永磁同步电机的反电动势采样电路的制作方法

本实用新型涉及永磁同步电机控制领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机的反电动势采样电路。

背景技术：

永磁同步电机的驱动系统通常需位置传感器来检测转子位置和转速，但增加传感器会使成本增加、体积增大以及可靠性降低。因此，现有技术中变频空调驱动系统一般采用无位置传感器算法来检测转子位置和转速，在电机中、高速运转时可以达到位置传感器的效果。

在永磁同步电机中、高速运行时，可以通过计算出反电动势后估算电机转子的转速和位置。但电机在低速运行时，反电动势较小且系统内噪声较大，以至于采用基于反电动势的估算方法在低速运行时很难计算出反电动势，进而无法准确估算出电机转子的转速和位置。然而，使用基于高频信号注入法的估算方案虽然可以使电机在低速运行时得到有效控制，但却要求电机具备比较明显凸极特性。除此之外，采用此方法在对印制电路板(Printed Circuit Board，简称为PCB)进行设计时要求高频信号能够顺利采样，且对数字信号处理(Digital Signal Processing，简称为DSP)运算能力要求也比较高。

综上所述，需要有一种无位置传感器的永磁同步电机电压检测电路及其低速运行控制方法，在永磁同步电机低速运行时计算出精确的转子位置及转速，从而改善永磁同步电机低速运行性能。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种永磁同步电机的反电动势采样电路，以至少解决相关技术中永磁同步电机低速运行性能不佳的问题。

本实用新型实施例提供了一种永磁同步电机的反电动势采样电路，包括：控制器和电压检测电路，所述电压检测电路包括：第一差分放大器、第二差分放大器，其中，

所述第一差分放大器的第一输入端与第一检测端电性连接，所述第一差分放大器的第二输入端与第二检测端电性连接，所述第二差分放大器的第一输入端也与所述第二检测端电性连接，所述第二差分放大器的第二输入端与第三检测端电性连接；

所述第一检测端、所述第二检测端和所述第三检测端用于与永磁同步电机的第一相线、第二相线和第三相线一一地电性连接；

所述第一差分放大器的输出端与所述控制器的第一输入端电性连接，所述第二差分放大器的输出端与所述控制器的第二输入端电性连接，所述控制器还包括输出端，所述控制器的输出端用于与为所述永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT电性连接。

通过本实用新型实施例提供的永磁同步电机的反电动势采样电路，强制关断为永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT；当永磁同步电机的定子电流减小为零时，对永磁同步电机的反电动势进行采样；反电动势采样成功后，取消对逆变器的IGBT的强制关断。通过本实用新型直接采样反电动势，提高了在永磁同步电机低速运行时采样的反电动势的精度；根据该反电动势能够精确估算出永磁同步电机低速运转时的转子位置和转速，进而提高永磁同步电机的控制精度，解决相关技术中永磁同步电机低速运行性能不佳的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1a是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样电路的拓扑结构示意图；

图1b是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样电路与永磁同步电机系统连接的拓扑结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样方法的流程图；

图3是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样设备的硬件结构示意图；

图4是根据本实用新型优选实施例的永磁同步电机运行控制方法的流程图；

图5是根据本实用新型优选实施例的电流衰减采样算法的示意图；

图6是根据本实用新型优选实施例的永磁同步电机的反电动势采样电路的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实施例中提供了一种永磁同步电机的反电动势采样电路，图1a是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样电路的拓扑结构示意图，图1b是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样电路与永磁同步电机系统连接的拓扑结构示意图，如图1a和图1b所示，该反电动势采样电路包括控制器5和电压检测电路4，电压检测电路4包括：第一差分放大器41、第二差分放大器42，其中，

第一差分放大器41的第一输入端与第一检测端电性连接，第一差分放大器41的第二输入端与第二检测端电性连接，第二差分放大器42的第一输入端也与第二检测端电性连接，第二差分放大器42的第二输入端与第三检测端电性连接；

如图1b所示，第一检测端、第二检测端和第三检测端用于与永磁同步电机的第一相线、第二相线和第三相线一一地电性连接；

第一差分放大器41的输出端与控制器5的第一输入端电性连接，第二差分放大器42的输出端与控制器5的第二输入端电性连接，控制器5还包括输出端51，控制器5的输出端51用于与为永磁同步电机3提供电源的逆变器2的IGBT电性连接。

在图1b中的永磁同步电机系统中还包括串联在市电和逆变器之间的整流器1。

通过上述的永磁同步电机的反电动势采样电路，控制器5可以强制关断为永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT；当永磁同步电机的定子电流减小为零时，对永磁同步电机的反电动势进行采样；反电动势采样成功后，取消对逆变器的IGBT的强制关断。通过上述电路直接采样反电动势，提高了在永磁同步电机低速运行时采样的反电动势的精度；根据该反电动势能够精确估算出永磁同步电机低速运转时的转子位置和转速，进而提高永磁同步电机的控制精度，解决相关技术中永磁同步电机低速运行性能不佳的问题。

