專利名稱：無傳感器無刷電機寬速度精準換相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于電機控制領(lǐng)域，具體地說是一種無傳感器無刷電機寬速度精準 換相器。
背景技術(shù)：
無刷直流電機因其換相無火花、功率密度大、調(diào)速性能佳等優(yōu)點，在家用電器、電動汽 車、電動自行車、計算機外設等領(lǐng)域，應用越來越廣泛。
為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，無刷直流電機的運行需要利用轉(zhuǎn)子位置信息來獲取定子繞組的換相 信號，獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方式通常是利用在電機內(nèi)部安裝霍爾位置傳感器直接檢測，這種 方式的最大優(yōu)點是電機靜止時，也能檢測到轉(zhuǎn)子的位置，電機可以從零速到額定轉(zhuǎn)速的全速 度范圍內(nèi)提供按照轉(zhuǎn)子位置信息的精準換相信號，但這種方式存在著安裝工藝復雜、維護和 制造成本高、不適宜高溫工作環(huán)境等諸多缺陷。
基于上述原因，近二十年來國內(nèi)外一直開展去掉傳感器，從一些已知量中獲取轉(zhuǎn)子位置信 息的無位置傳感器技術(shù)研究，到目前為止，最為簡單、實用、成熟的方法是利用的電機定子 繞組上感應的反電勢來檢測轉(zhuǎn)子位置信息，主要包括反電勢過零檢測法、反電勢三次諧波積 分檢測法、鎖相環(huán)法和續(xù)流二極管檢測法等，這些方法都采用檢測電機的端電壓或相電壓來 間接地檢測反電勢，存在以下幾方面的缺點1、端電壓或相電壓中含有PWM斬波信號和換 相時二極管續(xù)流引發(fā)的干擾電勢，檢測電路須要采用低通濾波器濾去高次諧波分量和進行
30G或90Q的移相，低通濾波器的存在使得換相信號的相位隨電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，而且 30G或90G的移相并不能保證轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)過了3()G或90G，致使得到的電機換相信號不精準；2、 電機在靜止或低速時的反電勢本身很小，經(jīng)過衰減器分壓后反電勢更小，檢測不到換相信息， 電機需要利用外部起動的方法把速度加速到電機額定轉(zhuǎn)速的10%，電機才能按照轉(zhuǎn)子位置信 息進行換相，在外部起動電機加速過程中，極易引起電機起動失敗。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型目的是針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，提出一種工藝簡單、起動容易、成 本低廉，無需低通濾波器、無需衰減器、無需移相，從0.1%的額定轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的寬速度 范圍內(nèi)都能提供精準換相信號的無傳感器無刷電機換相信號檢測器。
為達到上述目的，本實用新型所設計的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，由相反電 勢檢測電路、自動增益控制放大電路、線電勢過零點檢測電路、轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路和起動電 路組成，其特點是電機加電后，起動電路通過線電勢過零點檢測電路輸出定位和起動換相信 號，拖動電機旋轉(zhuǎn)，相反電勢檢測電路將檢測到的反電勢信號，經(jīng)自動增益控制放大電路放
大為不隨電機轉(zhuǎn)速變化的恒定幅值反電勢信號，先送到起動電路檢測線電勢的第一個過零 點，在檢測到后，關(guān)閉起動電路，切換為送到線電勢過零點檢測電路比較得到換相信號并輸 出，換相信號同時作為轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入信號，把電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 送到自動增益控制放大電路，產(chǎn)生可控增益。
所述的相反電勢檢測電路包括三組測試線圈，分別埋置在電機主繞組三相所放置的齒槽 中，三組線圈的尾端匯接引出接地，首端引出分別與自動增益控制放大電路R1的前端連接。 所述的自動增益控制放大電路采用包括場效應管的集成運算放大器，場效應管T1的源極 與集成運算放大器的負輸入端連接，柵極與轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)的R9前端連接。
所述的線電勢過零點檢測電路包括三個比較器，比較器U2A的正輸入端、二極管Da的 負極、比較器U2B的負輸入端、R4的上端匯接；比較器U2B的正輸入端、二極管Db的負 極、R6的上端、比較器U2C的負輸入端匯接；比較器U2A的負輸入端與比較器U2C的正 輸入端連接；U2A、 U2B、 U2C三個比較器的輸出端輸出電機換相信號。
