专利名称：直流无刷电动机转子位置检测器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于无位置传感器直流无刷电动机中，提供电枢绕组元件与主磁极的相对位置信号的转子位置检测器。
直流无刷电动机也叫无换向器直流电动机，是一种采用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作用的直流电动机。它既具有传统直流电动机的高运行效率和优良的调速性能，又具有交流电动机结构简单的优点。同时，用于没有换向器与电刷的滑动接触，提高了运行的可靠性。目前直流无刷电动机触发换向的控制方法主要是采用转子位置传感器来实现，例如霍尔效应元件、开口变压器、光电元件等。用这些转子位置传感器输出的转子位置信号来控制触发换向，能够产生很高的电磁转矩。但是，这些转子位置传感器的应用场合受到一定限制，不能在高温、振动等恶劣环境下安装使用。例如，在制冷机的封闭式压缩机中就无法使用上述转子位置传感器，因此，也无法采用性能优良的直流无刷电动机。
本实用新型的目的是，提供一种能够利用转子旋转时在电枢绕组中产生的感生电动势来提取转子转动位置信号的直流无刷电动机转子位置检测器。
本实用新型的目的是这样实现的，直流无刷电动机转子位置检测器，包括三个分压滤波器、三个积分器、三个比较器和一个积分叠加器，它的特殊之处是，积分叠加器有三个输入端；三个分压滤波器的输入端分别与电动机的3相电枢绕组的u、v、w输入端连接，三个分压滤波器的输出端分别与三个积分器的输入端连接；三个积分器的输出端分别与三个比较器的一个输入端连接，三个比较器的另一个输入端都与积分叠加器的输出端连接；积分叠加器的三个输入端分别与三个分压滤波器的输出端连接，三个比较器的输出端分别作为电动机转子位置信号的输出端。
转子旋转过程中，必然在电枢绕组中产生感生电动势，该感生电动势和逆变电路加在电枢绕组上的逆变电压共同输入到分压滤波器中。分压滤波器将较高的感生电动势和逆变电压分压降压，输出较低的电压以便后面进一步处理，同时将感生电动势和逆变电压中的高频成份加以滤除。经过三个分压滤波器降压滤波处理的三路u、v、w信号被分别输入到三个积分器中。积分器将含有感生电动势和逆变电压两种成份在内的电压信号进行积分处理，使两种信号在每个半周内线性连续变化，这样在一个周期内，就可以形成一个近似恒流的充电波形和一个近似恒流的放电波形，该充放电波形中均包含感生电动势信号。经过三个分压滤波器降压滤波处理的三路u、v、w信号分别被输入一个积分叠加器的三个输入端。积分叠加器将三路包含感生电动势和逆变电压的信号叠加成小的三角波，即形成恒流充电和放电波形，在u、v、w的一个周期内包含三个这样的小三角波形，该波形中也包含感生电动势的信号。三个积分器的输出信号分别输入到三个比较器的一个输入端，积分叠加器的输出信号都输入到三个比较器的另一个输入端。每一个比较器对一个积分器的输出信号与积分叠加器的输出信号进行比较，输出一路方波信号。三个比较器共输出三路方波信号，这三路方波信号共具有6个边沿信号(三个上升沿，三个下降沿)，6个边沿信号代表了转子的6个位置。
本实用新型的每一个分压滤波器包括两个电阻和一个电容；两个电阻串联，该串联电路的一端作为输入端与电动机的一相电枢绕组的输入端连接，另一端接地；电容并联在接地的电阻的两端，两个电阻的公共端作为输出端与相应的一个积分器的输入端连接。
两个电阻串联主要用于对从电动机电枢绕组输入端提取的感生电动势和逆变电压的叠加信号进行降压，从接地的电阻两端提取的电压被降低到所需的大�。阌谑淙牖制骱突值悠髯鹘徊酱怼１臼涤眯滦偷姆盅孤瞬ㄆ髦械牡缱璧母鍪幌抻诹礁觯灰芙档偷缪贡阌诤竺娴幕制骱突值悠鞔砭涂梢�。电阻和电容组成阻容滤波，用于将感生电动势和逆变电压中的高频谐波滤除。三个分压滤波器的相应的电阻和电容一般选用相同的参数。