可选地，电压检测电路还包括：由两个稳压管反向串联组成的第一双向稳压管43、由两个稳压管反向串联组成的第二双向稳压管44、第一电阻45、第二电阻46、第三电阻47和第四电阻48，其中，

第一电阻45串联在第一差分放大器41的第一输入端与第一检测端之间；第二电阻46串联在第一差分放大器41的第二输入端与第二检测端之间；第三电阻47串联在第二差分放大器42的第一输入端与第二检测端之间；第四电阻48串联在第二差分放大器42的第二输入端与第三检测端之间；

第一双向稳压管43串联在第一差分放大器41的第一输入端和第二输入端之间；第二双向稳压管44串联在第二差分放大器42的第一输入端和第二输入端之间。

上述双向稳压管的作用是限制差分放大器的输入电压，而第一电阻至第四电阻的作用则起到限流电阻的作用，保护双向稳压管，避免双向稳压管因检测电流过大而被击穿。

可选地，电压检测电路还包括：由三个电阻Y型连接组成的电阻组49，其中，电阻组49的三个端子分别与第一检测端、第二检测端和第三检测端一一地电性连接。由于永磁同步电机的三根相线上可能会存在引起谐振的寄生电容和漏电感，因此在与相线连接的三个检测端接入Y型连接的阻尼电阻，可以抑制谐振，提高采样质量。

可选地，控制器5还包括：计时模块，该计时模块用于在为永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT被强制关断时启动预定时长的计时，并在计时器超时后取消对该IGBT的强制关断。

上述的永磁同步电机的反电动势采样电路的优点是结构简单、反电动势的采样精度高，上述反电动势采样电路中各个元器件的参数选择可以根据实际需要和要求具体选择。上述的永磁同步电机的反电动势采样电路的优点将结合本实用新型的其他实施例进行描述和说明。

在本实施例中还提供了一种永磁同步电机的反电动势采样方法。图2是根据本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，强制关断为永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT；

步骤S202，当永磁同步电机的定子电流减小为零时，对永磁同步电机的反电动势进行采样；

步骤S203，反电动势采样成功后，取消对逆变器的IGBT的强制关断。

可选地，在取消对逆变器的IGBT的强制关断之后，则可以根据采集到的反电动势，估算永磁同步电机的转子位置及转速大小。

可选地，在步骤S201之前，方法还可以包括：判断永磁同步电机的转速是否超过预设值；在这种情况下，在步骤S201中在判断结果为永磁同步电机的转速未超过预设值的情况下，强制关断为永磁同步电机提供电源的逆变器的IGBT。否则，在判断结果为永磁同步电机的转速超过预设值的情况下，对永磁同步电机的相线的端电压进行采样；根据采集到的相线的端电压，估算永磁同步电机的反电动势；根据估算出的反电动势，估算永磁同步电机的转子位置及转速大小。

通过上述的方式，实现了根据永磁磁同步电机的转速切换估算或计算电机的转子位置及转速大小的方法的方式，使得本实用新型实施例提供的永磁同步电机的反电动势采样方法能够在低转速和高转速的情况下都能够采样得到更准确的反电动势。

可选地，经过大量的实验和分析表明，在本实施例中上述预设值优选为190rpm至210rpm，更优选地为200rpm。

本实施例提供的永磁同步电机的反电动势采样方法将结合优选实施例进行描述和说明。

另外，结合图2描述的本实用新型实施例的永磁同步电机的反电动势采样方法可以由永磁同步电机的反电动势采样设备来实现。图3示出了本实用新型实施例提供的永磁同步电机的反电动势采样设备的硬件结构示意图。

永磁同步电机的反电动势采样设备可以包括处理器31以及存储有计算机程序指令的存储器32。

具体地，上述处理器31可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本实用新型实施例的一个或多个集成电路。

存储器32可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器32可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器32可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器32可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器32是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器32包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

处理器31通过读取并执行存储器32中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种永磁同步电机的反电动势采样方法。

在一个示例中，永磁同步电机的反电动势采样设备还可包括通信接口33和总线30。其中，如图3所示，处理器31、存储器32、通信接口33通过总线30连接并完成相互间的通信。

通信接口33，主要用于实现本实用新型实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。

总线30包括硬件、软件或两者，将永磁同步电机的反电动势采样设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线30可包括一个或多个总线。尽管本实用新型实施例描述和示出了特定的总线，但本实用新型考虑任何合适的总线或互连。

