电机转角检测装置与检测方法
电机转角检测装置与检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利属于分析及测量控制技术领域，尤其设及一种基于电机结构特点而设 计的电机转角估计装置，特别适用于直流有刷电机转角检测，实现低成本、高集成度的电机 转角检测，具体为电机转角检测装置与检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术的发展，电机在工业上的应用越来越多，在电机使用过程中关屯、最 多的是电机的转速和电机转角，对电机的转角位置精度和电机转速计算精度要求也逐渐变 高。与本专利相关专利主要有：专利号化200880117106.2，授权公开号CN101868696A，所公 开的转角检测传感器方案，主要是用于直流无刷电机，并且增加了用于转角检测的附加装 置，结构与检测程序较为复杂。而专利号化201320413074.9，授权公开号CN203427881U，所 公开的转角检测装置，主要是用于转向盘轴的转角测量，并且仅仅是在检测结构上创新，而 转角的读取全靠现有转角传感器。因此，现阶段对于转角位置检测基本都使用传感器，检测 较为准确但是增大了结构尺寸，增加了零件数和使用成本，同时随着控制系统中传感器的 增多也会造成信息冗余。所W近年来，电机转角检测一直是国内外的研究热点，国外也早在 二十世纪末开始进行该方向的研究，常见的检测方法有反电动势法、定子电感法、续流二极 管法等。而运些检测方法都适用于永磁同步电机，而较少设及到直流有刷电机的转角检测 方法。有刷直流电机由于较为低廉的成本，使用范围很广，若能很好估计电机转角转速将会 得到很好的实用价值和广阔的市场。为了保持直流有刷电机低廉使用成本的特性W及获得 较为精确的转角和转速，本发明提供了解决此问题的一套技术方案。
【发明内容】
[0003] 本发明专利是为了提高电机转角检测模块的集成度、缩减模块成本，W提供一种 在保证精度的情况下通过应用电机本身属性特征检测直流有刷电机的转角和转速装置，除 此之外还填补了直流有刷电机转角估计方法的空白。
[0004] 本发明改进的关键技术在于电流信号处理W及软件矫正方法，W保证信号处理效 果、提高转角和转速检测精度。本发明的具体内容是：
[0005] 电机转角检测装置，包括电流传感器3、前置放大模块4、自适应带通滤波模块5、正 弦波脉冲转换模块6、电压转换模块8。其中，电流传感器3、前置放大模块4、自适应带通滤波 模块5、正弦波脉冲转换模块6依次相连。
[0006] 电压转换模块8的供电端分别与前置放大模块4的取点端、自适应带通滤波模块5 的取点端相连接。
[0007] 所述电流传感器3用于检测电机转动过程中通过的电流信号。
[000引所述前置放大模块4负责将电流传感器3检测到的电流信号进行放大，获得交流电 信号。
[0009]所述自适应带通滤波模块5负责将经过前置放大模块4输出的交流电信号进行自 适应带通滤波，获得正弦波形电流信号。
[0010] 所述正弦波脉冲转换模块6负责将自适应带通滤波模块5输出的正弦波形电流信 号转化为脉冲波信号。
[0011] 所述电压转换模块8负责向前置放大模块4和自适应带通滤波模块5提供±5V的电 压。
[0012] 进一步说，设有一个工控机。电流传感器3的信号输出端、自适应带通滤波模块5的 信号输入端、正弦波脉冲转换模块6的信号输出端分别与工控机相连接。
[0013] 通过工控机对自适应带通滤波模块5进行参数设置。
[0014] 通过工控机结合电流传感器3反馈的信号、正弦波脉冲转换模块6反馈的信号计算 获得电机的转角数值。
[0015] 进一步说，所述电流传感器3用的是单电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放 大，差分放大后的信号即为电流信号。电流传感器是安装在Η桥的中间，用于检测电机转动 过程中通过的电流。
[0016] 进一步说，所述前置放大模块(4)为两级放大，其中，第一级放大的放大倍数为201 倍。第二级放大的放大倍数为3倍.
[0017] 进一步说，所述前置放大模块（4)包括电容(：1、〔2、〔3、〔4，电阻則、1?2、1?3、1?4、尺5、 尺6、37、1?8^及忍片化〔2272。
[0018] 其中，由电容(：1^3、〔4，电阻1?1、1?3、1?4、1?5^及忍片化〔2272实现第一级放大的功 能，由电容C2、C4,电阻32、1?6、1?7、1?8和忍片化〔2272内部的放大器实现第二级放大的功能。 进一步说，忍片化C2272的引脚1与电阻R1的一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接。忍 片化C2272的引脚2与电阻R1的另一端、电阻R4的一端相连接。忍片化C2272的引脚3与电容 C1的一端、电阻R5的一端相连接。电阻R4的另一端与电容C3的一端相连接。电阻R3的另一 端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端共同接地。忍片化C2272的引脚5与电阻R6的一端、电 容C2的另一端相连接。忍片化C2272的引脚6与电阻R2的一端、电阻R7的一端相连接。忍片 TLC2272的引脚7与电阻R2的另一端、电阻R8的一端相连接。电阻R7的另一端与电容C4的一 端相连接。电容C4的另一端、电阻R6的另一端、电阻R8的另一端共同接地。
[0019] 电容C1的另一端接电流传感器3的信号输出端、正弦波脉冲转换模块6。忍片 TLC2272的引脚4与电压转换模块8的负压输出端相连。忍片化C2272的引脚8与电压转换模 块8的正向输出端相连。忍片化C2272的引脚7与自适应带通滤波模块5相连接。
[0020] 进一步说，所述自适应带通滤波模块5是用于将放大后的交流信号进行自适应带 通滤波，过滤出理想的正弦波形。自适应带通滤波模块5包含1块开关电容滤波忍片。
[0021] 进一步说，自适应带通滤波模块5中的开关电容滤波忍片为滤波忍片LTC1068-200。自适应带通滤波模块5内含有电阻R9、R10、R11、R12、R15、R16、R17、R19、R20、R21、R22、 R23,电容口、C8。滤波忍片LTC1068-200的引脚1与电阻R9的一端、电阻R16的一端、电阻R11 的一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚1与电阻R12的另一端连接在一起。滤波忍 片LTC1068-200的引脚1与电阻R16的另一端电阻R10的一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚4与滤波忍片LTC1068-200的引脚5相连。滤波忍片LTC1068-200的引脚6与滤波忍 片LTC1068-200的引脚8、电容C7的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚7与电阻R19的 一端共同接地。滤波忍片LTC1068-200的引脚9与电容C7的另一端共同接地。滤波忍片 LTC1068-200的引脚10与滤波忍片LTC1068-200的引脚11、电阻R21的一端相连接。滤波忍片 LTC1068-200的引脚12与电阻R22的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚13与电阻R23 的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚14与电阻R21的另一端、电阻R22的另一端、电 阻R23的另一端、电阻R9的另一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚15与滤波忍片 LTC1068-200的引脚16相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚19、引脚20、引脚22、电容C8的 一端共同接地。滤波忍片LTC1068-200的引脚23与电容C8的另一端、电阻R19的一端相连接。 滤波忍片LTC1068-200的引脚24与电阻R19的另一端、电阻R20的一端相连接。滤波忍片 LTC1068-200的引脚25与电阻R20的另一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚26与电阻 R17的一端、电阻R9的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚27与电阻R15的一端相连 接。滤波忍 片LTC1068-200的引脚28与电阻R10的另一端、电阻R15的另一端、电阻R17的另一 端共同连接。
