一种电机及其过零点检测芯片的制作方法

1.本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种电机及其过零点检测芯片。


背景技术：

2.三相无刷直流电机(brushless direct current motor，bldcm)，简称bldc。在bldc的换相驱动过程中，需要检测换相点，也即电机的过零点。传统的检测方法一般采用霍尔传感器进行检测，而采用此种方式进行检测，不仅会增加系统板级的器件数量和电路复杂程度，还会堆高应用成本。
3.此外，霍尔传感器需要安装在电机内部，对密封性要求高。在一些特殊的应用场合中，例如，水泵中的电机，油泵中的电机，也不太适用。


技术实现要素：

4.对此，本技术提供一种电机及其过零点检测芯片，以解决现有通过霍尔传感器检测电机过零点方式，不仅会增加系统板级的器件数量和电路复杂程度，堆高应用成本，还对密封性要求高，使用环境存在限制的问题。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.本技术第一方面公开了一种电机的过零点检测芯片，包括：中性点电压检测电路、悬空相电压采集电路以及过零点确定电路；其中：
7.所述中性点电压检测电路用于依据采样信号和保持信号，对所述电机三相的端电压进行模拟，得到所述电机的中性点电压；
8.所述悬空相电压采集电路用于依据所述采样信号和所述保持信号，对所述电机中悬空相的电压进行采集，得到所述电机的悬空相电压；
9.所述过零点确定电路用于在所述中性点电压和所述悬空相电压满足预设过零点条件时，确定出所述电机的过零点；其中，所述预设过零点条件为：在预设采样窗口内，连续得到的两者的比较输出结果中存在不同。
10.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述中性点电压检测电路，包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一运算放大器、第一可控开关、第一电容、第二运算放大器、第二可控开关以及第二电容；其中：
11.所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端以及所述第三电阻的一端，分别接收所述电机中的三相的端电压；
12.所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端以及所述第三电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端相连；所述第四电阻的另一端分别与所述第五电阻的一端以及所述第一运算放大器的同相输入端相连；
13.所述第一运算放大器的输出端分别与其反相输入端以及所述可控开关的一端相连；所述第一可控开关的控制端接收所述采样信号；所述第一可控开关的另一端分别与所述第一电容的一端以及所述第二运算放大器的同相输入端相连；
14.所述第二运算放大器的输出端分别与其反相输入端以及所述第二可控开关的一端相连；所述第二可控开关的控制端接收所述保持信号；所述第二可控开关的另一端与所述第二电容的一端相连，连接点作为所述中性点电压构建电路的输出端，输出所述中性点电压；
15.所述第五电阻的另一端、所述第一电容的另一端以及所述第二电容的另一端接地。
16.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述中性点电压检测电路，还包括：第三电容；其中：
17.所述第三电容的一端分别与所述第四电阻的一端、所述第五电阻的一端以及所述第一运算放大器的同相输入端相连；
18.所述第三电容的另一端接地。
19.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述悬空相电压采集电路，包括：第六电阻、第七电阻、第三运算放大器、第三可控开关、第四电容、第四运算放大器、第四可控开关以及第五电容；其中：
20.所述第六电阻的一端与所述电机中的悬空相相连；所述第六电阻的另一端分别与所述第七电阻的一端和所述第四运算放大器的同相输入端相连；
21.所述第四运算放大器的输出端分别与其反相输入端和所述第三可控开关的一端相连；所述第三可控开关的控制端接收所述采样信号；所述第三可控开关的另一端分别与所述第四电容的一端和所述第四运算放大器的同相输入端相连；
22.所述第四运算放大器的输出端分别与其反相输入端和所述第四可控开关的一端相；所述第四可控开关的控制端接收所述保持信号；所述第四可控开关的另一端与所述第五电容的一端相连，连接点作为所述悬空相电压采集电路的输出端，输出所述悬空相电压；
23.所述第七电阻的另一端、所述第四电容的另一端以及所述第五电容的另一端接地。
24.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述悬空相电压采集电路，还包括：第六电容；其中：
25.所述第六电容的一端分别与所述第六电阻的一端、所述第七电阻的一端以及所述第三运算放大器的同相输入端相连；
26.所述第六电容的另一端接地。
27.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述零点确定电路，包括：比较器和数字滤波器；其中：
28.所述比较器的同相输入端用于接收所述中性点电压，所述比较器的反相输入端用于接收所述悬空相电压；
29.所述比较器的输出端与所述数字滤波器的输入端相连，所述数字滤波器用于在所述预设采样窗口内，连续接收到的所述中性点电压和所述悬空相电压的比较输出结果中存在不同时，输出过零点信号，以确定所述出所述电机的过零点。
30.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述预设采样窗口的采样次数为3；
31.所述中性点电压和所述悬空相电压的比较输出结果中存在不同，包括：在所述预设采样窗口内，比较得到所述中性点电压大于所述悬空相电压的次数超过平均值；