本实用新型的每一个积分器包括一个电阻和一个电容；电阻的一端作为输入端与相应的一个分压滤波器的输出端连接，电阻的另一端与电容的一端连接，电容的另一端接地；电阻与电容的公共端作为输出端，输出端与相应的一个比较器的一个输入端连接。
电阻和电容组成积分电路，它对分压滤波器输出的含有电动机电枢绕组感生电动势和逆变电压的叠加信号进行积分处理。经过积分处理后的信号波形在每个半周内线性连续变化，这样在一个周期内就形成一个近似恒流的充电波形和一个近似恒流的放电波形。三个积分器的相应的电阻和电容一般选择相同的参数。
本实用新型的积分叠加器包括三个电阻和一个电容；三个电阻的一端作为三个输入端，三个输入端分别与相应的三个分压滤波器的输出端连接，三个电阻的另一端都与电容的一端连接，电容的另一端接地；三个电阻与电容的公共端作为输出端，输出端与三个比较器的另一个输入端连接。
三个分压滤波器输出的三路信号输入积分叠加器进行叠加，即三路信号分别对积分叠加器中的电容进行恒流充电和放电，在u、v、w的一个周期内，积分叠加器的输出信号波形包含3个小三角波形。积分叠加器中的三个电阻的参数相同。
本实用新型中的三个比较器可以采用三个独立的比较器，也可以采用同一块集成电路。每一个比较器都可以同相输入端与积分器的输出端连接，反相输入端与积分叠加器的输出端连接；也可以用相同输入端与积分叠加器的输出端连接，反相输入端与积分器的输出连接。但采用这两种不同的连接方法，比较器的输出端的高低电平对送变电路的触发逻辑关系应相反。
为了设计和制造简单，本实用新型的三个比较器由同一块集成电路IC组成；集成电路(IC)采用LM339，它的3脚与直流电源正极连接，12脚接地，9脚、7脚和11脚作为三个比较器的同相输入端分别与三个积分器的输出端连接，8脚、6脚和10脚作为三个比较器的反相输入端都与积分叠加器的输出端连接，14脚、1脚和13脚分别作为三个比较器的输出端。
本实用新型与现有的直流无刷电动机控制装置相比，省去了转子位置传感器，采用转子旋转时在电枢绕组中产生的感生电动势信号来提取转子位置信号，使直流无刷电动机可以在高温、振动等恶劣条件下使用，扩大了使用范围。本实用新型用在海信集团技术中心开发的KFR-28GW/ZBP型直流变频空调器的压缩机中对直流无刷电动机进行控制，压缩机采用上海日立公司的SG920DB2-N直流压缩机，额定功率700W，转速范围1000-6200转/分，变频器电源220V/50HZ。实验得出，制冷时能效比达到3.1。而同样的空调器，若使用交流变频电机，制冷时能效比只能达到2.4。因此，本实用新型用于空调器对直流无刷电动机进行控制，其节能效果非常明显。
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细描述。
图1为本实用新型用于二极三相直流无刷电动机的控制电路的电路方框图。
图2为图1中逆变电器的电路图。
图3为本实用新型(即图1中转子位置检测器)的电路方框图。
图4为本实用新型的电路图。
图5为图2中6只LGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的触发信号VG1T1、VG2T2、VG3T3、VG4T4、VG5T5和VG6T6的波形图。
图6为图4中A、B、C、D、E、F和G点的电压信号以及转子位置信号PDU、PDV和PDW的波形图。