[0022] 滤波忍片LTC1068-200的引脚21与ECU相连接。
[0023] 电阻R11的另一端与前置放大模块(4)相连接。
[0024] 电容C7的另一端与电压转换模块8相连。
[0025] 进一步说，正弦波脉冲转换模块6由电阻313、1?14、1?18，二极管01^及控制忍片1]4 组成，用于将正弦波转化为与其周期一致的脉冲波。
[0026] 控制忍片U4的型号为ICL7660。控制忍片U4的引脚1与电阻R13的一端相连。控制忍 片U4的引脚2分别与电阻R14的一端、电阻R18的一端相连。控制忍片U4的引脚3与二极管D1 负极相连。电阻R18的另一端、控制忍片U4的引脚4接地。控制忍片U4的引脚8分别与电阻R13 的另一端、电阻R14的另一端相连。
[0027] 控制忍片U4的引脚1与EC財目连。二极管D1正极与自适应带通滤波模块5相连。电阻 R13的另一端与电压转换模块8相连。
[0028] 所述电压转换模块8是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带 通滤波模块提供± 5V的电压，保证运两个模块工作正常。电压转换模块8包括电源忍片U2、 电容巧、C6。电源忍片U4的型号为LM393。电源忍片U2的引脚2经电容巧与电源忍片U2的引脚 4相连。电源忍片U2的引脚3接地。电源忍片U2的引脚5经电容C6接地。电源忍片U2的引脚5与 电容C6的连接点为负压输出口，且为-5V。电源忍片U2的引脚8为正压输出口，且接巧V的电 源。
[0029] 采用本发明所述的电机转角检测装置的检测方法，按如下步骤进行：
[0030] 步骤1:将正弦波脉冲转换模块6、自适应带通滤波模块5分别与待测的ECU相连。将 电流传感器3、自适应带通滤波模块5、正弦波脉冲转换模块6分别与工控机相连接。在工控 机内安装直流电机数学模型1、计数矫正&计数器模块2、转角转速估算模块7。其中，直流电 机数学模型1属于软件，用于ECU估计理想的电机转速，输出与转速成比例关系的nm信号， W保证自适应带通滤波模块5能够正常工作。
[0031] 所述计数器&计数矫正模块2属于软件，包括计数器模块和计数矫正模块。计数矫 正模块的作用是将通过前置放大模块4、自适应带通滤波模块5W及正弦波脉冲转换模块6 后的崎变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块对脉冲信号进行计数。
[0032] 所述转角转速估计模块7属于软件，通过算法检测电机的转角，通过定时获取计数 器的数值，并将数值乘W每个脉冲对应的转角值，则可W得到运个时间段内电机转角的增 量，从而估计电机转角。
[0033] 步骤2:启动ECU，向直流电机数学模型1输入电机参数、电机输入电压、PWM参数、电 流传感器3检测得到的信号。
[0034] 步骤3:直流电机数学模型1的计算结果分别传给计数矫正&计数器模块2和自适应 带通滤波模块5。
[0035] 步骤4:转角转速估计模块7结合计数矫正&计数器模块2和正弦波脉冲转换模块6 反馈的数据得到最终的结果。
[0036] 本发明所采用的技术方案是:通过电流传感器采集电机在运转过程中的电流，将 采集的电流通过前置放大模块进行直流信号的隔离和交流信号的放大，通过两级放大即可 将波动幅值为80mV的电流波动放大到5V，随后通过自适应带通滤波模块将带有杂波和干扰 的信号过滤，而自适应跟踪的目的是当电机不在一个恒定转速下运转时，也可W通过滤波 得到进行转角检测所必须的周期变化的理想正弦波。理想的正弦波通过正弦波脉冲转换模 块即可将正弦波转换为与其周期一致的脉冲波，控制器定时检测采集的脉冲个数，并将脉 冲个数与每个脉冲对应的转角值求积就可W得到运个时间段内电机转角的增量，将电机转 角增量进行叠加即可检测电机转角值。
[0037] 本发明包括软件检测方法与硬件装置:软件检测方法为直流电机数学模型1、计数 器&计数矫正模块2、转角转速估计模块7,如图2所示。硬件装置包括：电流传感器3、前置放 大模块4、自适应带通滤波模块5、正弦波脉冲转换模块6、电压转换模块8,整体的检测系统 框图，如图1所示。
[0038] 软件检测方法部分：
[0039] 所述直流电机数学模型1属于检测装置的软件部分，用于ECU估计理想的电机转 速，输出与转速成比例关系的PWM信号，W保证自适应带通滤波模块5能够正常工作。
[0040] 所述计数器&计数矫正模块2也属于检测装置的软件部分，2包括两个模块，一个是 计数器模块，一个是计数矫正模块。计数矫正模块的作用是将通过前置放大模块、自适应带 通滤波模块W及正弦波脉冲转换模块后的崎变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块 对脉冲信号进行计数。
[0041] 所述转角转速估计模块7是属于检测装置的软件部分，该部分是通过算法检测电 机的转角，通过定时获取计数器的数值，并将数值乘W每个脉冲对应的转角值，则可W得到 运个时间段内电机转角的增量，从而估计电机转角。
[0042] 所述电流传感器3用的是单电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放大，差分放 大后的信号即为电流信号。电流传感器是安装在Η桥的中间，用于检测电机转动过程中通过 的电流。所述前置放大模块4又分为两级放大，其中第一级放大电路由电容(：1^3八4，电阻 R1、33、1?4、1?5^及忍片化〔2272组成其中一个放大旁路，放大倍数为201倍。第二级放大电 路设计和第一级一样，总放大倍数为3倍，由电容C2、C4，电阻R2、R6、R7、R8和忍片化C2272内 部的放大器组成。
[0043] 所述自适应带通滤波模块5是用于将放大后的交流信号进行自适应带通滤波，过 滤出理想的正弦波形。所用的滤波忍片是LTC1068-200开关电容滤波忍片。
[0044] 所述正弦波脉冲转换模块6正弦波脉冲转换电路由則3、則4、則8，二极管01^及 LM393组成，用于将正弦波转化为与其周期一致的脉冲波。
[0045] 所述电压转换模块8是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带 通滤波模块提供± 5V的电压，保证运两个模块工作正常。它由ICL7660和电容巧组成。
[0046] 本发明的工作过程为：如图1所示，转角检测模块先使用电机参数和电机输入电 压，W及电流传感器3采集的电流信号通过直流电机模型1计算出电机大致的转速，并将该 转速用于计数矫正和计数器模块2 W及自适应带通滤波模块5。电枢电流通过电流传感器3 采集后除了将电流信号传输给直流电机模型1，还传输给前置放大模块4进行交流信号的放 大W及直流信号的隔离。已经放大的交流信号随后输入到自适应带通滤波器5进行自适应 滤波，过滤出来的波形是跟踪电机转速变化而相应变化的正弦波。电压转换模块将供电的+ 5V电压转换为± 5V电压给前置放大模块和自适应滤波模块供电。通过自适应滤波模块后输 出符合要求的波形，之后再通过正弦波脉冲转换模块則尋正弦波转化为脉冲波形，此脉冲波 形为硬件部分处理的最后一个环节。脉冲波形输入至计数矫正和计数器模块2,该模块为软 件滤波模块，目的是进行修正经过硬件电路处理后得到的脉冲波中可能出现的重叠和丢 失。经过技术矫正和计数器模块2后的数据通过转角转速检测模块7进行转角转速估计，最 后输出转角和转速。有益的技术效果：
[0047] 本发明专利算法流程简单，易实现。结构简单，所使用电子单元常见且成本较低。 并且是针对成本低廉、使用广泛的有刷直流电机使用的转角检测转置，一旦实现产业化，必 将会有很好的实用价值和广泛的市场前景。
【附图说明】
[004引图1是本发明的总体工作示意图。
[0 049] 图2是本发明具体实施的软件流程图。
[0050] 图3是本发明具体实施的检测系统原理图。
【具体实施方式】
