电机转子位置的检测电路及系统
阅读：0发布：2021-04-07
专利汇可以提供电机转子位置的检测电路及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 信号 测量技术领域，具体涉及 电机 转子 位置 的检测 电路 及系统，包括：至少一个电位计，与待测电机一一对应连接；采集单元，包括与电位计对应的至少一组信号端，信号端包括 电流 输出端、第一 电压 采集端；电流输出端与对应的电位计的抽头连接，第一电压采集端与对应的电位计的抽头连接；第一选择 开关 ，分别与各个所述电位计的两端连接，用于切换所述电位计的两端与信号地的连接。通过采集单元中的电流输出端向电位计的抽头提供电流，增强信号在强干扰段的抗干扰能 力 ，从而在不影响采集 精度 的前提下，降低了干扰噪声。，下面是电机转子位置的检测电路及系统专利的具体信息内容。
1.一种电机转子位置的检测电路，其特征在于，包括：
至少一个电位计，与待测电机一一对应连接；
采集单元，包括与所述电位计对应的至少一组信号端，所述信号端包括电流输出端、第一电压采集端；其中，所述电流输出端与对应的所述电位计的抽头连接，所述第一电压采集端与对应的所述电位计的抽头连接；
第一选择开关，分别与各个所述电位计的两端连接，用于切换所述电位计的两端与信号地的连接，以基于所述第一电压采集端所采集的电压检测对应的所述待测电机转子的位置。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述采集单元包括：
电流源电路，具有所述电流输出端；
采集电路，具有所述第一电压采集端。
3.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述电流源电路包括：
至少一个电流源芯片，与所述电位计一一对应；
至少一组配置电阻，每组所述配置电阻与所述电流源芯片的输出端连接，用于配置所述电流源芯片的输出电流。
4.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述电流源电路包括：
电流源芯片；
第二选择开关，与所述电流源芯片的输出端连接；其中，所述第二选择开关具有与所述电位计的抽头一一对应的电流输出端，用于切换所述电流输出端与所述电位计的抽头的连接；
配置电阻，与所述电流输出端连接，用于配置所述电流输出端的输出电流。
5.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述采集电路包括：
运算放大器，输入端与所述第一电压采集端连接；所述运算放大器的输出端分别与模数转换器的输入端连接；
所述模数转换器，用于将所述运算放大器输出的模拟电压信号转换为数字电压信号，以基于所述第一电压采集端对应的所述数字电压信号检测所述待测电机转子的位置。
6.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第一选择开关包括：
与所述电位计一一对应的双路选择开关；其中，所述双路选择开关的公共端接入信号地；所述双路选择开关的第一选择端与所述电位计的第一端连接；所述双路选择开关的第二选择端与所述电位计的第二端连接。
7.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第一选择开关为多路开关；其中，所述多路开关用于将各个所述电位计的两端分别分时接入信号地。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的检测电路，其特征在于，所述采集单元还包括第二电压采集端以及第三电压采集端，所述第二电压采集端与所述电位计的第一端连接，所述第三电压采集端与所述电位计的第二端连接，以基于所述第一电压采集端、所述第二电压采集端以及所述第三电压采集端所采集的电压检测所述待测电机转子的位置。
9.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，还包括：
处理器，与所述采集单元连接，用于基于所述采集单元采集的电压，计算对应的所述待测电机转子的位置。
10.一种电机转子位置的检测系统，其特征在于，包括：
至少一个待测电机；
权利要求1-9中任一项所述电机转子位置的检测电路；其中，所述电位计与所述待测电机一一对应连接。
电机转子位置的检测电路及系统
技术领域
背景技术
