同步电机启动状态检测装置及方法与流程

1.发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种同步电机启动状态检测装置及方法。


背景技术：

2.在电机实际使用过程中，电机可能受外力影响，电机的启动状态并不一定是静止状态，而可能处于顺风或逆风状态。应当根据电机的启动状态，采取相应的启动策略，否则电机可能会启动失败。这就要求在电机启动前，先判断电机的启动状态。
3.在永磁同步电机的基于霍尔传感器的磁场定向控制中，常通过三个霍尔传感器来检测电机的启动状态。因为每个霍尔传感器都输出一个霍尔信号，所以主控芯片至少需要三个额外的输入引脚并外加三个霍尔传感器来获取三个霍尔信号，这样无疑会增加芯片的成本。也有的方案采用固定输出pwm信号驱动电机，通过采样电路实时采样相电流，通过判断一个电周期电流最大值的方式进行初始状态检测，但此方法一直处于导通状态，进而导致顺风状态刹车、检测电流过大等问题。本方案的刹车时间极短，产生的电流极小，不会明显出现上述问题。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种同步电机启动状态检测装置及方法，旨在解决现有技术中同步电机启动状态检测成本较高的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种同步电机初始状态检测装置，所述装置包括霍尔传感器、电流采样模块以及主控模块，其中，所述霍尔传感器的输出端与所述主控模块的第一端连接，所述电流采样模块的输入端连接电机的相线，所述电流采样模块的输出端与所述主控模块的第二端连接；
7.所述霍尔传感器，用于采集霍尔信号，并将所述霍尔信号发送至所述主控模块；
8.所述主控模块，用于根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态，当所述运行状态不为静止状态时，在霍尔信号跳变沿后延迟第二预设时间，输出采样指令；
9.所述电流采样模块，用于根据所述采样指令对目标相电流进行采样，并将所述目标相电流的采样值输出至所述主控模块；
10.所述主控模块，用于根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的启动状态。
11.可选地，所述目标相电流为反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流。
12.可选地，所述电流采样模块包括第一至第三电阻及三相逆变器，所述三相逆变器
包括第一至第六功率器件，所述第一至第三电阻分别串接在所述三相逆变器的下半桥与地之间；
13.所述三相逆变器的第一至第三输出端分别与所述电机的三相线圈连接。
14.为实现上述目的，本发明还提供一种同步电机启动状态检测方法，所述方法应用于如上所述的同步电机初始状态检测装置，所述同步电机启动状态检测方法包括：
15.采集霍尔信号；
16.根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态；
17.当所述运行状态不为静止状态时，在霍尔信号跳变沿后延迟第二预设时间，获取目标相电流的采样值；
18.根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的初始状态。
19.可选地，所述当所述运行状态不为静止状态时，在霍尔信号跳变沿后延迟第二预设时间，获取目标相电流的采样值，包括：
20.当所述运行状态不为静止状态时，在所述霍尔信号出现上升沿或下降沿后，延迟第二预设时间，生成导通信号；
21.延迟第三预设时间，根据所述导通信号对目标相电流进行采样，得到所述目标相电流的采样值。
22.可选地，所述延迟第三预设时间，根据所述导通信号对目标相电流进行采样，得到所述目标相电流的采样值，包括：
23.延迟第三预设时间，采样反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流，得到目标相电流的采样值。
24.可选地，所述根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态，包括：
25.判断所述霍尔信号在第一预设时间内是否出现电平反转；
26.若否，则所述电机的运行状态为静止状态；
27.若是，则所述电机的运行状态不为静止状态。
28.可选地，所述根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的初始状态，包括：