[0051 ]下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0052] 如图1所示，本发明的具体工作过程为:转角检测模块先使用电机参数和电机输入 电压，W及电流传感器3采集的电流信号通过直流电机模型1计算出电机大致的转速，并将 该转速用于计数矫正和计数器模块2 W及自适应带通滤波模块5。电枢电流通过电流传感器 3采集后除了将电流信号传输给直流电机模型1，还传输给前置放大模块4进行交流信号的 放大W及直流信号的隔离。已经放大的交流信号随后输入到自适应带通滤波器5进行自适 应滤波，过滤出来的波形是跟踪电机转速变化而相应变化的正弦波。输出符合要求的波形 后再通过正弦波脉冲转换模块則尋正弦波转化为脉冲波形，此脉冲波形为硬件部分处理的 最后一个环节。脉冲波形输入至计数矫正和计数器模块2,该模块为软件滤波模块，目的是 进行修正经过硬件电路处理后得到的脉冲波中可能出现的重叠和丢失。经过技术矫正和计 数器模块2后的数据通过转角转速检测模块7进行转角转速估计，最后输出转角和转速。
[0053] 图2为转角检测的软件程序部分，主要包括软件滤波模块（图2左侧，2.1) W及转角 转速估计模块(图2右侧，2.2)。
[0054] 图2左侧2.1是转角检测软件程序中的软件滤波模块。电机本身及运行工况不会处 于理想状态，会由于外界信号干扰、永磁体磁场分布不均、转子偏屯、等原因造成电流经过转 角检测硬件电路后出现脉冲信号的丢失和重叠，所w在硬件处理后还需要对信号进行软件 矫正。在进行电机转角检测和转速检测时是通过单片机输入捕获计数脉冲个数完成的，软 件滤波就是在输入捕获阶段对计数器寄存器的值进行适当的增减。软件矫正模块流程主要 包含W下Ξ个方面：
[0055] (1)在T1时间结束前若已经产生脉冲信号，则忽略该脉冲信号。
[0056] (2)在T1结束之后和T2结束之前如果没有脉冲信号，则计数器自动加一。
[0057] (3)在T1结束之后和在T2结束之前若能检测到脉冲信号，则计数器计数有效。
[0058] 其中T1与T2的时长与转速有关，需要依据传统的电机模型估计转速数据对T1和T2 进行设置。
[0059] 上述软件流程处理计数器后即可完成软件滤波模块。在流程图中Tl = tl*2/3"T2 为定时器时长。
[0060] 图2右侧2.2是转角检测软件程序中的转角转速估计模块。转角转速检测都是通过 设置定时器t_3定时读取单片机计数器寄存器的值来实现检测的。转角转速检测时通过定 时器中断进入后读取计数器的值，将计数器的值换算成转角增量后与前一时刻记录的转角 值叠加后得到实际转角值，将转角增量与定时器时长做商后得到转速值，之后将计数器的 值清零，然后退出中断等待下次定时中断。
[0061] 结合图2所示，转角或转速计算流程可表示为:先确定计数脉冲个数的计数器寄存 器的值COUNT。先计算转速并设置定时器时长tl，再根据是否出现脉冲，是否产生中断W及 定时器计数器是否小于Tl = tl巧/3来增减计数器寄存器的值COUNT。再利用2.2中流程图来 计算转角或者转速值。首先设置定时器时长*_3,当产生捕获中断时，进入转角或转速检测 模式，将2.1中流程图中得到的计数器寄存器的值COUNT进行校正，那么时间转角值可表示 为1:1161曰=1:1161曰_9+(1)面1'*(161_1:1161:曰其中1:1161曰为实际转角值，1:1161曰_9为前一时刻的转角 值，del_theta为转角增量值。将转角增量与定时器时长做商后就可W得到转速值。
[0062] 图3为该转角检测部分的硬件电路图，主要包括电压转换模块、前置放大模块、自 适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块。
[0063] 图3中3是电压转换模块，作用是给前置放大模块W及自适应带通滤波模块提供+ 5V和-5V的工作电压，它由粗电容巧、C6 W及忍片ICL7660组成，通过5V直流电源9输入巧V电 压进行工作，其中电容巧的作用是"充电累"，通过忍片内部的mos管上半周期和下半周期的 打开和关断完成电容的充电和放电，C5和C6通过忍片内部电路连接是并联的，通过巧的作 用，V0UT可W输出-5V电压，而C6的作用是过滤输出电压中的高频杂波，为了保证较高的转 化效率，两个电容都采用lOuF的电容值。
[0064] 图3中4是前置放大模块，作用是将电流传感器3采集的夹杂着直流和交流的电流 信号进行过滤，并将过滤后的交流信号进行放大，该电路分为两级放大，其中第一级放大电 路由电容(：1、〔3、〔4，电阻1?1、1?3、1?4、1?5^及忍片化〔2272的其中一个放大旁路组成。电流信 号通过由电容C1和R5组成的一阶高通滤波器进入到化C2272的IN+端口，由C巧PR5组成的高 通滤波器的截止频率是細Z，即只可W通过频率高于細Z的交流信号。经过一阶高通滤波器 的电流信号进行第一次放大，放大是通过31、1?、1?4^3^及化〔2272内部的放大器完成的。 其中C3目的是为了隔离直流信号，仅仅使交流信号通过并进行反馈放大。放大倍数为：
[00 化]
[0066] 即第一级放大201。第二级放大电路设计和第一级一样，总放大倍数为3倍，由电容 C2、C4，电阻R2、R6、R7、R8和忍片TLC2272内部的放大器组成。电路中的V孤+接入巧V，V孤-接 入-5V，通过接入正负两相的工作电压可W保证信号在正向和反向正常放大。通过两级放 大，可W把幅值为80mV的信号放大为5V左右，便于处理和计数。
[0067] 图3中5是自适应带通滤波模块，作用是自适应的过滤出与转速相关的理想频率信 号。自适应带通滤波模块也需要要巧V和-5V的供电，保证带通滤波不会出现正向或者负向 的截断，在巧V、-5V和地之间接入电容C7和C8是为了过滤电源信号的高频杂波，保证供电的 稳定性。通过应用自适应滤波忍片LTC1068-200中的Ξ个滤波通道搭建滤波电路。为了实现 自适应滤波，必须改变LTC1068的时间常数，通过ECU输入至化LK引脚的占空比为50%的脉冲 信号控制，而该脉冲信号的频率必须为理想正弦波频率的200倍。通过设计该带通滤波电 路，可W得到带宽为lOOHz的滤波电路，信号过滤效果好。
[0068] 图3中的6是正弦波脉冲转换模块，作用是将自适应过滤出的正弦信号转化为脉冲 信号，W便于后续的软件滤波和计数。正弦波脉冲转换电路由313、1?14、1?18，二极管01^及 LM393组成，其中R14和R18分别和VCC与INA-W及GND与INA-连接，用于控制正弦波脉冲转换 模块的比较阔值，取值分别为2K和3K，即设置阔值为3V，大于3V的信号通过比较器LM393统 一输出5V。二极管D1的作用是将自适应带通滤波后的正弦信号的反向截止，只对正向的信 号进行比较。电阻R13的作用是对正弦波脉冲转换模块的输出进行上拉，当没有信号的时候 保证比较器输出不被外界干扰而使得控制器错误计数。
【主权项】
1. 电机转角检测装置，其特征在于:包括电流传感器(3)、前置放大模块(4)、自适应带 通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6)、电压转换模块(8);其中， 电流传感器(3)、前置放大模块(4)、自适应带通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6) 依次相连； 电压转换模块(8)的供电端分别与前置放大模块(4)的取点端、自适应带通滤波模块 (5)的取点端相连接； 所述电流传感器(3)用于检测电机转动过程中通过的电流信号； 所述前置放大模块(4)负责将电流传感器(3)检测到的电流信号进行放大，获得交流电 信号； 所述自适应带通滤波模块(5)负责将经过前置放大模块(4)输出的交流电信号进行自 适应带通滤波， 获得正弦波形电流信号； 所述正弦波脉冲转换模块(6)负责将自适应带通滤波模块(5)输出的正弦波形电流信 号转化为脉冲波信号； 所述电压转换模块(8)负责向前置放大模块(4)和自适应带通滤波模块(5)提供±5V的 电压。2. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:设有一个工控机；电流传感器 (3)的信号输出端、自适应带通滤波模块(5)的信号输入端、正弦波脉冲转换模块(6)的信号 输出端分别与工控机相连接； 通过工控机对自适应带通滤波模块(5)进行参数设置； 通过工控机结合电流传感器(3)反馈的信号、正弦波脉冲转换模块(6)反馈的信号计算 获得电机的转角数值。3. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述电流传感器(3)用的是单 电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放大，差分放大后的信号即为电流信号。4. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述前置放大模块(4)为两级 放大，其中，第一级放大的放大倍数为201倍;第二级放大的放大倍数为3倍。5. 如权利要求4所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述前置放大模块(4)包括电 容(：1丄2、〇3丄4，电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6、1?7、1?8以及芯片1'1^：2272 ; 其中，由电容C1、C3、C4,电阻R1、R3、R4、R5以及芯片TLC2272实现第一级放大的功能，由 电容C2、C4,电阻1?2、1?6、1?7、1?8和芯片1102272内部的放大器实现第二级放大的功能。6. 如权利要求5所述的电机转角检测装置，其特征在于:芯片TLC2272的引脚1与电阻R1 的一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接;芯片TLC2272的引脚2与电阻R1的另一端、电 阻R4的一端相连接;芯片TLC2272的引脚3与电容C1的一端、电阻R5的一端相连接；电阻R4的 另一端与电容C3的一端相连接;电阻R3的另一端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端共同接 地;芯片TLC2272的引脚5与电阻R6的一端、电容C2的另一端相连接;芯片TLC2272的引脚6与 电阻R2的一端、电阻R7的一端相连接;芯片TLC2272的引脚7与电阻R2的另一端、电阻R8的一 端相连接；电阻R7的另一端与电容C4的一端相连接；电容C4的另一端、电阻R6的另一端、电 阻R8的另一端共同接地。7. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述自适应带通滤波模块(5) 是用于将放大后的交流信号进行自适应带通滤波，过滤出理想的正弦波形；自适应带通滤 波模块(5)包含1块开关电容滤波芯片。8. 如权利要求7所述的电机转角检测装置，其特征在于：自适应带通滤波模块(5)中的 开关电容滤波芯片为滤波芯片LTC1068-200;自适应带通滤波模块(5)内含有电阻R9、R10、 尺11、1?12、1?15、1?16、1?17、1?19、1?20、1?21、1?22、1?23，电容07、08 ;滤波芯片1^(：1068-200的的引脚 1与电阻R9的一端、电阻R16的一端、电阻R11的一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的 引脚1与电阻R12的另一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚1与电阻R16的另一 端电阻R10的一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚4与滤波芯片LTC1068-200的 的引脚5相连;滤波芯片LTC1068-200的的引脚6与滤波芯片LTC1068-200的的引脚8、电容C7 的一端相连接；滤波芯片LTC1068-200的的引脚7与电阻R19的一端共同接地；滤波芯片 LTC1068-200的的引脚9与电容C7的另一端共同接地;滤波芯片LTC1068-200的的引脚10与 滤波芯片LTC1068-200的的引脚11、电阻R21的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚 12与电阻R22的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚13与电阻R23的一端相连接;滤 波芯片LTC1068-200的的引脚14与电阻R21的另一端、电阻R22的另一端、电阻R23的另一端、 电阻R9的另一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚15与滤波芯片LTC1068-200的 的引脚16相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚19、引脚20、引脚22、电容C8的一端共同接 地;滤波芯片LTC1068-200的的引脚23与电容C8的另一端、电阻R19的一端相连接;滤波芯片 LTC1068-200的的引脚24与电阻R19的另一端、电阻R20的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚25与电阻R20的另一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚26与电阻R17的 一端、电阻R9的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚27与电阻R15的一端相连接;滤 波芯片LTC1068-200的的引脚28与电阻R10的另一端、电阻R15的另一端、电阻R17的另一端 共同连接。9. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于： 正弦波脉冲转换模块(6)由电阻1?13、1?14、1?18，二极管01以及控制芯片1]4组成，用于将 正弦波转化为与其周期一致的脉冲波； 所述电压转换模块(8)是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带通 滤波模块提供± 5V的电压，保证这两个模块工作正常。10. 采用如权利要求1至9所述的电机转角检测装置的检测方法，其特征在于:按如下步 骤进行： 步骤1:将正弦波脉冲转换模块(6)、自适应带通滤波模块(5)分别与待测的ECU相连;将 电流传感器(3)、自适应带通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6)分别与工控机相连接； 在工控机内安装直流电机数学模型（1)、计数矫正&计数器模块(2)、转角转速估算模块(7); 其中， 直流电机数学模型（1)属于软件，用于ECU估计理想的电机转速，输出与转速成比例关 系的PWM信号，以保证自适应带通滤波模块(5)能够工作； 所述计数器&计数矫正模块(2)属于软件，包括计数器模块和计数矫正模块;计数矫正 模块的作用是将通过前置放大模块(4)、自适应带通滤波模块(5)以及正弦波脉冲转换模块 (6)后的畸变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块对脉冲信号进行计数； 所述转角转速估计模块(7)属于软件，通过算法检测电机的转角，通过定时获取计数器 的数值，并将数值乘以每个脉冲对应的转角值，则可以得到这个时间段内电机转角的增量， 从而估计电机转角； 步骤2:启动ECU，向直流电机数学模型（1)输入电机参数、电机输入电压、PWΜ参数、 电流传感器(3)检测得到的信号； 步骤3:直流电机数学模型（1)的计算结果分别传给计数矫正&计数器模块(2)和自适应 带通滤波t吴块(5); 步骤4:转角转速估计模块（7)结合计数矫正&计数器模块（2)和正弦波脉冲转换模块 (6)反馈的数据得到最终的结果。
【专利摘要】本发明提供一种电机转角检测装置与检测方法。所述电机转角检测装置包括电流传感器、前置放大模块、自适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块、电压转换模块。其中，电流传感器、前置放大模块、自适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块依次相连。本发明所述的检测方法，包括4个主要步骤。有益的技术效果：本发明专利算法流程简单，易实现。结构简单，所使用电子单元常见且成本较低。并且是针对成本低廉、使用广泛的有刷直流电机使用的转角检测转置，一旦实现产业化，必将会有很好的实用价值和广泛的市场前景。
