，采样模块201用于将依次注入电机的多个不同的激励脉冲产生的交流电流信号转化成电压值信号，开关模块202用于设置预设电压值，当采样模块的电压值达到预设电压值时使得开关模块202输出状态发生翻转，同时mcu模块300停止计时。

实施例三

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，在实施例二的基础上，采样模块201为采样电阻，电流互感器或者霍尔电流传感器。以霍尔电流传感器为例，可以选用acs712型号。

实施例四

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，如图3所示，在实施例二的基础上，开关模块202，包括：

一端与采样模块201连接，另一端与开关元件连接的第一电阻r1；

与电源电压连接的第二电阻r2；

第一极与第一电阻r1的输出端连接，第二极接地，第三极分别与第二电阻r2以及mcu模块300连接的开关元件q。

该实施例中，采样模块201采用采样电阻rr1，第一电阻r1用于对线路中的信号进行限流隔离，电机的逆变电路连接到采样电阻rr1与第一电阻r1的连接线上；第二电阻r2与电源电压3.3v连接，用作上拉电阻；开关元件q用于设置电压门限，当采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时使得开关元件q的输出状态发生翻转，mcu模块300连接到第二电阻r2与开关元件q之间的连接线路上。在此实施例基础上，开关模块202还可以进一步地包括一端连接在第一电阻r1与开关元件q的连接线上，另一端接地的第一电容c1，用于对线路中的信号滤波去除干扰。

上述开关元件q优选为三极管或者mos管。三极管或者mos管用于设置电压门限，以开关元件q为mos管为例来说明，mos管的栅极与第一电阻r1的输出端连接，源极接地，漏极分别与第二电阻r2以及mcu模块300连接。

实施例五

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，如图4所示，在实施例二的基础上，开关模块202，包括：

一端与采样模块201连接，另一端与比较器u10的第一输入端连接的第三电阻r5；

一端与比较器u10第二输入端连接，另一端与第一电源电压3.3v连接的第一分压电阻r6；

一端与比较器u10第二输入端连接，另一端接地的第二分压电阻r7；

输出端分别与上拉电阻r8以及mcu模块300连接的比较器u10；

一端连接比较器u10输出端，另一端与第二电源电压3.3v连接的上拉电阻r8。

该实施例中，采样模块201采用采样电阻rr2，第一分压电阻r6、第二分压电阻r7可以任意调节阻值，以匹配不同的电机参数，第三电阻r5用于对线路中的信号进行限流隔离；电机的逆变电路连接到采样电阻rr2与第三电阻r5的连接线上；比较器u10选用型号为lmv721，用于设置电压门限，当采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时使得比较器u10输出状态翻转信号给mcu模块300，mcu模块300停止计时。在此实施例基础上，开关模块202还可以进一步地包括一端连接在第二分压电阻r7与比较器u10的连接线上、另一端接地的第二电容c6，以及一端连接第三电源电压3.3v、另一端接地的第三电容c7，第二电容c6和第三电容c7均用于对线路中的信号滤波去除干扰。

实施例六

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路，在实施例一的基础上，如图5所示，逆变电路包括：

一端连接电源电压vdd，另一端连接第二开关管q2的第一开关管q1；

一端连接第二开关管q2，另一端连接开关电路的第二开关管q2；

一端连接电源电压vdd，另一端连接第四开关管q4的第三开关管q3；

一端连接第三开关管q3，另一端连接开关电路的第四开关管q4；

一端连接电源电压vdd，另一端连接第六开关管q6的第五开关管q5；

一端连接第五开关管q5，另一端连接开关电路的第六开关管q6；

电机的u相连接端u_motor1、电机的v相连接端v_motor1、电机的w相连接端w_motor1，分别连接到第一开关管q1与第二开关管q2的连接线上、第三开关管q3与第四开关管q4的连接线上、第五开关管q5与第六开关管q6的连接线上。

该实施例中，通过三对开关管分别实现电机的u相、v相、w相的逆变，逆变后的交流电流流入开关电路200的采样模块201中进行采样。

采用如图10所示的方波控制方式，设置多个不同的激励脉冲，将一个检测周期共切换六步，在360°范围内每60°切换一次，这样在电机静止时，识别的初始位置在60°范围内即可。将360°均分成6个扇区s1～s6，沿着电机运行的方向设置激励脉冲，产生对应方向的磁通，电机转子保持静止状态，不同的激励脉冲产生的磁通与转子磁通产生一个合量，此合量使定子线圈的电感表现出不同的数值。

v1方向的脉冲为第一开关管q1与第四开关管q4导通，其余关闭；v2方向的脉冲为第一开关管q1与第六开关管q6导通，其余关闭；v3方向的脉冲为第三开关管q3与第六开关管q6导通，其余关闭；v4方向的脉冲为第三开关管q3与第二开关管q2导通，其余关闭；v5方向的脉冲为第五开关管q5与第二开关管q2导通，其余关闭；v6方向的脉冲为第五开关管q5与第四开关管q4导通，其余关闭；此为二二导通做法；也可以采用三三导通方式：v1方向的脉冲为第一开关管q1与第四开关管q4、第六开关管q6导通，其余关闭；v2方向的脉冲为第三开关管q3、第五开关管q5与第二开关管q2导通，其余关闭；v3方向的脉冲为第三开关管q3与第二开关管q2、第六开关管q6导通，其余关闭；v4方向的脉冲为第一开关管q1、第五开关管q5与第四开关管q4导通，其余关闭；v5方向的脉冲为第五开关管q5与第二开关管q2、第四开关管q4导通，其余关闭；v6方向的脉冲为第一开关管q1、第三开关管q3与第六开关管q6导通，其余关闭；

v1到v6方向的激励脉冲注入顺序不限，可以顺序注入，也可以打乱顺序注入，最终的结果是通过比较得到电流上升的时间最小值。

实施例七

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测方法，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤s11、设置多个不同的激励脉冲，并依次注入电机；