所述的轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路的電容Cl、 C2、 C3的后端與線電勢過零點檢測電路三個比較 器的輸出端連接，把電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電阻R9的前端送到自動增益控 制放大電路場效應管T1的柵極。
所述的起動電路包括電阻R3、 R4、 R5、 R6、 R7，電容C0，晶體三極管T2、 T3， 二極 管Da、 Db和比較器U2D; 二極管Da的正極、集成運算放大器U1A的輸出端、比較器U2D 的負輸入端匯接；二極管Db的正極與集成運算放大器U1B的輸出端連接；比較器U2D的正 輸入端、集成運算放大器U1C的輸出端、比較器U2C的正輸入端匯接；比較器U2D的輸出 端、T2的基極、T3的基極匯接；T3的集電極、R5的上端、R3的前端、R4的下端匯接； T2的集電極、R6的下端、R7前端、C0的上端匯接。
本實用新型與背景技術(shù)相比具有的有益效果是
1、 三組測試線圈分別埋置在電機主繞組三相所放置的齒槽中，安裝工藝非常簡單，加 之測試線圈中流過電流十分微弱，測試線圈的線徑很細，占用主繞組的體積很小。
2、 反電勢直接從測試線圈中檢測，不含PWM信號和換相時無二極管續(xù)流引發(fā)的干擾電 勢，非常平滑，檢測電路無需濾波器。
3、 采用自動增益控制放大電路，取消了衰減器，保證電機在從0.1%的額定轉(zhuǎn)速到額定 轉(zhuǎn)速的寬速度范圍內(nèi)輸出不隨電機轉(zhuǎn)速變化的恒定反電勢，電機起動非常容易，不會產(chǎn)生失 敗。
4、 比較器比較的是線電勢的過零點，線電勢的過零點正好對應電機的最佳換相時刻， 檢測電路無需移相30G或9()G。
5、 檢測電路輸出的換相信號的相位與霍爾傳感器輸出的換相信號的相位完全一致，非 常精準，可采用與霍爾傳感器配套的成本低廉的無刷直流電機控制芯片，無需成本高昂的 DSP芯片。


圖1為本實用新型的原理方框圖。 圖2為本實用新型的電路圖。
圖3為本實用新型圖2中ea、 eb、 ec、 Ea、 Eb、 Ec、 Eac、 Eba、 Ecb、 VP、 VQ電壓信號 以及換相信號H1、 H2、 H3的波形圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。 實施例1
如圖1所示，本實施例描述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，包括相反電勢檢測 電路(1)、自動增益控制放大電路(2)、線電勢過零點檢測電路(3)、轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4) 和起動電路(5)，反電勢檢測電路(1)的三個輸出端與自動增益控制放大電路(2)的三個 輸入端連接，自動增益控制放大電路(2)的三個輸出端與起動電路(5)的三個輸入端連接， 起動電路(5)的三個輸出端與線電勢過零點檢測電路(3)的輸入端連接，線電勢過零點檢 測電路(3)的三個輸出端輸出換相信號，同時輸出的換相信號與轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)三 個輸入端連接，轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出端與自動增益控制放大電路(2)的控制端連 接。
如圖2所示，相反電勢檢測電路(1)包括L1、 L2、 L3三組測試線圈，分別埋置在電機 主繞組A相、B相、C相所放置的齒槽中，三組測試線圈的尾端匯接引出接地，首端引出作 為相反電勢檢測電路(1)的輸出端；自動增益控制放大電路(2)包括三個自動增益控制放 大器，每個自動增益控制放大器由兩個電阻R1、 R2， 一個場效應管T1和一個集成運放組成， 三個電阻R1的前端分別作為三個自動增益控制放大電路(2)的輸入端，三個電阻R1的后 端分別與各自集成運放的正輸入端連接，三個電阻R2的后端分別與各自集成運放的輸出端 連接，三個電阻R2的前端、各自集成運放的負輸入端、各自場效應管T1的源極匯接，各自 場效應管T1的漏極接地，三個場效應管T1的柵極作為自動增益控制放大電路(2)的控制 端，三個集成運放的輸出端作為自動增益控制放大電路(2)的輸出端；線電勢過零點檢測 電路(3)包括U2A、 U2B、 U2C三個比較器，U2A比較器的正輸入端與U2B比較器的負輸 入端連接，作為線電勢過零點檢測電路(3)的一個輸入端，U2B比較器的正輸入端與U2C 比較器的負輸入端連接作為線電勢過零點檢測電路(3)的另一個輸入端，U2C比較器的正 輸入端與U2B比較器的負輸入端連接，作為線電勢過零點檢測電路(3)的第三個輸入端， U2A、 U2B、 U2C三個比較器的輸出端作為線電勢過零點檢測電路(3)的輸出端輸出電機 換相信號；轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)包括電阻R8、 R9，電容C1、 C2、 C3、 C4和二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6，電容C1、 C2、 C3的后端分別作為轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)的輸入 端，前端分別與二極管D1、 D3、 D5的正極連接，二極管D2、 D4、 D6正極接地，負極分別