图1所示是三相直流无刷电动机的控制电路的电路方框图，它包括整流电路、滤波电路、逆变电路、转子位置检测器、微处理器MCU和驱动电路。整流电路的输入端与电网的工频220V单相交流电源连接，它采用全桥整流电路。经过整流电路整流后，输出240V-300V的直流电。整流电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与逆变电路的输入端连接。滤波电路采用大电容滤波，经滤波电路滤波后的直流电源可以近似认为是恒压电源。逆变电路采用IR公司生产的IRPT1059A功率�？椋氖淙攵擞肼瞬ǖ缏返氖涑龆肆樱氖涑龆藆、v、w分别与三相直流无刷电动机DM的三相电枢绕组的输入端连接。逆变电路将滤波电路输出的直流电逆变为三相交流电为电动机DM供电。转子位置检测器的三路输入端分别与直流无刷电动机DM的三相电枢绕组的输入端连接，它的三路输出端PDU、PDV、PDW分别与微处理器MCU的三路输入端INT0、INT1和INT2连接。微处理器MCU采用西门子公司制造的C504芯片，它的6路输出端COUT0、COUT1、GOUT2、CC0、CC1和CC2分别与驱动电路的6路输入端连接。驱动电路的6路输入信号首先采用VEC公司的2501光耦加以隔离，然后采用IR公司制造的2130推动芯片推动逆变电路。如图2所示，逆变电路的内部实际上是由6个IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6组成的桥式逆变电路。任意时刻，上臂桥只有一个管子导通，下臂桥也只有一个管子导通，并且这两个导通的管子不能在同相的上下臂上。每隔60°有一次换流，每只管子导通角度为120°。上臂桥采用脉宽调制(PWM)进行控制，下臂桥未采用调制。因此，直流无刷电动机DM的电枢绕组上的电压由上臂桥的PWM进行控制。通过调节电枢绕组上的电压，对电动机DM的转速进行控制。6个IGBT管子的换流，等效于传统直流电动机的机械换向。驱动电路输出的触发信号VG1T1、G2T2、VG3T3、VG4T4、VG5T5和VG6T6分别加在6只IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的控制端T1与G1、T2与G2、T3与G3、T4与G4、T5与G5和T6与G6上，触发信号VGT1、VG2T2、VG3T3、VG4T4、VG5T5和VG6T6的波形如图5所示，其中VG1T1、VG3T3、VG5T5采用脉宽调制(PWM)。转子位置检测器输出的三个转子位置信号PDU、PDV、PDW为高低电平，它们分别代表电动机DM的转子的磁场通过定子的A相线圈、B相线圈和C相线圈所产生的位置信号。三个转子位置信号PDU、PDV和PDW对逆变电路的触发关系如表1所示。表1中“非”表示非激活，“激”表示激活。
表1
驱动电路将微处理器MCU输出的触发信号的电平的高低、波形的上下沿时间、触发电流的大小等转换为逆变电路所要求的触发信号的电平的高低、波形的上下沿时间、触发电流的大�。⑶遥驳氐牧反シ⑿藕臗OUT0、COUT1、COUT2、CC0，CC1和CC2转换为上臂桥无公端的三路自举信号VG1T1、VG3T3，VG5T5和下臂桥共地的三路信号VG2T2、VG4T4和VG6G6。微处理器MCU运行程序。电动机MD起动时，微处理MCU进行主动变频，即依靠定时器产生如图5所示的触发波形。当电动机MD起动完毕后，转子位置检测器输出的三个转子位置信号PDU、PDV和PDW进入微处理器MCU的INT0、INT1和INT2。微处理器MCU根据INT0、INT1和INT2的高低电平按表1所列的触发关系，产生图5所示的触发波形，其中COUT0、COUT1和COUT2分别对应上臂桥的VG1T1、VG3T3和VG5T5，CC0、CC1和CC2分别对应下臂桥的VG2T2、VG4T4和VG6T6。因为电动机DM为感性负载，它有滤波效果，所以，逆变电路的上臂桥的COUT0、COUT1和GOUT2进行调制，使其输出PWM信号。这样，加在电动机DM上的电压为PWM的电压。由于电动机DM自身的滤波作用，实质上电动机DM电枢上的电压为直流可调电压。