一种无感无刷电机速度检测方法及检测电路与流程

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，具体涉及一种无感无刷电机速度检测方法及检测电路。

背景技术：

速度计算是无位置电机速度环路控制中的核心单元，主要利用电机的三相端电压信号获取反电动势的过零点脉冲信号，经过适当的算法处理实现对电机转速的实时计算，该方法可以被广泛应用于无位置传感器伺服电机控制系统。

由于航空航天、船舶、兵器、电子等军用领域和电动汽车、机器人、无人机等工业应用领域中需要电机工作在非常恶劣的环境，如高温、高压、低温、强振动等(传感器的功能已经失效)，或对速度控制器精度要求不高为了降低成本的一些民用领域。

以往所采用的无位置速度检测方法，通过硬件电路检测电机绕组的反电动势过零点，并在两个过零点脉冲间隔进行计数，根据计数的脉冲个数来获得电机的当前转速，具体如下：开始将计数器清零，每捕获一个基准时钟信号(clk)的上升沿，计数器进行加1计数，如果此时电机反电动势过零点信号(以下简称过零点信号)(h)没有出现，计数器继续计数，直至过零点信号翻转为止，此时将计数所得数值存储至预先定义的寄存器中(ca)；如果在过零点信号翻转之前，计数值已经达到最大，发生溢出，此时不对计数值进行存储，重新开始计数，最后，将计数器所得值换算成时间并对应电机所转过的圈数进行转速计算得到：

其中，fclk表示时钟频率。

上述电机速度检测方法不足之处在于：(1)无法消除定子线圈不对称带来的反电动势过零点信号脉冲出现频率间隔不对称带来的影响；(2)该算法抗软件干扰能力差，速度检测不具有平滑作用；(3)电机速度检测范围较窄。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无感无刷电机速度检测方法及检测电路，提高了速度检测精度和检测范围，避免由于定子、转子绕组安装不对称造成反电动势过零点脉冲间隔不均匀，从而导致计算的速度不准确等。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无感无刷电机速度检测方法，包括以下步骤：

(1)捕获电机三相端电压脉冲信号；

(2)根据所述电压脉冲信号是通过比较电路得到反电动势过零点脉冲信号；

(3)对电压脉冲信号与过零点脉冲信号之间的间隔时间进行计数，设定转子周期，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中；

(4)根据当前寄存器的值并结合当前通道前阶段存储寄存器的数值，滚动计算整个转子周期中寄存器的总计数值，根据寄存器数值，得到电机当前的转速。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述步骤(1)中，将计数器的数值存储至预先设定好的寄存器中，根据当前寄存器的值并结合该通道前阶段存储寄存器的数值，计算整个转子周期中寄存器的总计数值，具体包括以下步骤：

(1)运行开始，计数器清零；

(2)选择计数器时钟作为基准时钟，当检测到基准时钟上升沿时，计数器值加1，直至遇到过零点信号的脉冲时，将计数器的计数值存储至预先指定的寄存器c1中,若数值超过计数寄存器c1所能存储的范围，但未检测到过零点脉冲时，将计数周期及计数次数存储至新的寄存器c2中；

(3)对整个转子周期中寄存器中数值进行求和,得到总的计数为：

所述步骤(4)中，根据寄存器数值，得到电机当前的转速，采用以下公式计算：

其中，sp表示电机转速，n表示电机的极对数，fclk表示计数器计数一次需要的时间。

一种无感无刷电机速度检测电路，包括：中性点电压求取电路，用于计算电机星型定子绕组中心点电压值；中性点电压比较电路，用于将直流供电电压的1/2与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于端电压的设定值时，比较电路输出低电平，反之输出高电平；过零点处理电路，用于对反电动势过零点信号进行处理，计算电机的转速。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述中性点电压求取电路包括二极管d8、d9、d10、d11、d12、d13及电阻r8、r16、r23，所述二极管d8的阳极与二极管d9的阴极连接，所述二极管d10的阳极与二极管d11的阴极连接，所述二极管d12的阳极与二极管d13的阴极连接，所述二极管d8、d10、d12的阴极接电源，二极管d9、d11、d13的阳极接地；所述电阻r8、r16、r23的一端与二极管d8、d10、d12的阳极连接，电阻r8、r16、r23的另一端与中性点电压比较电路的输入端连接，所述二极管d8、d10、d12的阳极连接分别与电机三相电连接。