與D1、 D3、 D5正極連接，二極管D1、 D3、 D5的負極、電容C4的上端、電阻R8的上端、 電阻R9的后端匯接，電容C4的下端與電阻R8的下端接地，R9的前端作為轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換 電路(4)的輸出端；起動電路(5)包括電阻R3、 R4、 R5、 R6、 R7，電容C0，晶體三極 管T2、 T3， 二極管Da、 Db和比較器U2D，電阻R4、 R5串聯(lián)的上端與二極管Da的負極連 接，作為起動電路(5)的一個輸出端，電阻R4、 R5串聯(lián)的公共端、R3的前端、T3的集電 極匯接，R3的后端接電源，R5的下端接地，比較器U2D輸出端、T2的基極、T3的基極匯 接，R6與C0串聯(lián)后的上端與二極管Db的負極連接，作為起動電路(5)的另一個輸出端， R6與C0串聯(lián)后的公共端、R7的前端、T2的集電極匯接，R7的后端接電源，CO的下端、 T2發(fā)射極、T3發(fā)射極接地，二極管Da的正極、比較器U2D負輸入端連接，作為起動電路 (5)的一個輸入端，二極管Db的正極作為起動電路(5)的另一個輸入端與自動增益控制 放大電路(2)的U1B輸出端連接，比較器U2D的正輸入端作為第三個輸入、輸出端與自動 增益控制放大電路(2)的U1C輸出端、線電勢過零點檢測電路(3) U2C的正輸入端匯接； 自動增益控制放大電路(2)的三個集成運放、線電勢過零檢測電路(3)和起動電路(5) 的比較器均采用LM339搭建，自動增益控制放大電路(2)的三個場效應管采用KP卯3A， 起動電路(5)中的晶體三極管采用C1815,相反電勢測試電路(1)三組線圈的線徑為主繞 組線徑的1/20。
如圖3所示，本實用新型提供的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其工作過程是 電機加電后，電源電壓Vcc經(jīng)R3、 R5分壓產(chǎn)生大于Eamax的電壓Vp,通過R4送到U2A 的正輸入端，與此同時，電源電壓經(jīng)R7給電容C0充電，充電電壓VQ通過R6送到U2B的 正輸入端，在電容電壓CO充電到Vp的時間內(nèi)，三個比較器U2A、 U2B、 U2C輸出的換相信 號H1、 H2、 H3邏輯電平為l、 0、 0，通過直流電機控制器譯碼后，兩相定子繞組通電，使 電機的轉(zhuǎn)子從一個未知位置定位到一個規(guī)定的位置，定位的時間由電容CO充電到Vp的時間 來決定；當電容CO的電壓Vg充電到大于Vp時，三個比較器輸出的換相信號H1、 H2、 H3 的邏輯電平變成了 1、 1、 0，電機開始旋轉(zhuǎn)，由測試線圈L1、 L2、 L3產(chǎn)生的不含PWM信 號和換相時無二極管續(xù)流引發(fā)的干擾電勢的平滑反電勢信號ea、 eb、 ee，經(jīng)過自動增益控制 放大電路(2)放大得到不隨電機轉(zhuǎn)速變化的恒定反電勢信號Ea、 Eb、 Ee，先送到比較器U2D 的正、負輸入端，當比較器U2D測試到線電勢Eac第一個過零點后，比較器U2D輸出高電 平，使晶體三極管T2、 T3導通，將電容CO、電阻R5短路，關(guān)閉起動電路，切換送到三個 比較器組成的線電勢過零檢測電路(3)，經(jīng)比較得到換相信號H1、 H2、 H3并輸出，因線電 勢的過零點正好對應電機的最佳換相時刻，所得到的換相信號H1、 H2、 H3與霍爾傳感器輸 出的換相信號相位完全一致，非常精準；換相信號同時作為轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)的輸入 信號，通過轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)把電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送到自動增益控制 放大電路(2)三個場效應管T1的柵極，產(chǎn)生可控增益，保證輸出的反電勢信號不隨電機轉(zhuǎn) 速的變化而變化；在起動電路切換時，電機的運轉(zhuǎn)速度小于0.1%的額定轉(zhuǎn)速，而電機的換相
信號已開始由線電勢的過零點接管，即由電機的轉(zhuǎn)子位置信息來決定，起動只需兩步，非常 簡單，不會產(chǎn)生失敗現(xiàn)象。
實施例2
本實施例描述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，應用于主要技術(shù)指標為48伏直 流工作電壓、功率350W、轉(zhuǎn)速440轉(zhuǎn)/分的電動自行車的驅(qū)動電機時，通過調(diào)整測試線圈Ll、 L2、 L3匝數(shù)及充電電容C0的容量使其充電時間常數(shù)為0.01秒，實現(xiàn)低電壓、低轉(zhuǎn)速、小功 率的頻繁起動。