29.根据所述霍尔信号计算所述电机的初始转速；
30.根据所述目标相电流的采样值确定所述电机的运行状态。
31.可选地，所述根据所述霍尔信号计算所述电机的初始转速，包括：
32.当所述电机的运行状态为静止状态时，确定所述电机的初始转速为0；
33.当所述电机的运行状态不为静止状态时，根据所述霍尔信号及电机极对数计算所述电机初始转速。
34.可选地，所述根据所述目标相电流的采样值确定所述电机的运行状态，包括：
35.若所述相电流的正负符合预设相电流的顺风正负条件，则所述电机的运行状态为顺风状态；
36.若所述相电流的正负符合预设相电流的逆风正负条件，则所述电机的运行状态为逆风状态。
37.本发明提出一种同步电机启动状态检测装置及方法，所述装置包括采样模块、比较模块以及处理模块；所述装置包括霍尔传感器、电流采样模块以及主控模块，其中，所述
霍尔传感器的输出端与所述主控模块的第一端连接，所述电流采样模块的输入端连接电机的相线，所述电流采样模块的输出端与所述主控模块的第二端连接；所述霍尔传感器，用于采集霍尔信号，并将所述霍尔信号发送至所述主控模块；所述主控模块，用于根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态，当所述运行状态不为静止状态时，输出采样指令；所述电流采样模块，用于根据所述采样指令对目标相电流进行采样，并将所述目标相电流的采样值输出至所述主控模块；所述主控模块，用于根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的启动状态。通过单霍尔传感器检测霍尔信号及对应一相相电流的关系识别电机启动前的状态，从而使得能够减少芯片引脚以及霍尔传感器的数量，减少硬件资源，节约了成本。
附图说明
38.图1为本发明同步电机启动状态检测装置的模块结构示意图；
39.图2为本发明同步电机启动状态检测装置一实施例中电流采样模块的电路结构示意图；
40.图3为本发明同步电机启动状态检测方法第一实施例的流程示意图；
41.图4为本发明同步电机启动状态检测方法第二实施例的流程示意图；
42.图5为本发明同步电机启动状态检测方法第三实施例的流程示意图；
43.图6为本发明同步电机启动状态检测方法中电机运动状态的信号示意图；
44.图7为本发明同步电机启动状态检测方法第四实施例的流程示意图。
45.附图标号说明
46.标号名称标号名称100霍尔传感器q1～q6第一至第六功率器件200电流采样模块r1～r3第一至第三电阻300主控模块vcc电源000电机gnd地u、v、w三相线圈
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具体实施方式
47.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
50.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可
以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
51.本发明提供一种同步电机启动状态检测装置，参考图1，图1为本发明同步电机启动状态检测装置的模块结构示意图；所述装置包括霍尔传感器、电流采样模块以及主控模块，其中，所述霍尔传感器的输出端与所述主控模块的第一端连接，所述电流采样模块的输入端连接电机的相线，所述电流采样模块的输出端与所述主控模块的第二端连接；
52.所述霍尔传感器，用于采集霍尔信号，并将所述霍尔信号发送至所述主控模块。
53.可以理解的是，所述霍尔传感器的数量为1，该霍尔传感器可以根据电机产生的磁场产生一个霍尔信号。所述霍尔信号为高电平表明霍尔传感器面向磁场的n极，为低电平表明霍尔传感器面向磁场的s极。
54.所述主控模块，用于根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态，当所述运行状态不为静止状态时，在霍尔信号跳变沿后延迟第二预设时间，输出采样指令。
55.可以理解的是，所述主控模块可以为微处理器，该微处理器可以通过预先烧录的代码对采样过程进行控制。
56.需要说明的是，第二预设时间可以为0。
57.所述电流采样模块，用于根据所述采样指令对目标相电流进行采样，并将所述目标相电流的采样值输出至所述主控模块。
58.可以理解的是，所述采样模块至少包括逆变单元，所述逆变单元与电机的三相线圈连接，可以将直流电源转化为交流电对电机的三相线圈进行供电。