[0002] 电机转子位置检测一般来说有两大用途：一是系统整体需要电机转子位置信息来实现精确的位置环控制，比如伺服、数控机床或机器人等；另一是电机控制本身需要，比如对于无刷直流电机就必须检测转子的位置，以便对定子电流进行换向，才能使转子连续向一个方向转动以及达到最佳效率。当然也可用于计算电机的实际/物理转速。转子位置检测精度和可靠性对于系统的位置环亦或电机控制来说至关重要。
[0003] 现有技术中一般基于电位计电阻来进行电机转子位置的检测，如图1所示，采用供电电源加到电位计电阻的两端，即将V+以及V-分别接到电位计电阻两端，采集电路通过读取电位计的抽头电压Vp确定电机转子的位置。这种位置采集方法的缺点是输出信号Vp输出阻抗较大，要想提高采集精度，必须尽可能提高采集电路的输入阻抗。
[0004] 一般情况下从生产的方便性出发，将电机驱动功率线和V+、V-、Vp线捆绑在一起走线。然而电机驱动功率线是强干扰源，这就要求V+、V-、Vp线上必须流过足够的电流来消除功率线引起的干扰噪声，而欲使Vp线上有足够电流流过，采集电路的输入阻抗必须降低，但这样就牺牲了位置采集精度。因此，实际应用过程中只能在位置采集精度和位置采集噪声之间选择一个平衡点，难以兼顾两者。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种电机转子位置的检测电路及系统，以解决位置采集精度和位置采集噪声之间的平衡问题。
[0006] 根据第一方面，本发明实施例提供了一种电机转子位置的检测电路，包括：
[0007] 至少一个电位计，与待测电机一一对应连接；
[0008] 采集单元，包括与所述电位计对应的至少一组信号端，所述信号端包括电流输出端、第一电压采集端；其中，所述电流输出端与对应的所述电位计的抽头连接，所述第一电压采集端与对应的所述电位计的抽头连接；
[0010] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过采集单元中的电流输出端向电位计的抽头提供电流，增强信号在强干扰段的抗干扰能力，即使将电机功率线与采集单元的各个信号线捆绑在一起，由于采集单元的各个信号线上时刻都有足够的电流流过，可以抵消电机功率线引起的干扰噪声，从而在不影响采集精度的前提下，降低了干扰噪声，实现了采集精度与干扰噪声之间的平衡。
[0011] 结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述采集单元包括：
[0012] 电流源电路，具有所述电流输出端；
[0013] 采集电路，具有所述第一电压采集端。
[0014] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过将电流源电路与采集电路分别独立设置，而非集成在一起，能够提高检测电路可靠性。
[0015] 结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述电流源电路包括：
[0016] 至少一个电流源芯片，与所述电位计一一对应；
[0017] 至少一组配置电阻，每组所述配置电阻与所述电流源芯片的输出端连接，用于配置所述电流源芯片的输出电流。
[0018] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过将每个待测电机都对应一个电流源芯片，可以省去采用一个电流源芯片时所需的多路开关，提高电路可靠性。
[0019] 结合第一方面第一实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述电流源电路包括：
[0020] 电流源芯片；
[0021] 第二选择开关，与所述电流源芯片的输出端连接；其中，所述第二选择开关具有与所述电位计的抽头一一对应的电流输出端，用于切换所述电流输出端与所述电位计的抽头的连接；
[0022] 配置电阻，与所述电流输出端连接，用于配置所述电流输出端的输出电流。
[0023] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过一个电流源芯片向至少一个待测电机对应的电位计提供电流，同时结合第二选择开关进行电流输出的分时控制，能够简化电路结构。
[0024] 结合第一方面第一实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述采集电路包括：
[0026] 所述模数转换器，用于将所述运算放大器输出的模拟电压信号转换为数字电压信号，以基于所述第一电压采集端对应的所述数字电压信号检测所述待测电机转子的位置。