【IPC分类】H02K11/20, G01B7/30
【公开号】CN105490461
【申请号】CN201510989412
【发明人】赵林峰, 黄鹤, 王其东, 陈无畏, 张荣芸, 黄清泉, 陈久闪, 申雪
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月24日
【技术领域】
[0001] 本发明专利属于分析及测量控制技术领域，尤其设及一种基于电机结构特点而设 计的电机转角估计装置，特别适用于直流有刷电机转角检测，实现低成本、高集成度的电机 转角检测，具体为电机转角检测装置与检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术的发展，电机在工业上的应用越来越多，在电机使用过程中关屯、最 多的是电机的转速和电机转角，对电机的转角位置精度和电机转速计算精度要求也逐渐变 高。与本专利相关专利主要有：专利号化200880117106.2，授权公开号CN101868696A，所公 开的转角检测传感器方案，主要是用于直流无刷电机，并且增加了用于转角检测的附加装 置，结构与检测程序较为复杂。而专利号化201320413074.9，授权公开号CN203427881U，所 公开的转角检测装置，主要是用于转向盘轴的转角测量，并且仅仅是在检测结构上创新，而 转角的读取全靠现有转角传感器。因此，现阶段对于转角位置检测基本都使用传感器，检测 较为准确但是增大了结构尺寸，增加了零件数和使用成本，同时随着控制系统中传感器的 增多也会造成信息冗余。所W近年来，电机转角检测一直是国内外的研究热点，国外也早在 二十世纪末开始进行该方向的研究，常见的检测方法有反电动势法、定子电感法、续流二极 管法等。而运些检测方法都适用于永磁同步电机，而较少设及到直流有刷电机的转角检测 方法。有刷直流电机由于较为低廉的成本，使用范围很广，若能很好估计电机转角转速将会 得到很好的实用价值和广阔的市场。为了保持直流有刷电机低廉使用成本的特性W及获得 较为精确的转角和转速，本发明提供了解决此问题的一套技术方案。
【发明内容】
[0003] 本发明专利是为了提高电机转角检测模块的集成度、缩减模块成本，W提供一种 在保证精度的情况下通过应用电机本身属性特征检测直流有刷电机的转角和转速装置，除 此之外还填补了直流有刷电机转角估计方法的空白。
[0004] 本发明改进的关键技术在于电流信号处理W及软件矫正方法，W保证信号处理效 果、提高转角和转速检测精度。本发明的具体内容是：
[0005] 电机转角检测装置，包括电流传感器3、前置放大模块4、自适应带通滤波模块5、正 弦波脉冲转换模块6、电压转换模块8。其中，电流传感器3、前置放大模块4、自适应带通滤波 模块5、正弦波脉冲转换模块6依次相连。
[0006] 电压转换模块8的供电端分别与前置放大模块4的取点端、自适应带通滤波模块5 的取点端相连接。
[0007] 所述电流传感器3用于检测电机转动过程中通过的电流信号。
[000引所述前置放大模块4负责将电流传感器3检测到的电流信号进行放大，获得交流电 信号。
[0009]所述自适应带通滤波模块5负责将经过前置放大模块4输出的交流电信号进行自 适应带通滤波，获得正弦波形电流信号。
[0010] 所述正弦波脉冲转换模块6负责将自适应带通滤波模块5输出的正弦波形电流信 号转化为脉冲波信号。
[0011] 所述电压转换模块8负责向前置放大模块4和自适应带通滤波模块5提供±5V的电 压。
[0012] 进一步说，设有一个工控机。电流传感器3的信号输出端、自适应带通滤波模块5的 信号输入端、正弦波脉冲转换模块6的信号输出端分别与工控机相连接。
[0013] 通过工控机对自适应带通滤波模块5进行参数设置。
[0014] 通过工控机结合电流传感器3反馈的信号、正弦波脉冲转换模块6反馈的信号计算 获得电机的转角数值。
[0015] 进一步说，所述电流传感器3用的是单电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放 大，差分放大后的信号即为电流信号。电流传感器是安装在Η桥的中间，用于检测电机转动 过程中通过的电流。
[0016] 进一步说，所述前置放大模块(4)为两级放大，其中，第一级放大的放大倍数为201 倍。第二级放大的放大倍数为3倍.
[0017] 进一步说，所述前置放大模块（4)包括电容(：1、〔2、〔3、〔4，电阻則、1?2、1?3、1?4、尺5、 尺6、37、1?8^及忍片化〔2272。
[0018] 其中，由电容(：1^3、〔4，电阻1?1、1?3、1?4、1?5^及忍片化〔2272实现第一级放大的功 能，由电容C2、C4,电阻32、1?6、1?7、1?8和忍片化〔2272内部的放大器实现第二级放大的功能。 进一步说，忍片化C2272的引脚1与电阻R1的一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接。忍 片化C2272的引脚2与电阻R1的另一端、电阻R4的一端相连接。忍片化C2272的引脚3与电容 C1的一端、电阻R5的一端相连接。电阻R4的另一端与电容C3的一端相连接。电阻R3的另一 端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端共同接地。忍片化C2272的引脚5与电阻R6的一端、电 容C2的另一端相连接。忍片化C2272的引脚6与电阻R2的一端、电阻R7的一端相连接。忍片 TLC2272的引脚7与电阻R2的另一端、电阻R8的一端相连接。电阻R7的另一端与电容C4的一 端相连接。电容C4的另一端、电阻R6的另一端、电阻R8的另一端共同接地。
[0019] 电容C1的另一端接电流传感器3的信号输出端、正弦波脉冲转换模块6。忍片 TLC2272的引脚4与电压转换模块8的负压输出端相连。忍片化C2272的引脚8与电压转换模 块8的正向输出端相连。忍片化C2272的引脚7与自适应带通滤波模块5相连接。
[0020] 进一步说，所述自适应带通滤波模块5是用于将放大后的交流信号进行自适应带 通滤波，过滤出理想的正弦波形。自适应带通滤波模块5包含1块开关电容滤波忍片。
[0021] 进一步说，自适应带通滤波模块5中的开关电容滤波忍片为滤波忍片LTC1068-200。自适应带通滤波模块5内含有电阻R9、R10、R11、R12、R15、R16、R17、R19、R20、R21、R22、 R23,电容口、C8。滤波忍片LTC1068-200的引脚1与电阻R9的一端、电阻R16的一端、电阻R11 的一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚1与电阻R12的另一端连接在一起。滤波忍 片LTC1068-200的引脚1与电阻R16的另一端电阻R10的一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚4与滤波忍片LTC1068-200的引脚5相连。滤波忍片LTC1068-200的引脚6与滤波忍 片LTC1068-200的引脚8、电容C7的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚7与电阻R19的 一端共同接地。滤波忍片LTC1068-200的引脚9与电容C7的另一端共同接地。滤波忍片 LTC1068-200的引脚10与滤波忍片LTC1068-200的引脚11、电阻R21的一端相连接。滤波忍片 LTC1068-200的引脚12与电阻R22的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚13与电阻R23 的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚14与电阻R21的另一端、电阻R22的另一端、电 阻R23的另一端、电阻R9的另一端连接在一起。滤波忍片LTC1068-200的引脚15与滤波忍片 LTC1068-200的引脚16相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚19、引脚20、引脚22、电容C8的 一端共同接地。滤波忍片LTC1068-200的引脚23与电容C8的另一端、电阻R19的一端相连接。 滤波忍片LTC1068-200的引脚24与电阻R19的另一端、电阻R20的一端相连接。滤波忍片 LTC1068-200的引脚25与电阻R20的另一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚26与电阻 R17的一端、电阻R9的一端相连接。滤波忍片LTC1068-200的引脚27与电阻R15的一端相连 接。滤波忍 片LTC1068-200的引脚28与电阻R10的另一端、电阻R15的另一端、电阻R17的另一 端共同连接。