59.需要说明的是，所述目标相电流为当电机不处于静止状态时，反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流。
60.所述主控模块，用于根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的启动状态。
61.本实施例只利用一个霍尔信号并通过电流数据来判断电机的启动状态，从而使得能够减少芯片引出的引脚数量以及霍尔传感器的数量，减少硬件资源，节约了成本。
62.进一步地，继续参考图1，所述目标相电流为反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流。
63.需要说明的是，在进行启动状态检测之前，工作人员可以通过示波器得到各相反电动势与霍尔信号的波形图，从而确定哪一相的相电流为目标相电流。
64.进一步地，参考图2，图2为本发明同步电机启动状态检测装置一实施例中电流采样模块的电路结构示意图，所述电流采样模块包括第一至第三电阻及三相逆变器，所述三相逆变器包括第一至第六功率器件，所述第一至第三电阻分别串接在所述三相逆变器的下半桥与地之间；
65.所述三相逆变器的第一至第三输出端分别与所述电机的三相线圈连接。
66.可以理解的是，本实施例可以通过采样电阻对目标相电流进行采集。
67.本发明提供一种电同步电机启动状态检测方法，参照图3，图3为本发明同步电机启动状态检测方法第一实施例的流程示意图，所述方法包括步骤：
68.步骤s10：采集霍尔信号。
69.可以理解的是，所述霍尔信号由霍尔传感器根据磁场方向得到，霍尔传感器根据磁场方向得到霍尔信号。
70.步骤s20：根据所述霍尔信号判断所述电机的运行状态是否为静止状态。
71.需要说明的是，霍尔信号的电平状态能表征电机的运行状态，所述霍尔信号为高电平表明霍尔传感器面向磁场的n极，为低电平表明霍尔传感器面向磁场的s极。
72.步骤s30：当所述运行状态不为静止状态时，在霍尔信号跳变沿后延迟第二预设时间，获取目标相电流的采样值。
73.可以理解的是，电流数据会跟随反电动势的不同而变化，而反电动势的变化则是取决于电机的运行状态，因此，可以根据电流数据来推断出电机的运行状态。
74.在本实施例中，所述目标相电流为反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流。
75.步骤s40：根据所述霍尔信号及所述目标相电流的采样值确定所述电机的初始状态。
76.需要说明的是，所述电机的初始状态至少包括所述电机的初始转速及运行状态。
77.本实施例通过只利用一个霍尔信号并通过电流数据来判断电机的启动状态，从而使得能够减少芯片引出的引脚数量以及霍尔传感器的数量，减少硬件资源，节约了成本。
78.进一步地，在基于本发明的第一实施例所提出的本发明同步电机启动状态检测方法第二实施例中，参考图4，图4为本发明同步电机启动状态检测方法第二实施例的流程示意图，所述步骤s30包括：
79.步骤s31：当所述运行状态不为静止状态时，在所述霍尔信号出现上升沿或下降沿后，延迟第二预设时间，生成导通信号。
80.需要说明的是，为了保证检测的快速性，在霍尔信号第二次出现上升沿或下降沿时，即可在延迟第二预设时间后，逆变器下桥的功率器件导通，此时控制模块能够检测到电流信号。
81.步骤s32：延迟第三预设时间，根据所述导通信号对目标相电流进行采样，得到所述目标相电流的采样值。
82.在本实施例中，控制u相、v相和w相对应的逆变器下桥的功率器件导通。
83.需要说明的是，所述目标相电流为反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流。
84.进一步地，参考图5，图5为本发明同步电机启动状态检测方法第三实施例的流程示意图，在基于本发明的第一实施例所提出的本发明同步电机启动状态检测方法第三实施例中，所述步骤s32包括步骤：
85.步骤s32’：延迟第三预设时间，采样反电动势的零点在霍尔信号跳变沿
±
60
°
范围以内的那一相的相电流，得到目标相电流的采样值。
86.可以理解的是，在具体实现中，若示波器显示三相反电动势和霍尔信号的关系满足图6所示关系，其中，相邻零点相距60
°
，u相反电动势零点与霍尔信号的跳变沿重合，v相和w相的反电动势零点都与霍尔信号相距60
°
，因此可选择对u相或v相或w相进行电流采样。本实施例选择u相。为了获得逆风情况下反电动势与霍尔信号的波形图，可将顺风情况下的
