阅读说明：本技术 直流无刷电机的反电动势过零点检测装置及其方法、应用 (Counter electromotive force zero crossing point detection device of direct current brushless motor and method and application thereof ) 是由 李强 黄小津 李建 刘广民 陶继忠 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了直流无刷电机的反电动势过零点检测装置及其方法、应用,所述反电动势过零点检测装置包括电机和反电动势过零点检测电路,所述电机的定子上缠绕电机绕组,所述电机绕组一端以星型连接的方式接在一起,另一端从电机引出并连接到驱动器上,还包括发电机绕组,所述发电机绕组与电机绕组缠绕在同一个定子上,且发电机绕组与电机绕组共用一个转子,所述发电机绕组一端以星型连接的方式接在一起,另一端从电机引出并连接在反电动势过零点检测电路上,经过反电动势过零点检测电路后,反电动势过零点信号接入控制芯片。本发明降低了反电动势受干扰和噪声带来的影响,提高了基于反电动势过零点获取电机转子位置方法的可靠性。(The invention discloses a back electromotive force zero crossing point detection device of a direct current brushless motor, a method and application thereof, wherein the back electromotive force zero crossing point detection device comprises a motor and a back electromotive force zero crossing point detection circuit, a motor winding is wound on a stator of the motor, one end of the motor winding is connected together in a star connection mode, the other end of the motor winding is led out from the motor and connected to a driver, the back electromotive force zero crossing point detection device also comprises a generator winding, the generator winding and the motor winding are wound on the same stator, the generator winding and the motor winding share one rotor, one end of the generator winding is connected together in a star connection mode, the other end of the generator winding is led out from the motor and connected to the back electromotive force zero crossing point detection circuit, and a back electromotive force zero crossing. The method reduces the influence of the back electromotive force caused by interference and noise, and improves the reliability of the method for acquiring the position of the motor rotor based on the back electromotive force zero crossing point.)

直流无刷电机的反电动势过零点检测装置及其方法、应用

技术领域

本发明涉及直流无刷电机的控制技术领域，具体涉及直流无刷电机的反电动势过零点检测装置及其方法、应用。

背景技术

直流无刷电机通过电子换向方式替代有刷电机的机械换向。电子换向对电机转子的旋转角度是有要求的。直流无刷电机通常配备霍尔传感器或光电编码器等位置传感器来检测转子位置。但是在某些复杂环境下，如振动、高温、潮湿等环境因素，位置传感器会出现断线、脉冲信号丢失等故障，进而导致电机控制系统运行失败。因此，为了提高直流无刷电机的运行可靠性，无位置传感器的电机控制技术得到广泛研究。

无位置传感器的直流无刷电机通常利用反电动势等物理参数来估计转子位置。反电动势是电机绕组在转子旋转过程中由磁感线切割产生的感应电动势，这实际上是发电机效应。电机绕组在定子上的缠绕示意图如图1所示。图中A、B和C共同组成了电机绕组，其一端以星型连接的方式接在一起，星型网络的中点称为中性点，另一端则分别从电机引出并连接到驱动器上。现有技术利用如图2所示的简化硬件电路原理图检测电机绕组感应到的反电动势，图2中低通滤波电路、虚拟中性点电路和电压比较器电路共同组成了反电动势过零点检测电路。直流无刷电机可以等效为电阻、电感和反电动势组成的硬件电路。三相全桥逆变电路通过A、B和C三条与电机相连的驱动线缆来驱动电机工作。在这三条驱动线缆上，分别并联接出三条线缆，并连接由电阻和电容构成的低通滤波电路。滤波后的反电动势Ua、Ub和Uc经三个阻值相同的电阻以星型方式连接在一起，星型网络的中点称为虚拟中性点。电压比较器电路通过比较虚拟中性点与各相绕组上反电动势大小的方法，求取反电动势与中性点电动势的交叉点，也称为反电动势过零点，进而可以检测出转子位置。利用反电动势得到转子位置的方法，位置估计的准确度直接影响了无传感器直流无刷电机的控制性能。

现有技术方法直接从用于电机的驱动线缆上中获取反电动势，此时线缆不仅用于电机驱动，还存在着由发电机效应产生的反电动势。这种反电动势测量方法会受较大的干扰和噪声影响。比如，直流无刷电机在工作时，处于导通状态的电机绕组上同时存在反电动势和驱动电压，这使得不能在导通的电机绕组上直接测量得到反电动势；而处于不导通状态的电机绕组，虽然没有驱动电压直接作用在反电动势上，但反电动势又受到续流二极管引起的电压脉冲以及PWM噪声等因素影响。尤其在电机绕组处于导通和非导通状态切换时刻，电压脉冲的干扰会使得反电动势异常突变，并直接导致反电动势过零点在错误的时刻出现，影响了转子位置的检测。