[0022] 滤波忍片LTC1068-200的引脚21与ECU相连接。
[0023] 电阻R11的另一端与前置放大模块(4)相连接。
[0024] 电容C7的另一端与电压转换模块8相连。
[0025] 进一步说，正弦波脉冲转换模块6由电阻313、1?14、1?18，二极管01^及控制忍片1]4 组成，用于将正弦波转化为与其周期一致的脉冲波。
[0026] 控制忍片U4的型号为ICL7660。控制忍片U4的引脚1与电阻R13的一端相连。控制忍 片U4的引脚2分别与电阻R14的一端、电阻R18的一端相连。控制忍片U4的引脚3与二极管D1 负极相连。电阻R18的另一端、控制忍片U4的引脚4接地。控制忍片U4的引脚8分别与电阻R13 的另一端、电阻R14的另一端相连。
[0027] 控制忍片U4的引脚1与EC財目连。二极管D1正极与自适应带通滤波模块5相连。电阻 R13的另一端与电压转换模块8相连。
[0028] 所述电压转换模块8是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带 通滤波模块提供± 5V的电压，保证运两个模块工作正常。电压转换模块8包括电源忍片U2、 电容巧、C6。电源忍片U4的型号为LM393。电源忍片U2的引脚2经电容巧与电源忍片U2的引脚 4相连。电源忍片U2的引脚3接地。电源忍片U2的引脚5经电容C6接地。电源忍片U2的引脚5与 电容C6的连接点为负压输出口，且为-5V。电源忍片U2的引脚8为正压输出口，且接巧V的电 源。
[0029] 采用本发明所述的电机转角检测装置的检测方法，按如下步骤进行：
[0030] 步骤1:将正弦波脉冲转换模块6、自适应带通滤波模块5分别与待测的ECU相连。将 电流传感器3、自适应带通滤波模块5、正弦波脉冲转换模块6分别与工控机相连接。在工控 机内安装直流电机数学模型1、计数矫正&计数器模块2、转角转速估算模块7。其中，直流电 机数学模型1属于软件，用于ECU估计理想的电机转速，输出与转速成比例关系的nm信号， W保证自适应带通滤波模块5能够正常工作。
[0031] 所述计数器&计数矫正模块2属于软件，包括计数器模块和计数矫正模块。计数矫 正模块的作用是将通过前置放大模块4、自适应带通滤波模块5W及正弦波脉冲转换模块6 后的崎变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块对脉冲信号进行计数。
[0032] 所述转角转速估计模块7属于软件，通过算法检测电机的转角，通过定时获取计数 器的数值，并将数值乘W每个脉冲对应的转角值，则可W得到运个时间段内电机转角的增 量，从而估计电机转角。
[0033] 步骤2:启动ECU，向直流电机数学模型1输入电机参数、电机输入电压、PWM参数、电 流传感器3检测得到的信号。
[0034] 步骤3:直流电机数学模型1的计算结果分别传给计数矫正&计数器模块2和自适应 带通滤波模块5。
[0035] 步骤4:转角转速估计模块7结合计数矫正&计数器模块2和正弦波脉冲转换模块6 反馈的数据得到最终的结果。
[0036] 本发明所采用的技术方案是:通过电流传感器采集电机在运转过程中的电流，将 采集的电流通过前置放大模块进行直流信号的隔离和交流信号的放大，通过两级放大即可 将波动幅值为80mV的电流波动放大到5V，随后通过自适应带通滤波模块将带有杂波和干扰 的信号过滤，而自适应跟踪的目的是当电机不在一个恒定转速下运转时，也可W通过滤波 得到进行转角检测所必须的周期变化的理想正弦波。理想的正弦波通过正弦波脉冲转换模 块即可将正弦波转换为与其周期一致的脉冲波，控制器定时检测采集的脉冲个数，并将脉 冲个数与每个脉冲对应的转角值求积就可W得到运个时间段内电机转角的增量，将电机转 角增量进行叠加即可检测电机转角值。
[0037] 本发明包括软件检测方法与硬件装置:软件检测方法为直流电机数学模型1、计数 器&计数矫正模块2、转角转速估计模块7,如图2所示。硬件装置包括：电流传感器3、前置放 大模块4、自适应带通滤波模块5、正弦波脉冲转换模块6、电压转换模块8,整体的检测系统 框图，如图1所示。
[0038] 软件检测方法部分：
[0039] 所述直流电机数学模型1属于检测装置的软件部分，用于ECU估计理想的电机转 速，输出与转速成比例关系的PWM信号，W保证自适应带通滤波模块5能够正常工作。
[0040] 所述计数器&计数矫正模块2也属于检测装置的软件部分，2包括两个模块，一个是 计数器模块，一个是计数矫正模块。计数矫正模块的作用是将通过前置放大模块、自适应带 通滤波模块W及正弦波脉冲转换模块后的崎变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块 对脉冲信号进行计数。
[0041] 所述转角转速估计模块7是属于检测装置的软件部分，该部分是通过算法检测电 机的转角，通过定时获取计数器的数值，并将数值乘W每个脉冲对应的转角值，则可W得到 运个时间段内电机转角的增量，从而估计电机转角。
[0042] 所述电流传感器3用的是单电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放大，差分放 大后的信号即为电流信号。电流传感器是安装在Η桥的中间，用于检测电机转动过程中通过 的电流。所述前置放大模块4又分为两级放大，其中第一级放大电路由电容(：1^3八4，电阻 R1、33、1?4、1?5^及忍片化〔2272组成其中一个放大旁路，放大倍数为201倍。第二级放大电 路设计和第一级一样，总放大倍数为3倍，由电容C2、C4，电阻R2、R6、R7、R8和忍片化C2272内 部的放大器组成。
[0043] 所述自适应带通滤波模块5是用于将放大后的交流信号进行自适应带通滤波，过 滤出理想的正弦波形。所用的滤波忍片是LTC1068-200开关电容滤波忍片。
[0044] 所述正弦波脉冲转换模块6正弦波脉冲转换电路由則3、則4、則8，二极管01^及 LM393组成，用于将正弦波转化为与其周期一致的脉冲波。
[0045] 所述电压转换模块8是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带 通滤波模块提供± 5V的电压，保证运两个模块工作正常。它由ICL7660和电容巧组成。
[0046] 本发明的工作过程为：如图1所示，转角检测模块先使用电机参数和电机输入电 压，W及电流传感器3采集的电流信号通过直流电机模型1计算出电机大致的转速，并将该 转速用于计数矫正和计数器模块2 W及自适应带通滤波模块5。电枢电流通过电流传感器3 采集后除了将电流信号传输给直流电机模型1，还传输给前置放大模块4进行交流信号的放 大W及直流信号的隔离。已经放大的交流信号随后输入到自适应带通滤波器5进行自适应 滤波，过滤出来的波形是跟踪电机转速变化而相应变化的正弦波。电压转换模块将供电的+ 5V电压转换为± 5V电压给前置放大模块和自适应滤波模块供电。通过自适应滤波模块后输 出符合要求的波形，之后再通过正弦波脉冲转换模块則尋正弦波转化为脉冲波形，此脉冲波 形为硬件部分处理的最后一个环节。脉冲波形输入至计数矫正和计数器模块2,该模块为软 件滤波模块，目的是进行修正经过硬件电路处理后得到的脉冲波中可能出现的重叠和丢 失。经过技术矫正和计数器模块2后的数据通过转角转速检测模块7进行转角转速估计，最 后输出转角和转速。有益的技术效果：
[0047] 本发明专利算法流程简单，易实现。结构简单，所使用电子单元常见且成本较低。 并且是针对成本低廉、使用广泛的有刷直流电机使用的转角检测转置，一旦实现产业化，必 将会有很好的实用价值和广泛的市场前景。
【附图说明】
[004引图1是本发明的总体工作示意图。
[0 049] 图2是本发明具体实施的软件流程图。
[0050] 图3是本发明具体实施的检测系统原理图。
【具体实施方式】