调整PWM的占空比，就调整了电动机DM的电枢电压，从而达到对电动机DM调速的目的。如图3和图4所示，转子位置检测器包括分压滤波器、积分器、积分叠加器和比较器。分压滤波器共有3个，其中分压滤波器1由电阻R1、电阻R2和电容C1组成，电阻R1与电阻R2串联组成分压电路、电阻R1的一端作为分压滤波器1的输入端，电阻R1与电阻R2的公共端A作为分压滤波器1的输出端，电阻R2的另一端接地，电容C1并联在电阻R2的两端。分压滤波器2由电阻R3、电阻R4和电容C2组成。分压滤波器3由电阻R5、电阻R6和电容C3组成。分压滤波器2、分压滤波器3的元器件的连接关系与分压滤波器1相同。电阻R1、电阻R3和电阻R5的参数相同，电阻R2、电阻R4和电阻R6的参数相同，电容C1、电容C2和电容C3的参数相同。分压滤波器1、分压滤波器2和分压滤波器3的输入端分别与电动机DM电枢绕组的u相、v相和w相的输入连接。积分器共有3个，其中积分器1由电阻R7和电容C4组成，电阻R7的一端作为积分器1的输入端，电阻R7的另一端E作为积分器1的输出端，它与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地。积分器2由电阻R8和电容C5组成，积分器3由电阻R9和电容C6组成。积分器2和积分器3的元器件的连接关系与积分器1相同，电阻R7、电阻R8和电阻R9的参数相同，电容C4、电容C5和电容6的参数相同。积分叠加器由电阻R10、电阻R11、电阻R12和电容C7组成，电阻R10、电阻R11和电阻R12的一端分别作为积分叠加器的三个输入端，电阻R10、电阻R11和电阻R12的另一端都与电容C7的一端D连接。电容7的另一端接地，D端作为积分叠加器的输出端。比较器由集成电路IC组成，集成电路IC采用LM339，当然也可以采用能够作比较器使用的其它型号的集成电路。集成电路IC具有多个相同的电压比较器，本实施例中只使用其中的三个比较器。集成电路IC的8脚和9脚分别为比较器1的反相输入端和同相输入端，14脚为比较器1的输出端；6脚和7脚分别为比较器2的反相输入端和同相输入端，1脚为比较器2的输出端；10脚和11脚分别为比较器3的反相输入端和同相输入端，13脚为比较器3的输出端。集成电路IC的3脚与30V直流电源的正极连接，12脚接地。分压滤波器1、分压滤波器2和分压滤波器3的输出端A、B和C分别与积分器1、积分器2和积分器3的输入端连接，同时又分别与积分叠加器的三个输入端连接。积分器1、积分器2和积分器3的输出端E、F和G分别与比较器1、比较器2和比较器3的同相输入端连接，比较器1、比较器2和比较器3的反相输入端都与积分叠加器的输出端D连接。二极管D1、D2和D3的正极分别与A、B和C三点连接，二极管D1、D2和D3的负极都与30V直流电源的正极连接。二极管D1、D2和D3用于消除分压滤波器输出信号中大于30V的杂散脉冲信号。电阻R13、电阻R14和电阻R15的一端都与30V直流电源的正极连接，电阻R13、R14和电阻R15的另一端分别与集成电路IC的14脚、1脚和13脚连接。电容C8、C9和C10的一端接地，电容C8、C9和C10的另一端分别与集成电路IC的14脚、1脚和13脚连接。集成电路IC的14脚、1脚和13脚作为转子位置检测器的输出端，分别与微处理器MCU的INT0、INT1和INT2连接，它们分别输出转子位置信号PDU、PDV和PDW。