實施例3
本實施例描述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，應用于主要技術(shù)指標為300伏直 流工作電壓、功率1200W、轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分的空調(diào)壓縮機用驅(qū)動電機時，通過調(diào)整測試線圈 Ll、 L2、 L3匝數(shù)及充電電容C0的容量使其充電時間常數(shù)為0.5秒，實現(xiàn)高電壓、高轉(zhuǎn)速、 大功率的平穩(wěn)運行。
權(quán)利要求1、無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于包括相反電勢檢測電路(1)、自動增益控制放大電路(2)、線電勢過零點檢測電路(3)、轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)和起動電路(5)；相反電勢檢測電路(1)與自動增益控制放大電路(2)連接；自動增益控制放大電路(2)與起動電路(5)連接；起動電路(5)與線電勢過零點檢測電路(3)連接；轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4)與自動增益控制放大電路(2)連接；線電勢過零點檢測電路(3)輸出電機換相信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于相反電勢 檢測電路(1)包括三組測試線圈，分別埋置在電機主繞組三相所放置的齒槽中，三組測試線圈的尾端匯接引出接地，首端引出分別與自動增益控制放大電路(2) Rl的前端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于自動增益控制放大電路(2)包括三個場效應管、三個集成運算放大器，三個場效應管T1的源極分別 與三個集成運算放大器的負輸入端連接，三個場效應管T1的柵極與轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路(4) 的R9前端連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于線電勢 過零點檢測電路(3)包括三個比較器，比較器U2A的正輸入端、二極管Da的負極、比較器 U2B的負輸入端、R4的上端匯接；比較器U2B的正輸入端、二極管Db的負極、R6的上端、 比較器U2C的負輸入端匯接；比較器U2A的負輸入端與比較器U2C的正輸入端連接；U2A、 U2B、 U2C三個比較器的輸出端輸出電機換相信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于轉(zhuǎn)速-電 壓轉(zhuǎn)換電路(4)的電容C1、 C2、 C3的后端與線電勢過零點檢測電路(3)三個比較器的輸 出端連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，其特征在于起動電 路(5)包括電阻R3、 R4、 R5、 R6、 R7，電容C0，晶體三極管T2、 T3， 二極管Da、 Db和 比較器U2D， 二極管Da的正極、集成運算放大器U1A的輸出端、比較器U2D的負輸入端匯 接；二極管Db的正極與集成運算放大器UlB的輸出端連接；比較器U2D的正輸入端、集成 運算放大器U1C的輸出端、比較器U2C的正輸入端匯接；比較器U2D的輸出端、T2的基極、 T3的基極匯接；T3的集電極、R5的上端、R3的前端、R4的下端匯接；T2的集電極、R6 的下端、R7前端、C0的上端匯接。
專利摘要本實用新型公開了一種無傳感器無刷電機寬速度精準換相器，包括相反電勢檢測電路、自動增益控制放大電路、線電勢過零點檢測電路、轉(zhuǎn)速-電壓轉(zhuǎn)換電路和起動電路，其特點是電機加電后，起動電路通過線電勢過零點檢測電路輸出定位和起動換相信號，拖動電機旋轉(zhuǎn)，相反電勢檢測電路將檢測到的反電勢信號，經(jīng)自動增益控制放大電路放大為不隨電機轉(zhuǎn)速變化的恒定幅值反電勢信號，先送到起動電路檢測線電勢的第一個過零點，在檢測到后，關(guān)閉起動電路，切換送到線電勢過零點檢測電路比較得到換相信號并輸出；本換相器工藝簡單、起動容易、成本低廉，能保證從0.1％的額定轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的寬速度范圍內(nèi)都能提供精準換相信號，可廣泛應用在家用電器、電動自行車等無刷直流電機產(chǎn)品中。
文檔編號H02P6/18GK201213247SQ20082011629
公開日2009年3月25日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者薛曉明, 洪 陶 申請人:常州信息技術(shù)學院