步骤s12、将依次注入电机的多个不同的激励脉冲的直流变成交流电流；

步骤s13、采样依次注入电机的多个不同的激励脉冲的交流电流并转化成电压值，所述电压值达到预设电压值时输出状态发生翻转；

步骤s14、当所述电压值达到预设电压值时获取对应的时间值；

步骤s15、将该时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲，根据该最小时间值对应的激励脉冲的方向确定的电机转子初始位置。

当某一激励脉冲注入电机，同时mcu模块300清零计时器，开始计时；待采样得到的电压值达到预设电压值时，此时mcu模块300停止计时，同时读取这段计时时间；依次重复上述过程，得到不同的激励脉冲所对应的时间值，根据其中最小的时间值对应激励脉冲的方向即可确定电机转子初始位置。上述过程通过mcu模块300计时器对采样得到的电压值达到预设电压值所需时间进行计时，与现有技术中通过adc采样相比，提高了采集数据的灵敏性，增大了分辨率。

实施例八

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测方法，如图7所示，在实施例七的基础上，步骤s11包括如下步骤：

步骤s111、设置多个不同的激励脉冲，间隔一定的时长，向所述电机注入一个激励脉冲。

该实施例中，每间隔预设时长向电机注入一个激励脉冲，目的是释放掉电机线圈中的电流，使每一次的电流上升都从0开始上升，对下一次激励脉冲的电流上升速度不造成干扰。由于电机线圈有一定的电感量，对电流的上升与下降都有阻碍作用，所以一个激励脉冲完毕后，必须间隔一定的时间来释放线圈里的电流，然而这个时间不是越长越好，间隔时间越长，每次注入激励脉冲都会产生一个抖动，同时也影响电机启动的快速性；通过示波器监控电流发现，预设时长为注入时间的5倍到8倍为合适时间。

实施例九

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测方法，如图8所示，在实施例七的基础上，步骤s14包括如下步骤：

步骤s141、将与mcu模块连接的开关电路的导通电压门限作为预设电压值；

步骤s142、选择一个激励脉冲注入到电机里，同时mcu模块清零计数器，开始计数；

步骤s143、采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时，开关电路的输出状态会发生翻转，此时mcu模块停止计数，同时获取对应的时间值；

步骤s144、重复上述过程，得到不同的激励脉冲所对应的时间值。

该实施例中，将依次注入电机的多个不同的激励脉冲产生的电流信号转化成电压值信号，采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时即达到开关电路的导通电压门限所需的时间，为后续确定电机转子初始位置提供依据。

实施例十

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测方法，如图9所示，在实施例七的基础上，步骤s15包括如下步骤：

步骤s151、将时间值进行比较，获取最小时间值对应的激励脉冲；

步骤s152、最小时间值对应的激励脉冲使定子磁势与转子磁势之间的夹角最小，由此确定出转子的磁场方向，进而确定电机转子初始位置。

由于定子线圈绕组里通入电流时会产生磁势，当定子线圈绕组产生的磁势与转子永磁体磁势夹角小于90°时，会产生增磁效应，铁心的磁导率将变小，定子线圈绕组电感减小；当定子线圈绕组产生的磁势与转子永磁体磁势之间的夹角大于90°时，会产生去磁效应，铁心的磁导率将变大，定子线圈绕组电感增大；因此定子线圈绕组磁势与转子永磁体磁势之间的夹角越小，增磁效果越大，相应的定子线圈绕组电感越小，检测出定子线圈绕组电感最小值，即采样电阻采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时电流上升所需时间的最小值，就可以知道转子永磁体的磁场方向，从而识别出了电机转子初始位置。

本发明实施例提供了一种电机转子初始位置检测电路及方法。通过mcu模块计时器对采样得到的电压值达到预设电压值所需时间进行计时，与现有技术中通过adc采样相比，提高了采集数据的灵敏性，增大了分辨率。采样模块用于对依次注入电机的多个不同的激励脉冲的电压值进行采样，开关模块用于设置预设电压值，当采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时使得开关模块输出状态发生翻转，同时mcu模块停止计时。第一电阻用于对线路中的信号进行限流隔离；第二电阻用作上拉电阻；开关元件用于设置电压门限，当采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时使得开关元件的输出状态发生翻转。第一分压电阻、第二分压电阻可以任意调节阻值，以匹配不同的电机参数，第三电阻用于对线路中的信号进行限流隔离；比较器用于设置电压门限，当采样得到的激励脉冲的电压值达到预设电压值时使得比较器输出状态翻转信号给mcu模块，mcu模块停止计时。本发明实施例的方法中每间隔预设时长向电机注入一个激励脉冲，目的是释放掉电机线圈中的电流，使每一次的电流上升都从0开始上升，对下一次激励脉冲的电流上升速度不造成干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。