该永磁同步电机的反电动势采样设备在工作时，处理器31通过读取并执行存储器32中存储的计算机程序指令，从而实现结合图2描述的永磁同步电机的反电动势采样方法。

另外，结合上述实施例中的永磁同步电机的反电动势采样方法，本实用新型实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种永磁同步电机的反电动势采样方法。

为了使本实用新型实施例的描述更加清楚，下面结合优选实施例进行描述和说明。

本优选实施例提供了一种无位置传感器的永磁同步电机的反电动势采样电路和方法，并基于该反电动势采样方法提供了一种永磁同步电机运行控制方法。

本优选实施例的无位置传感器的永磁同步电机运行控制方法的流程图请参见图4。研究发现，当永磁同步电机低速运行时通过采样得到的反电动势较准确，当永磁同步电机高速运行时估算出的反电动势较准确。因此，在本优选实施例中，当永磁同步电机转速小于200rpm(根据实际情况可以选取为其他值)时，通过差分采样电路对永磁同步电机端电压进行采样，得到反电动势，进而计算出永磁同步电机转子位置及转速；当永磁同步电机转速大于200rpm时，直接对反电动势进行估算，然后再估算出永磁同步电机转子位置及转速。

由于永磁同步电机电机定子端电压由反电动势及定子电阻与电感引起的压降组成，因此在测量反电动势时需要令定子电流为0(关断逆变器所有桥臂)，那么就不会有电流经过永磁同步电机定子电阻与电感，从而就不会在定子电阻与电感上产生压降，此时反电动势就等于电机定子端电压。

本优选实施例提供的永磁同步电机运行控制方法包括如下步骤：

步骤1、当永磁同步电机转速小于200rpm时，通过向电流控制中加入电流衰减采样算法得到反电动势，具体如图5所示。在此算法初始阶段，将逆变器强制关断标志位置1，令使逆变器所有桥臂同时关断，当定子电流逐步衰减至0之后对定子端电压进行采样。

在图5中，Test为采样及计算转速的时间，Tdip为电流衰减时间。根据开关器件的特性，电流在开关器件关断后的衰减时间小于0.2ms，因此，对定子端电压采样开始的时间可以设置为自开关器件关断后0.2ms以后的任意时间，优选为自开关器件关断后0.25ms时对定子端电压进行采样。而如图5所示，Test一方面受到定子端电压采样时间的影响，另一方面也受到处理器估算转速时间的影响，在一些实施例中，Test的取值可以为1ms至5ms，优选可以设定为2ms。

步骤2、永磁同步电机反电动势采样电路如图6所示。通过差分采样电路对永磁同步电机端电压进行采样，经差分放大器输出后可得永磁同步电机端子线电压和此时采样得到的电压就是反电动势。然后将逆变器强制关断标志位置0，取消强制关断。最大可测量的反电动势被R2和反向串联的两个稳压管钳位在5V，进而能够将永磁同步电机最大运行速度限制在200rpm以内。由于永磁同步电机端子上可能会存在引起谐振的寄生电容和漏电感，因此在电机端子处接入Y型连接的阻尼电阻R1来抑制谐振。

步骤3、通过采样得到永磁同步电机端子线电压和之后，可以计算出永磁同步电机电机端子的相电压然后再计算出其在旋转坐标系中的d、q轴分量根据反电动势与转角的关系计算出转子的位置，同时也可以计算出转子的转速为其中KE为反电动势常数。至此，精确得到了永磁同步电机转子在低速时的位置和转速，然后根据常规磁场定向控制算法对永磁同步电机进行控制，可以使永磁同步电机在低速运行时的性能得到提升。

步骤4、当转速继续上升大于200rpm时，使逆变器强制关断标志位一直处于0状态，因此逆变器所有桥臂就不会同时关断。此时，获取永磁同步电机每一相的端电压后，用软件算法对反电动势进行估算得到反电动势，然后再计算出其在旋转坐标系中的d、q轴分量，进而精确计算出转子的位置和转速大小，最后根据常规磁场定向控制算法对永磁同步电机进行控制。

根据d、q轴分量计算转子的位置和转速大小的计算方法可以采用本领域中已知的任一种计算方法，例如：利用反电动势Aα和Bβ，通过公式估算电机转子的位置角在估算获得的位置角的基础上，通过一与转速相关的角度补偿函数计算电机转子位置角估算值利用获得的对作微分得到电机转子速度v。

综上所述，通过本实用新型的上述实施例是优选实施方式，不仅提供了一种全新的永磁同步电机的反电动势采样电路，还提供了一种可以基于该反电动势采样电路对永磁同步电机低速及高速运行进行精确控制的方法。基于本实用新型实施例介绍的技术方案进行永磁同步电机的控制，能够使得永磁同步电机启动变得简单可靠，在永磁同步电机重载情况下启动更为平缓，以及使永磁同步电机的低速运行更为稳定。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。