为了消除反电动势的噪声和干扰，现有技术一般设计如图2所示的低通滤波电路模块来过滤干扰和噪声，但完全的消除反电动势的噪声和干扰是难以做到的。这是因为低通滤波模块对于高频的PWM噪声是有效的，但是对于续流二极管引起的电压脉冲等干扰却无能为力。一旦反电动势过零点在错误的时间出现，转子的位置估计便会出现错误。这将增加后续直流无刷电机的控制难度。

发明内容

本发明的目的在于提供直流无刷电机的反电动势过零点检测装置，以降低反电动势受干扰和噪声带来的影响，提高基于反电动势过零点获取电机转子位置与速度方法的可靠性。

此外，本发明还提供上述反电动势过零点检测装置的检测方法和应用。

本发明通过下述技术方案实现：

直流无刷电机的反电动势过零点检测装置，包括电机和反电动势过零点检测电路，所述电机的定子上缠绕电机绕组，所述电机绕组一端以星型连接的方式接在一起，另一端从电机引出并连接到驱动器上，还包括发电机绕组，所述发电机绕组与电机绕组缠绕在同一个定子上，且发电机绕组与电机绕组共用一个转子，所述发电机绕组一端以星型连接的方式接在一起，另一端从电机引出并连接在反电动势过零点检测电路上，经过反电动势过零点检测电路后，反电动势过零点信号接入控制芯片。

本发明的关键在于：在原有的电机结构中，新增加了一组专门用于测量反电动势的绕组-发电机绕组，将现有技术直接在电机绕组上测量反电动势的方法修改为在发电机绕组上检测反电动势。具体地：

本发明不再从用于电机驱动的线缆上检测反电动势，在本发明中，通过将发电机绕组与电机绕组缠绕在同一个定子上，即同一个定子上拥有两组绕组，一组仍然用于电机的驱动，称为电机绕组，另一组专门用来感应反电动势，称为发电机绕组，两组线缆的缠绕示意如图3所示，以此实现把电机驱动线缆和检测反电动势的线缆分离。本发明实质上将电机与发电机设计成两个独立的部分，两个部分的绕组以相同的绕线方法同时缠绕在同一定子结构上，并共用同一个转子。图3中A、B和C共同组成电机绕组，A2、B2和C2共同组成发电机绕组，电机绕组A、B和C的一端分别连接至电机驱动器接口上，另一端以星型连接的方式接在一起，星型网络的中点仍为中性点。发电机绕组A2、B2和C2的输出端不再连接电机驱动器接口，而连接在反电动势过零点检测电路上，另一端仍以星型连接的方式接在一起，星型网络的中点成为中性点2，简化原理图如图4所示。发电机绕组同样可以等效为电阻、电感以及反电动势组成的硬件电路。这样的设置，使得电机绕组和发电机绕组都将在转子转动过程中产生反电动势，并且反电动势的相位、频率与趋势完全一致，受绕组绕线圈数等因素的不同，反电动势的幅值大小将发生变化。

发电机绕组的输出端在引出电机结构后接入硬件电路，如图4所示。图4中低通滤波电路、虚拟中性点电路和电压比较器电路共同组成了反电动势过零点检测电路。与图2所示原理图不一致的点在于，反电动势不再从电机绕组上引出，而是改为从发电机绕组中引出。反电动势经低通滤波电路后，通过三个阻值相同的电阻以星型连接方式接在了一起，星型网络的中点成了虚拟中性点。电压比较器的输入是星型网络中性点的电动势和经过低通电路模块滤波后的反电动势。当反电动势大于虚拟中性点电动势时，电压比较器输出为高电平，当反电动势小于中性点电动势时，电压比较器输出为零电平。当电压比较器的输出由高电平变为零电平，或者是由零电平变为高电平时，意味着出现了反电动势过零点。

本发明与现有技术方法的区别在于，测量反电动势时不再从电机的驱动线缆上测量，而是通过新增的绕组检测反电动势。利用本发明所述装置在测量反电动势时，可以减轻反电动势受到的干扰，并且完全消除了续流二极管引起的电压脉冲；本发明相比于现有技术方法，所检测到的反电动势的干扰和噪声水平将下降，反电动势的信号更为纯净；由于发电机绕组与电机绕组处于同一定子结构上，并且绕组各自的相位也完全相同，因此本发明所提反电动势检测方法并不会造成反电动势的相位延迟。