[0027] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过向电位计的抽头提供电流以抵消电机功率线所带来的干扰噪声，使得采集到的模拟电压信号在进入运算放大器之前干扰环境就不存在了，此时利用运算放大器的高输入阻抗特性把信号非常真实地输入给模数转化器，这样就可以在保证低噪声的情况下，进一步提高检测的精度。
[0028] 结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，所述第一选择开关包括：
[0029] 与所述电位计一一对应的双路选择开关；其中，所述双路选择开关的公共端接入信号地；所述双路选择开关的第一选择端与所述电位计的一端连接；所述双路选择开关的第二选择端与所述电位计的另一端连接。
[0030] 结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述第一选择开关为多路开关；其中，所述多路开关用于将各个所述电位计的两端分别分时接入信号地。
[0031] 结合第一方面，或第一方面第一实施方式至第六实施方式中任一项，在第一方面第七实施方式中，所述采集单元还包括第二电压采集端以及第三电压采集端，所述第二电压采集端与所述电位计的一端连接，所述第三电压采集端与所述电位计的另一端连接，以基于所述第一电压采集端、所述第二电压采集端以及所述第三电压采集端所采集的电压检测所述待测电机转子的位置。
[0032] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，利用第二电压采集端以及第三电压采集端分别采集电位计两端的电压，在进行待测电机转子位置的检测时利用该电压可以消除第一选择开关内阻带来的误差，提高检测精度。
[0033] 结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，还包括：
[0034] 处理器，与所述采集单元连接，用于基于所述采集单元采集的电压，计算对应的所述待测电机转子的位置。
[0035] 根据第二方面，本发明实施例还提供了一种电机转子位置的检测系统，包括：
[0036] 至少一个待测电机；
[0038] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1示出了现有技术中电机转子位置的检测电路示意图；
[0040] 图2是根据本发明实施例的电机转子位置的检测电路示意图；
[0041] 图3是根据本发明实施例的电位计与第一选择开关之间的连接结构图；
[0042] 图4是根据本发明实施例采集单元的结构示意图；
[0043] 图5是根据本发明实施例的电机转子位置的检测电路示意图；
[0044] 图6是根据本发明实施例的电机转子位置的检测电路示意图；
[0045] 图7是本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路示意图。
具体实施方式
[0046] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。
[0047] 本发明实施例提供的电机转子位置的检测电路，可以应用于任何需要进行电机转子位置测量的设备，或系统中，例如可以应用于航空航天、兵器、无人车以及机器人等行业，主要是应用在信号线距离干扰源比较近的情形。
[0048] 本发明所述的电机转子位置的检测电路的发明构思是：通过向电位计的抽头提供电流，采用第一选择开关分时将电位计两端接入信号地，分时检测电位计抽头的电压，利用分时测得的电压的比值即可得到电机转子的位置。
[0049] 其中，电机转子位置的检测电路可以对一个电机转子的位置进行检测，也可以对多个电机转子的位置进行检测，具体可以根据实际需求进行具体电路的搭建。
[0050] 在下文的实施例中，分别以检测1个、2个以及4个电机的转子位置为例，进行详细描述。
[0051] 图2中示出了对一个电机的转子位置进行检测的电路结构。如图2所示，所述的电机转子位置的检测电路包括：电位计10、采集单元20以及第一选择开关。在本实施例中，第一选择开关为双路选择开关31。
[0052] 其中，采集单元20包括电流输出端23、第一电压采集端26。电位计10具有第一端11、第二端12以及抽头13。电流输出端23与电位计的抽头13连接，第一电压采集端26与电位计10的抽头13连接，用于采集电位计10的抽头13的电压。双路选择开关31的公共端31c接入信号地，第一选择端31a与电位计10的第一端11连接，第二选择端31b与电位计10的第二端
12连接。
12连接。