使用时，微处理器MCU首先进行主动变频，即依靠定时器产生如图5所示的触发波形，逆变电路输出三相交流电，使电动机DM起动。由于电动机DM的转子是一个2n对极的(n为大于或等于1的自然数)永磁体，它旋转到不同的位置时，电枢绕组的u、v、w三相的感生电动势的波形就不相同。在一定转速下，感生电动势的波形实际为转子磁通密度的波形。电动机DM的电枢绕组u、v、w三相的感生电动势输出的电压，分别经过分压滤波器1、分压滤波器2和分压滤波器3分压滤波后，其输出端A、B和C输出如图6所示的波形，A、B和C三点的信号再分别经过积分器1、积分器2和积分器3后输出如图6所示的E、F和G的波形，A、B和C三点的信号经过积分叠加器后，输出如图6所示的D的波形。E、F和G三点的信号分别经过比较器1、比较器2和比较器3与D点的信号进行比较，比较器1、比较器2和比较器3分别输出如图6所示的PDU、PDV和PDW信号。PDU、PDV和PDW为转子位置信号，它们为高低电平。起动经过一定时间后，微处理器MCU通过INT0、INT1和INT2接收PDU、PDV和PDW信号，并按照表1所列的触发关系，依靠PDU、PDV和PDW去触发图5所示波形，从而实现电动机DM电枢绕组的调速。
权利要求1.直流无刷电动机转子位置检测器，包括三个分压滤波器、三个积分器、三个比较器和一个积分叠加器，其特征是，积分叠加器有三个输入端；三个分压滤波器的输入端分别与电动机的3相电枢绕组的u、v、w输入端连接，三个分压滤波器的输出端分别与三个积分器的输入端连接；三个积分器的输出端分别与三个比较器的一个输入端连接，三个比较器的另一个输入端都与积分叠加器的输出端连接；积分叠加器的三个输入端分别与三个分压滤波器的输出端连接，三个比较器的输出端分别作为电动机转子位置信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的检测器，其特征是，每一个分压滤波器包括两个电阻和一个电容；两个电阻串联，该串联电路的一端作为输入端与电动机的一相电枢绕组的输入端连接，另一端接地；电容并联在接地的电阻的两端，两个电阻的公共端作为输出端与相应的一个积分器的输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征是，每一个积分器包括一个电阻和一个电容；电阻的一端作为输入端与相应的一个分压滤波器的输出端连接，电阻的另一端与电容的一端连接，电容的另一端接地；电阻与电容的公共端作为输出端，输出端与相应的一个比较器的一个输入端连接。
4.根据权利要求3所述的检测器，其特征是，积分叠加器包括三个电阻和一个电容；三个电阻的一端作为三个输入端，三个输入端分别与相应的三个分压滤波器的输出端连接，三个电阻的另一端都与电容的一端连接，电容的另一端接地；三个电阻与电容的公共端作为输出端，输出端与三个比较器的另一个输入端连接。
5.根据权利要求4所述的检测器，其特征是，三个比较器由同一块集成电路(IC)组成；集成电路(IC)采用LM339，它的(3)脚与直流电源正极连接，(12)脚接地，(9)脚、(7)脚和(11)脚作为三个比较器的同相输入端分别与三个积分器的输出端连接，(8)脚、(6)脚和(10)脚作为三个比较器的反相输入端都与积分叠加器的输出端连接，(14)脚、(1)脚和(13)脚分别作为三个比较器的输出端。
专利摘要本实用新型是一种用于无位置传感器直流无刷电动机中提供电枢绕组元件与主磁极的相对位置信号的转子位置检测器,为克服位置传感器不能在高温、振动等恶劣条件下使用的缺点,它包括三个分别与三相直流无刷电动机电枢绕组连接的分压滤波器,它们的输出信号分别送入三个积分器和一个积分叠加器,积分器和积分叠加器的输出信号分别送入三个比较器进行比较,三个比较器的输出电平代表转子位置信号。它扩大了直流无刷电动机的使用范围。
文档编号G01R31/34GK2436944SQ0021346
公开日2001年6月27日 申请日期2000年2月2日 优先权日2000年2月2日
发明者史文伯, 姜晖, 陈锋, 侯新海 申请人:海信集团公司, 青岛海信集团技术中心
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