反电动势以霍尔信号的跳变沿所在直线为轴进行180
°
翻转，霍尔信号保持不变。理论上只要反电动势零点与霍尔信号不是相距90
°
，均可以进行判断，考虑到采样电流的大小会影响判断的准确性，本文限定60
°
以内。
87.本实施例通过延迟控制逆变器下桥的功率器件导通以使得顺风和逆风状态更容易区分。需要说明的是，第二预设时间会影响判断电机的初始状态的准确度，具体延时时间与电周期有关。如图6所示，霍尔信号的上升沿或下降沿延迟电周期的四分之一后，u相顺风的反电动势和u相逆风的反电动势相差较大，这样顺风和逆风情况下采样出的电流也会相差较大，比较容易区分顺风和逆风状态，因此本实施例采用电周期的四分之一作为第二预设时间。需要注意的是，如果反电动势在上升位置的零点不是如图4的u相那样和霍尔信号的上升沿重合，就需要根据反电动势和霍尔信号的相位差调整第二预设时间。
88.本实施例通过延迟获取电流数据以使得获得的电流数据更为准确。需要说明的是，第三预设时间会影响判断电机的初始状态的准确度，可根据电机初始状态判断的准确度适当调整延时。通常，第三预设时间在几微秒至几十微秒内，相对于一个电周期而言，是十分短暂的，这会使得电流过冲比较小，噪音也比较小。
89.进一步地，参考图7，在基于本发明的第一实施例所提出的本发明同步电机启动状态检测方法第四实施例中，所述步骤s20包括步骤：
90.s21：判断所述霍尔信号在第一预设时间内是否出现电平反转。
91.s22：若否，则所述电机的运行状态为静止状态。
92.s23：若是，则所述电机的运行状态不为静止状态。
93.本实施例能够准确地判断电机的启动状态。
94.进一步地，继续参考图7，所述步骤s40，包括：
95.s41：根据所述霍尔信号计算所述电机的初始转速；
96.s42：根据所述目标相电流的采样值确定所述电机的运行状态。
97.进一步地，所述步骤s41包括：
98.当所述电机的运行状态为静止状态时，确定所述电机的初始转速为0。
99.当所述电机的运行状态不为静止状态时，根据所述霍尔信号及电机极对数计算所述电机初始转速。
100.具体地，记录霍尔信号中出现的一个上升沿以及与该上升沿相邻的下一个上升沿之间的时间间隔为电周期，根据所述电周期计算得到电机的初始转速。具体地，根据下述公式进行计算：
[0101][0102]
其中，nm是电机的初始转速，p是电机的极对数，δt是霍尔信号的周期。
[0103]
进一步地，所述步骤s42包括：
[0104]
若所述相电流的正负符合预设相电流的顺风正负条件，则所述电机的运行状态为顺风状态。
[0105]
若所述相电流的正负符合预设相电流的逆风正负条件，则所述电机的运行状态为逆风状态。
[0106]
需要说明的是，在电机处于顺风状态时，在采样时刻的u相反电动势为正，所以u相
电流为正；在电机处于逆风状态时，u相反电动势为负，所以u相电流为负。
[0107]
因此，当检测到u相电流为正时，则电机的运行状态为顺风状态；当检测到u相电流为负时，则电机的运行状态为逆风状态。
[0108]
本实施例可以准确检测运行状态，并在不同的运行状态下对所述电机的初始转速进行计算。
[0109]
应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。
[0110]
需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。
[0111]
另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的同步电机初始状态检测装置，此处不再赘述。
[0112]
此外，需要说明的是，在本文中，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、物品或者系统不仅包括那些要素，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、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0113]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0114]
以上仅为本发明的优选实施例，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效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。