综上，本发明降低了反电动势受干扰和噪声带来的影响，提高了基于反电动势过零点获取电机转子位置与速度方法的可靠性。

进一步地，发电机绕组与电机绕组的缠绕方式一致。

具体是指缠绕方向、相位一致。

进一步地，发电机绕组与电机绕组的缠绕方式为：

并列一起缠绕、拧在一起缠绕、相互包裹缠绕或里外侧缠绕。

所述并列一起缠绕具体是指将发电机绕组与电机绕组并排同步缠绕；所述拧在一起缠绕将发电机绕组与电机绕组交叉拧成一股后再在定子上缠绕；所述相互包裹缠绕是指电机绕组完全包裹住发电机绕组或反之，所述里外侧缠绕为电机绕组缠绕在靠近定子结构外侧一端，而发电机绕组缠绕在靠近定子结构内侧一端或反之，如图3所示。

进一步地，发电机绕组的直径小于等于电机绕组的直径。

尽可能在检测反电动势时，不影响电机驱动能力。

进一步地，在控制芯片和反电动势过零点检测电路之间设置有光电耦合器。

进一步地，发电机绕组与电机绕组均为铜线。

进一步地，电机为单相电机、两相电机、三相电机或四相电机。

一种基于直流无刷电机的反电动势过零点检测装置的检测方法，将发电机绕组与电机绕组缠绕在同一定子上，将电机绕组引出电机的一端与驱动器连接，将发电机绕组引出电机的一端与反电动势过零点检测电路连接，反电动势过零点检测电路检测到发电机绕组的反电动势后，将反电动势过零点信号接入控制芯片。

一种基于直流无刷电机的反电动势过零点检测装置的应用，将所述反电动势过零点检测装置用于无位置传感器直流无刷电机的位置与速度检测，并用于直流无刷电机的控制。

一种基于直流无刷电机的反电动势过零点检测装置的应用，将所述反电动势过零点检测装置用于单相电机、两相电机、三相电机或四相电机的反电动势过零点检测。

所述电机的定子为2极对数，也可以是4、6、8等极对数的定子结构。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明测量反电动势时不再从电机的驱动线缆上测量，而是通过新增的发电机绕组检测反电动势，在测量反电动势时，可以减轻反电动势受到的干扰，并且完全消除了续流二极管引起的电压脉冲。

2、本发明所检测到的反电动势的干扰和噪声水平将下降，反电动势的信号更为纯净

3、由于发电机绕组与电机绕组处于同一定子结构上，并且绕组各自的相位也完全相同，因此本发明所提反电动势检测方法并不会造成反电动势的相位延迟。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有电机的结构示意图；

图2为现有反电动势的硬件电路原理图；

图3为本发明电机的结构示意图；

图4为实施例1的反电动势的硬件电路原理图；

图5为实施例2的反电动势的硬件电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图3、图4所示，直流无刷电机的反电动势过零点检测装置，在靠近定子外侧缠绕电机绕组，并在定子里侧留出一些空间用于缠绕发电机绕组；两组绕组的绕线方法一致，并且均一端以星型方式连接，另一端分别引出电机，从电机中引出的电机绕组的线缆接入驱动器，引出的发电机绕组接入反电动势过零点检测电路，经过反电动势过零点检测电路后，反电动势过零点信号接入控制芯片。

实施例2：

如图3、图5所示，直流无刷电机的反电动势过零点检测装置，在靠近定子外侧缠绕电机绕组，并在定子里侧留出一些空间用于缠绕发电机绕组；两组绕组的绕线方法一致，发电机绕组使用比电机绕组更细的铜线，尽可能在检测反电动势时，不影响电机驱动能力；两组绕组均一端以星型方式连接，另一端分别引出电机；从电机引出的电机绕组的线缆接入驱动器，引出的发电机绕组接入反电动势过零点检测电路；经过反电动势过零点检测电路后，反电动势过零信号接入光电耦合器，经光电隔离后信号接入控制芯片。

本发明中，图示电机结构示意图并没有体现转子的位置，实质上，无论转子为内转子还是为外转子，都在本发明的保护范围内，为了绘图清晰，图示电机绕组与发电机绕组的位置关系为：电机绕组在靠近圆心外侧，发电机绕组在靠近圆心里侧；实际上，本发明并没有限制两者的位置关系。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。