[0053] 电流输出端23用于向电位计10的抽头13提供电流i，电流i从电位计10的抽头13流入电位计10，再从分别电位计10的第一端11以及第二端12回流至采集单元20。
[0054] 本实施例提供的电机转子位置的检测电路，通过采集单元20中的电流输出端23向电位计10的抽头13提供电流，增强信号在强干扰段的抗干扰能力，即使将电机功率线与采集单元20的各个信号线捆绑在一起，由于采集单元20的各个信号线上时刻都有足够的电流流过，可以抵消电机功率线引起的干扰噪声，从而在不影响采集精度的前提下，降低了干扰噪声，实现了采集精度与干扰噪声之间的平衡。
[0055] 具体地，如图3所示，当双路选择开关31第一选择端31a与公共端31c连接时，从电位计10的第一端11流出的电流流入信号地，即此时采集单元20采集到的电位计10的抽头13的电位Vx1；当双路选择开关31的第二选择端31b与公共端31c连接时，从电位计10的第二端12流出的电流流入信号地，即此时采集单元20采集到电位计10的抽头13的电位Vx2。
[0056] 利用双路选择开关31使得电位计10的回流电流分时从电位计10的两端流出，通过采集电位计10的电压采集值Vx1以及Vx2，计算Vx1与Vx2的比值就能够反应出电机转子的位置，而不需要关注电位计10本身的电阻值到底多大。
[0057] 采集单元20可以是采用集成芯片，该集成芯片能够向外输出电流(即具有电流输出端)、采集电压(即，具有第一电压采集端)；采集单元20也可以如图4所示，包括电流源电路25以及采集电路24。其中，电流源电路25具有电流输出端23，采集电路24具有第一电压采集端26。通过将电流源电路25与采集电路24分别独立设置，而非集成在一起，能够提高检测电路可靠性。
[0058] 可选地，电流源电路25可以是采用电流源专用芯片，也可以是电流输出型DAC，也可以是分立器件搭的电路，也可以是运算放大器搭的电路等等。在此对电流源电路25的具体结构并不做任何限制，在下文的实施例中，以电流源电路25为电流源芯片及配置电路为例进行详细描述。
[0059] 其中，电流源电路25包括电流源芯片is以及配置电阻R，配置电阻R用于配置电流源芯片is的输出电流，即配置电阻R大小可以根据电流输出端23实际所需要输出的电流进行具体设置。需要说明的是，图4中仅输出了一个配置电阻R，但是本发明的保护范围并不限于此，配置电阻可以是多个电阻的并联、串联或混联等等，在此对配置电阻R的具体连接结构及阻值并不做任何限制，只需保证配置电路R能够配置电流源芯片is的输出电流即可。
[0060] 作为本实施例的一种可选实施方式，采集电路24包括运算放大器以及模数转换器。其中，运算放大器的输入端分别与第一电压采集端26连接，输出端分别与模数转换器的输入端连接。即，运算放大器用于将第一电压采集端26所采集的电压信号进行调理放大后得到模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出给模数转换器。
[0061] 模数转换器用于将运算放大器输出的模拟电压信号转换为数字电压信号，以便于后续基于第一电压采集端26对应的数字电压信号检测待测电机转子的位置。
[0062] 通过向电位计10的抽头13提供电流以抵消电机功率线所带来的干扰噪声，使得采集到的模拟电压信号在进入运算放大器之前干扰环境就不存在了，此时利用运算放大器的高输入阻抗特性把信号非常真实地输入给模数转换器，这样就可以在保证低噪声的情况下，进一步提高检测的精度。
[0063] 作为本实施例的一种可选实施方式，如图5所示，所述采集单元还包括有第二电压采集端21以及第三电压采集端23。所述的第二电压采集端21与电位计10的第一端11连接，用于测量电位计10的第一端11的电位。所述的第三电压采集端22与电位计10的第二端12连接，用于测量电位计10的第二端12的电位。在进行电机转子的位置检测时，分时对第一电压采集端26的电压进行采样。即，第一时刻t1，双路选择开关31的第一选择端31a接入信号地，此时第二电压采集端21采集的电位为Vxt2、第一电压采集端26采集的电位为Vxt11；第一时刻t2，双路选择开关31的第二选择端31b接入信号地，此时第三电压采集端22采集的电位为Vxt3、第一电压采集端26采集的电位为Vxt12。即可以采用(Vxt11-Vxt2)/(Vxt12-Vxt3)来计算电机转子的位置。
[0064] 利用第二电压采集端21以及第三电压采集端22分别采集电位计10的第一端11以及第二端12的电压，在进行待测电机转子位置的检测时利用该电压可以消除第一选择开关内阻带来的误差，提高检测精度。