所述中性点电压比较电路由差分比较器u6及外围电路组成，所述差分比较器u6的输入端与中性点电压求取电路的输出端连接，其输出端与过零点处理电路连接。

所述过零点处理电路采用数字处理芯片。

由上述技术方案可知，本发明有效地提高了速度检测范围、避免了速度检测受到定子绕组、转子安装不对称影响，本发明中通过增加辅助计数寄存器，有效地增加转子速度检测范围；在速度的计算过程中，充分利用计数寄存器历史信息，在不降低转速检测的实时性条件下，充分提高了速度计算的准确度，充分抵消了定子绕组和转子安装不对称带来的影响，同时也提高速度软件速度检测的抗干扰能力。本发明能够满足各种无位置传感器电机速度检测使用，该检测方法有效提高速度信号的检测质量，从而有效改善整个速度闭环控制的性能。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明的关键信号时序图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于反电动势过零点电机速度检测电路，包括中性点电压求取电路1、中性点电压比较电路2、过零点处理电路3。

其中，中性点电压求取电路1是利用电机定子三相的端电压信息获得电机三相中性点电压，为后续的电压信号比较电路提供支撑。由于端电压信号成分比较复杂，容易受到电枢反应、pwm斩波、续流等现象、线路寄生参数的影响，导致端电压信号幅值会大大超出供电电压范围，严重时可能会损害后级芯片，因此，端电压信号需要经过钳位电路进行处理，为信号比较电路提供可靠信号。

所述中性点电压比较电路2，用于将直流供电电压的1/2与电机虚拟中性点的点位进行比较，当虚拟中性点电位高于直流供电电压的1/2，比较电路输出低电平，反之输出高电平，过零点处理电路用于将反电动势过零点信号进一步做软件处理计算电机的转速。

过零点处理电路3，用于将采样得到的电机过零点信息经过软件处理，获得电机的转速信号，本实施例的过零点处理电路3采用数字处理芯片。

本实施例的中性点电压求取电路1由二极管d8、d9、d10、d11、d12、d13及电阻r8、r16、r23组成，二极管d8的阳极与二极管d9的阴极连接，二极管d10的阳极与二极管d11的阴极连接，二极管d12的阳极与二极管d13的阴极连接，二极管d8、d10、d12的阴极接电源，二极管d9、d11、d13的阳极接地；电阻r8、r16、r23的一端与二极管d8、d10、d12的阳极连接，电阻r8、r16、r23的另一端与中性点电压比较电路的输入端连接，二极管d8、d10、d12的阳极连接分别与电机三相电连接。

中性点电压比较电路2由差分比较器u6以及r11、r18、r12、电容c17构成的外围电路组成，差分比较器u6的同相输入端与中性点电压及电容c17相连接，差分比较器u6的反相输入端与电阻r11和r18相连接，差分比较器u6的输出端经上拉电阻输出至数字处理芯片。

通过中性点电压求取电路1获取电机三相中性点电压信号，并将获取的中性点电压信号输送到中性点电压比较电路2中，通中性点电压比较电路2将直流供电电压的1/2与电机虚拟中性点的点位进行比较，从而获取电机在旋转过程中经过各相的过零点信号，供后级数字处理芯片3使用。

具体的过零点处理电路3的处理过程如下：

通过检测硬件的过零点脉冲信号对电机转速进行实时计算，首先对计数器进行清零，当捕获到过零点信号脉冲时，计数器开始进行计数，当下一次过零点信号出现时，结合前面两次的计数寄存器数值，构成一个完整的转子周期，利用以上所示的算法对转速进行求取，同时将此次寄存器数值存储至上一次寄存器中，具体包括以下步骤：

s1:在于程序运行开始，计数器清零；

s2:选择计数器时钟作为基准时钟，当检测到基准时钟上升沿时，计数器值加1，直至检测到过零点信号脉冲时，将计数器的计数值存储至预先指定的寄存器c1中,若数值超过计数寄存器c1所能存储的范围，但未检测到电平的改变时，将计数周期及计数次数存储至新的寄存器c2中；

s3:当检测到过零点信号脉冲时，将此时的计数值存储至指定寄存器c3中，并同时对计数器进行清零；

s4:对整个转子周期中寄存器中数值进行求和,得到总的计数为：

其中，cs表示当前寄存器中的数值，q表示寄存器c2中存储计数器的计数周期，n表示寄存器c2中存储计数器的计数次数，cp表示上一次计数寄存器中存储的计数值，cm表示上上一次存储寄存器的数值，th表示转子周期中寄存器的总计数值。

s5：从图3中可以看出：由于根据当前计数值结合前两次计数构成整个转子周期进行计算的，并且每120度电角度计算进行一次速度计算，从理论上说，速度的检测范围可以任意大，但实际中受到时钟信号频率和寄存器位数的限制，速度范围作相应的调整；根据以上论述，可以得到电机的转速(单位rpm)为：

其中，sp表示电机转速，p表示转子极对数，fclk表示计数时钟，th表示转子周期中寄存器的总计数值。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。