[0051 ]下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0052] 如图1所示，本发明的具体工作过程为:转角检测模块先使用电机参数和电机输入 电压，W及电流传感器3采集的电流信号通过直流电机模型1计算出电机大致的转速，并将 该转速用于计数矫正和计数器模块2 W及自适应带通滤波模块5。电枢电流通过电流传感器 3采集后除了将电流信号传输给直流电机模型1，还传输给前置放大模块4进行交流信号的 放大W及直流信号的隔离。已经放大的交流信号随后输入到自适应带通滤波器5进行自适 应滤波，过滤出来的波形是跟踪电机转速变化而相应变化的正弦波。输出符合要求的波形 后再通过正弦波脉冲转换模块則尋正弦波转化为脉冲波形，此脉冲波形为硬件部分处理的 最后一个环节。脉冲波形输入至计数矫正和计数器模块2,该模块为软件滤波模块，目的是 进行修正经过硬件电路处理后得到的脉冲波中可能出现的重叠和丢失。经过技术矫正和计 数器模块2后的数据通过转角转速检测模块7进行转角转速估计，最后输出转角和转速。
[0053] 图2为转角检测的软件程序部分，主要包括软件滤波模块（图2左侧，2.1) W及转角 转速估计模块(图2右侧，2.2)。
[0054] 图2左侧2.1是转角检测软件程序中的软件滤波模块。电机本身及运行工况不会处 于理想状态，会由于外界信号干扰、永磁体磁场分布不均、转子偏屯、等原因造成电流经过转 角检测硬件电路后出现脉冲信号的丢失和重叠，所w在硬件处理后还需要对信号进行软件 矫正。在进行电机转角检测和转速检测时是通过单片机输入捕获计数脉冲个数完成的，软 件滤波就是在输入捕获阶段对计数器寄存器的值进行适当的增减。软件矫正模块流程主要 包含W下Ξ个方面：
[0055] (1)在T1时间结束前若已经产生脉冲信号，则忽略该脉冲信号。
[0056] (2)在T1结束之后和T2结束之前如果没有脉冲信号，则计数器自动加一。
[0057] (3)在T1结束之后和在T2结束之前若能检测到脉冲信号，则计数器计数有效。
[0058] 其中T1与T2的时长与转速有关，需要依据传统的电机模型估计转速数据对T1和T2 进行设置。
[0059] 上述软件流程处理计数器后即可完成软件滤波模块。在流程图中Tl = tl*2/3"T2 为定时器时长。
[0060] 图2右侧2.2是转角检测软件程序中的转角转速估计模块。转角转速检测都是通过 设置定时器t_3定时读取单片机计数器寄存器的值来实现检测的。转角转速检测时通过定 时器中断进入后读取计数器的值，将计数器的值换算成转角增量后与前一时刻记录的转角 值叠加后得到实际转角值，将转角增量与定时器时长做商后得到转速值，之后将计数器的 值清零，然后退出中断等待下次定时中断。
[0061] 结合图2所示，转角或转速计算流程可表示为:先确定计数脉冲个数的计数器寄存 器的值COUNT。先计算转速并设置定时器时长tl，再根据是否出现脉冲，是否产生中断W及 定时器计数器是否小于Tl = tl巧/3来增减计数器寄存器的值COUNT。再利用2.2中流程图来 计算转角或者转速值。首先设置定时器时长*_3,当产生捕获中断时，进入转角或转速检测 模式，将2.1中流程图中得到的计数器寄存器的值COUNT进行校正，那么时间转角值可表示 为1:1161曰=1:1161曰_9+(1)面1'*(161_1:1161:曰其中1:1161曰为实际转角值，1:1161曰_9为前一时刻的转角 值，del_theta为转角增量值。将转角增量与定时器时长做商后就可W得到转速值。
[0062] 图3为该转角检测部分的硬件电路图，主要包括电压转换模块、前置放大模块、自 适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块。
[0063] 图3中3是电压转换模块，作用是给前置放大模块W及自适应带通滤波模块提供+ 5V和-5V的工作电压，它由粗电容巧、C6 W及忍片ICL7660组成，通过5V直流电源9输入巧V电 压进行工作，其中电容巧的作用是"充电累"，通过忍片内部的mos管上半周期和下半周期的 打开和关断完成电容的充电和放电，C5和C6通过忍片内部电路连接是并联的，通过巧的作 用，V0UT可W输出-5V电压，而C6的作用是过滤输出电压中的高频杂波，为了保证较高的转 化效率，两个电容都采用lOuF的电容值。
[0064] 图3中4是前置放大模块，作用是将电流传感器3采集的夹杂着直流和交流的电流 信号进行过滤，并将过滤后的交流信号进行放大，该电路分为两级放大，其中第一级放大电 路由电容(：1、〔3、〔4，电阻1?1、1?3、1?4、1?5^及忍片化〔2272的其中一个放大旁路组成。电流信 号通过由电容C1和R5组成的一阶高通滤波器进入到化C2272的IN+端口，由C巧PR5组成的高 通滤波器的截止频率是細Z，即只可W通过频率高于細Z的交流信号。经过一阶高通滤波器 的电流信号进行第一次放大，放大是通过31、1?、1?4^3^及化〔2272内部的放大器完成的。 其中C3目的是为了隔离直流信号，仅仅使交流信号通过并进行反馈放大。放大倍数为：
[00 化]
[0066] 即第一级放大201。第二级放大电路设计和第一级一样，总放大倍数为3倍，由电容 C2、C4，电阻R2、R6、R7、R8和忍片TLC2272内部的放大器组成。电路中的V孤+接入巧V，V孤-接 入-5V，通过接入正负两相的工作电压可W保证信号在正向和反向正常放大。通过两级放 大，可W把幅值为80mV的信号放大为5V左右，便于处理和计数。
[0067] 图3中5是自适应带通滤波模块，作用是自适应的过滤出与转速相关的理想频率信 号。自适应带通滤波模块也需要要巧V和-5V的供电，保证带通滤波不会出现正向或者负向 的截断，在巧V、-5V和地之间接入电容C7和C8是为了过滤电源信号的高频杂波，保证供电的 稳定性。通过应用自适应滤波忍片LTC1068-200中的Ξ个滤波通道搭建滤波电路。为了实现 自适应滤波，必须改变LTC1068的时间常数，通过ECU输入至化LK引脚的占空比为50%的脉冲 信号控制，而该脉冲信号的频率必须为理想正弦波频率的200倍。通过设计该带通滤波电 路，可W得到带宽为lOOHz的滤波电路，信号过滤效果好。
[0068] 图3中的6是正弦波脉冲转换模块，作用是将自适应过滤出的正弦信号转化为脉冲 信号，W便于后续的软件滤波和计数。正弦波脉冲转换电路由313、1?14、1?18，二极管01^及 LM393组成，其中R14和R18分别和VCC与INA-W及GND与INA-连接，用于控制正弦波脉冲转换 模块的比较阔值，取值分别为2K和3K，即设置阔值为3V，大于3V的信号通过比较器LM393统 一输出5V。二极管D1的作用是将自适应带通滤波后的正弦信号的反向截止，只对正向的信 号进行比较。电阻R13的作用是对正弦波脉冲转换模块的输出进行上拉，当没有信号的时候 保证比较器输出不被外界干扰而使得控制器错误计数。
【主权项】
1. 电机转角检测装置，其特征在于:包括电流传感器(3)、前置放大模块(4)、自适应带 通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6)、电压转换模块(8);其中， 电流传感器(3)、前置放大模块(4)、自适应带通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6) 依次相连； 电压转换模块(8)的供电端分别与前置放大模块(4)的取点端、自适应带通滤波模块 (5)的取点端相连接； 所述电流传感器(3)用于检测电机转动过程中通过的电流信号； 所述前置放大模块(4)负责将电流传感器(3)检测到的电流信号进行放大，获得交流电 信号； 所述自适应带通滤波模块(5)负责将经过前置放大模块(4)输出的交流电信号进行自 适应带通滤波， 获得正弦波形电流信号； 所述正弦波脉冲转换模块(6)负责将自适应带通滤波模块(5)输出的正弦波形电流信 号转化为脉冲波信号； 所述电压转换模块(8)负责向前置放大模块(4)和自适应带通滤波模块(5)提供±5V的 电压。2. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:设有一个工控机；电流传感器 (3)的信号输出端、自适应带通滤波模块(5)的信号输入端、正弦波脉冲转换模块(6)的信号 输出端分别与工控机相连接； 通过工控机对自适应带通滤波模块(5)进行参数设置； 通过工控机结合电流传感器(3)反馈的信号、正弦波脉冲转换模块(6)反馈的信号计算 获得电机的转角数值。3. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述电流传感器(3)用的是单 电阻电流传感器，并通过AD8206进行差分放大，差分放大后的信号即为电流信号。4. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述前置放大模块(4)为两级 放大，其中，第一级放大的放大倍数为201倍;第二级放大的放大倍数为3倍。5. 如权利要求4所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述前置放大模块(4)包括电 容(：1丄2、〇3丄4，电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6、1?7、1?8以及芯片1'1^：2272 ; 其中，由电容C1、C3、C4,电阻R1、R3、R4、R5以及芯片TLC2272实现第一级放大的功能，由 电容C2、C4,电阻1?2、1?6、1?7、1?8和芯片1102272内部的放大器实现第二级放大的功能。6. 如权利要求5所述的电机转角检测装置，其特征在于:芯片TLC2272的引脚1与电阻R1 的一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接;芯片TLC2272的引脚2与电阻R1的另一端、电 阻R4的一端相连接;芯片TLC2272的引脚3与电容C1的一端、电阻R5的一端相连接；电阻R4的 另一端与电容C3的一端相连接;电阻R3的另一端、电容C3的另一端、电阻R5的另一端共同接 地;芯片TLC2272的引脚5与电阻R6的一端、电容C2的另一端相连接;芯片TLC2272的引脚6与 电阻R2的一端、电阻R7的一端相连接;芯片TLC2272的引脚7与电阻R2的另一端、电阻R8的一 端相连接；电阻R7的另一端与电容C4的一端相连接；电容C4的另一端、电阻R6的另一端、电 阻R8的另一端共同接地。7. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于:所述自适应带通滤波模块(5) 是用于将放大后的交流信号进行自适应带通滤波，过滤出理想的正弦波形；自适应带通滤 波模块(5)包含1块开关电容滤波芯片。8. 如权利要求7所述的电机转角检测装置，其特征在于：自适应带通滤波模块(5)中的 开关电容滤波芯片为滤波芯片LTC1068-200;自适应带通滤波模块(5)内含有电阻R9、R10、 尺11、1?12、1?15、1?16、1?17、1?19、1?20、1?21、1?22、1?23，电容07、08 ;滤波芯片1^(：1068-200的的引脚 1与电阻R9的一端、电阻R16的一端、电阻R11的一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的 引脚1与电阻R12的另一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚1与电阻R16的另一 端电阻R10的一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚4与滤波芯片LTC1068-200的 的引脚5相连;滤波芯片LTC1068-200的的引脚6与滤波芯片LTC1068-200的的引脚8、电容C7 的一端相连接；滤波芯片LTC1068-200的的引脚7与电阻R19的一端共同接地；滤波芯片 LTC1068-200的的引脚9与电容C7的另一端共同接地;滤波芯片LTC1068-200的的引脚10与 滤波芯片LTC1068-200的的引脚11、电阻R21的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚 12与电阻R22的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚13与电阻R23的一端相连接;滤 波芯片LTC1068-200的的引脚14与电阻R21的另一端、电阻R22的另一端、电阻R23的另一端、 电阻R9的另一端连接在一起;滤波芯片LTC1068-200的的引脚15与滤波芯片LTC1068-200的 的引脚16相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚19、引脚20、引脚22、电容C8的一端共同接 地;滤波芯片LTC1068-200的的引脚23与电容C8的另一端、电阻R19的一端相连接;滤波芯片 LTC1068-200的的引脚24与电阻R19的另一端、电阻R20的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚25与电阻R20的另一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚26与电阻R17的 一端、电阻R9的一端相连接;滤波芯片LTC1068-200的的引脚27与电阻R15的一端相连接;滤 波芯片LTC1068-200的的引脚28与电阻R10的另一端、电阻R15的另一端、电阻R17的另一端 共同连接。9. 如权利要求1所述的电机转角检测装置，其特征在于： 正弦波脉冲转换模块(6)由电阻1?13、1?14、1?18，二极管01以及控制芯片1]4组成，用于将 正弦波转化为与其周期一致的脉冲波； 所述电压转换模块(8)是用于将5V电压转换为-5V电压，给前置放大模块和自适应带通 滤波模块提供± 5V的电压，保证这两个模块工作正常。10. 采用如权利要求1至9所述的电机转角检测装置的检测方法，其特征在于:按如下步 骤进行： 步骤1:将正弦波脉冲转换模块(6)、自适应带通滤波模块(5)分别与待测的ECU相连;将 电流传感器(3)、自适应带通滤波模块(5)、正弦波脉冲转换模块(6)分别与工控机相连接； 在工控机内安装直流电机数学模型（1)、计数矫正&计数器模块(2)、转角转速估算模块(7); 其中， 直流电机数学模型（1)属于软件，用于ECU估计理想的电机转速，输出与转速成比例关 系的PWM信号，以保证自适应带通滤波模块(5)能够工作； 所述计数器&计数矫正模块(2)属于软件，包括计数器模块和计数矫正模块;计数矫正 模块的作用是将通过前置放大模块(4)、自适应带通滤波模块(5)以及正弦波脉冲转换模块 (6)后的畸变脉冲波形进行矫正，矫正后通过计数器模块对脉冲信号进行计数； 所述转角转速估计模块(7)属于软件，通过算法检测电机的转角，通过定时获取计数器 的数值，并将数值乘以每个脉冲对应的转角值，则可以得到这个时间段内电机转角的增量， 从而估计电机转角； 步骤2:启动ECU，向直流电机数学模型（1)输入电机参数、电机输入电压、PWΜ参数、 电流传感器(3)检测得到的信号； 步骤3:直流电机数学模型（1)的计算结果分别传给计数矫正&计数器模块(2)和自适应 带通滤波t吴块(5); 步骤4:转角转速估计模块（7)结合计数矫正&计数器模块（2)和正弦波脉冲转换模块 (6)反馈的数据得到最终的结果。
【专利摘要】本发明提供一种电机转角检测装置与检测方法。所述电机转角检测装置包括电流传感器、前置放大模块、自适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块、电压转换模块。其中，电流传感器、前置放大模块、自适应带通滤波模块、正弦波脉冲转换模块依次相连。本发明所述的检测方法，包括4个主要步骤。有益的技术效果：本发明专利算法流程简单，易实现。结构简单，所使用电子单元常见且成本较低。并且是针对成本低廉、使用广泛的有刷直流电机使用的转角检测转置，一旦实现产业化，必将会有很好的实用价值和广泛的市场前景。
【IPC分类】H02K11/20, G01B7/30
【公开号】CN105490461
【申请号】CN201510989412
【发明人】赵林峰, 黄鹤, 王其东, 陈无畏, 张荣芸, 黄清泉, 陈久闪, 申雪
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月24日
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