[0065] 进一步地，所述的检测电路还可以包括有处理器，用于基于各个电压采集端的采集电压计算电机转子的位置。例如，当采用第一电压采集端分时采集电位计10的抽头的电压Vx1与Vx2时，处理器采用Vx1与Vx2的比值反应出电机转子的位置；当采用3个电压采集端分别采集电位计10的两端以及抽头的输出电压时，处理器采用(Vxt11-Vxt2)/(Vxt12-Vxt3)来计算电机转子的位置。其中，关于Vxt11、Vxt2、Vxt12以及Vxt3的含义请参见图5所示实施例的相关描述，在此不再赘述。
[0066] 图6示出了对2个电机的转子位置进行检测的电路结构。如图6所示，一个待测电机对应于一个电位计10，采集单元20具有两组信号端，分别为信号端A1以及信号端A2。其中，信号端A1对应于待测电机1，信号端A2对应于待测电机2。每组信号端均包括有电流输出端23、第一电压采集端26。
[0067] 在本实施例中第一选择开关采用的是双路选择开关31，双路选择开关31与电位计10一一对应。
[0068] 当然，第一选择开关也可以采用多路开关，所述的多路开关用于将各个电位计的两端分别分时接入信号地，即多路开关具有一个公共端接入信号地，还有4个选择端，选择端1与对应于待测电机1的电位计10的第一端连接，选择端2与对应于待测电机1的电位计10的第二端连接，选择端3与对应于待测电机2的电位计10的第一端连接，选择端4与对应于待测电机2的电位计10的第二端连接。
[0069] 对应地，电流源电路可以是仅包括一个电流源芯片，采用第二选择开关与电流源芯片的输出端连接，其中，第二选择开关具有与电位计的抽头一一对应的电流输出端，用于切换电流输出端与电位计的抽头的连接。通过一个电流源芯片向至少一个待测电机对应的电位计提供电流，同时结合第二选择开关进行电流输出的分时控制，能够简化电路结构。
[0070] 可选地，也可以是包括两个电流源芯片，每个电流源芯片对应于一个电位计。通过将每个待测电机都对应一个电流源芯片，可以省去采用一个电流源芯片时所需的多路开关，提高电路可靠性。
[0071] 图7示出了对4个电机的转子位置进行检测的电路结构。其中，电流源芯片采用Liner公司的集成电流源芯片LT3092，通过配置电阻把其输出配置成1mA输出电流，此电流通过第二选择开关DG1048分时把1mA的电流供给4个电机对应的电位计抽头。其中，在图7中4个电位计分别采用Rund1-Rund4表示，分别与待测电机1-待测电机4对应。4个电位计抽头以及两个输出端的输出电压分别为V1(对应于不同时刻分别为Vt11以及Vt12)、V11、V12；V2(对应于不同时刻分别为Vt21以及Vt22)、V9、V10；V3(对应于不同时刻分别为Vt31以及Vt32)、V7、V8；V4(对应于不同时刻分别为Vt41以及Vt42)、V5、V6。每个电机对应的电位计的两端都通过另外一片第一选择开关DG1048分时接到地上，然后分别对V1-V12进行跟随处理后给ADC进行采集，跟随器采用TI公司的运算放大器LMV612。其中，V1-V12经过运算放大以及ADC采集后输出的电压为Vin1-Vin12。具体地，Vin1对应于不同时刻分别为Vint11以及Vint12，Vin2对应于不同时刻分别为Vint21以及Vint22，Vin3对应于不同时刻分别为Vint31以及Vint32，Vin4对应于不同时刻分别为Vint41以及Vint42。
[0072] 根据(Vint11-Vin12)/(Vint12-Vin11)即可精确计算出待测电机1的位置；
[0073] 根据(Vint21-Vin9)/(Vint22-Vin10)即可精确计算出待测电机2的位置；
[0074] 根据(Vint31-Vin7)/(Vint32-Vin8)即可精确计算出待测电机3的位置；
[0075] 根据(Vint41-Vin5)/(Vint42-Vin6)即可精确计算出待测电机4的位置。
[0076] 作为本实施例的一种可选实施方式，可以设置4个电流源芯片，使得每个电位计对应于一个电流源芯片，即用4片LT3092分别输出给4个电机对应的电位计的抽头，从而可以省掉电流源分路用的第二选择开关DG1408(U8)。进一步可选地，第一选择开关U9也可以替换成有4个公共端的模拟开关，从而减少开关的切换次数，简化控制逻辑。
[0077] 本发明实施例还提供了一种电机转子位置的检测系统，所述的检测系统包括至少一个待测电机，以及图2-图7所示实施例中的电机转子位置的检测电路。其中，电机转子位置的检测电路中的电位计与所述待测电机一一对应连接。
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