32.或者，在所述预设采样窗口内，比较得到所述中性点电压小于所述悬空相电压的次数超过平均值。
33.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，还包括：若在所述预设采样窗口内，比较得到所述中性点电压大于所述悬空相电压的次数超过平均值，则确定出所述电机的过零点为向上过零点；
34.若在所述预设采样窗口内，比较得到所述中性点电压大于所述悬空相电压的次数超过平均值，则确定出所述电机的过零点为向下过零点。
35.可选地，在上述的电机的过零点检测芯片中，所述采样信号和所述保持信号为非交叠信号。
36.本技术第二方面公开了一种电机，包括：电动机本体、换相驱动电路以及如上述第一方面公开的任一项所述的电机的过零点检测芯片；其中：
37.所述电机的过零点检测芯片用于检测所述电动机本体的过零点；
38.所述换相驱动电路用于根据所述电机的过零点检测芯片检测到的过零点，有序控制所述电动机本体工作。
39.本发明提供的电机的过零点检测芯片，包括：中性点电压检测电路、悬空相电压采集电路以及过零点确定电路；其中：中性点电压检测电路用于依据采样信号和保持信号，对电机三相的端电压进行模拟，得到电机的中性点电压；悬空相电压采集电路用于依据采样信号和保持信号，对电机中悬空相的电压进行采集，得到电机的悬空相电压；过零点确定电路用于在中性点电压和悬空相电压满足预设过零点条件时，确定出电机的过零点；其中，预设过零点条件为：在预设采样窗口内，连续得到的两者的比较输出结果中存在不同；也即，本技术提供的电机的过零点检测芯片能够通过内建中性点电压和采集悬空相电压的方式，在中性点电压和悬空相电压满足预设过零点条件时，确定出电机的过零点，无需使用霍尔传感器，降低了系统板级的器件数量和电路复杂程度，减少了应用成本；同时还能够避免采用霍尔传感器的检测方式对密封性要求高，使用环境存在限制的问题。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
41.图1为本技术实施例提供的一种电机的过零点检测芯片的结构示意图；
42.图2为本技术实施例提供的一种中性点电压检测电路的示意图；
43.图3为本技术实施例提供的一种悬空相电压采集电路的示意图；
44.图4为本技术实施例提供的一种过零点确定电路的示意图；
45.图5为本技术实施例提供的一种电机的结构示意图。
具体实施方式
46.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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
47.本技术实施例提供一种电机的过零点检测芯片，以解决现有通过霍尔传感器检测电机过零点方式，不仅会增加系统板级的器件数量和电路复杂程度，堆高应用成本，还对密封性要求高，使用环境存在限制的问题。
48.请参见图1，该电机的过零点检测芯片主要包括以下部分：中性点电压检测电路101、悬空相电压采集电路102以及过零点确定电路103。其中：
49.中性点电压检测电路101用于依据采样信号和保持信号，对电机三相的端电压进行模拟，得到电机的中性点电压。
50.实际应用中，结合图2，该中性点电压检测电路101可以包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第一运算放大器amp1、第一可控开关sw1、第一电容c1、第二运算放大器amp1、第二可控开关sw以及第二电容c2。其中：
51.第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端以及第三电阻r3的一端，分别接收电机中的三相的端电压(图2中的out1、out2、out3)。
52.需要说明的是，电机中三相的端电压分别表示三相电机中，每一相对应的端电压。
53.第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的另一端以及第三电阻r3的另一端分别与第四电阻r4的一端相连；第四电阻r4的另一端分别与第五电阻r5的一端以及第一运算放大器amp1的同相输入端 相连。
54.第一运算放大器amp1的输出端分别与其反相输入端-以及第一可控开关sw1的一端相连；第一可控开关sw1的控制端接收采样信号(图中的sample)；第一可控开关sw1的另一端分别与第一电容c1的一端以及第二运算放大器amp2的同相输入端 相连。
55.第二运算放大器amp2的输出端分别与其反相输入端-以及第二可控开关sw2的一端相连；第二可控开关sw1的控制端接收保持信号(图中的hold)；第二可控开关sw2的另一端与第二电容c2的一端相连，连接点作为中性点电压构建电路101的输出端，输出中性点电压(图中的bemf_ref)。
56.第五电阻r5的另一端、第一电容c1的另一端以及第二电容c2的另一端接地。
57.需要说明的是，第一电阻r1、第二电阻r2及第三电阻r3相连的连接点构成了电机的过零点检测芯片对电机进行模拟的中性点，也即图2中的vstar。通过第四电阻r4和第五电阻r5进行分压，检测vstar电压。第一运算放大器amp1、第一可控开关sw1、第一电容c1、第二运算放大器amp2、第二可控开关sw2以及第二电容c2形成采样保持电路，可以将检测到的vstar电压保持转移至第二电容c2上，并进行输出。
58.还需要说明的是，实际应用中，为了消除中性点电压检测电路101出现的信号干扰，同样请参见图2，该中性点电压检测电路101还包括：第三电容c0。
59.其中，第三电容c0的一端分别与第四电阻r4的一端、第五电阻r5的一端以及第一运算放大器amp1的同相输入端-相连；第三电容c3的另一端接地。
60.实际应用中，第三电容c3可以形成快速滤波器，能够消除中性点电压检测电路101出现的信号干扰。
61.悬空相电压采集电路102用于依据采样信号和保持信号，对电机中悬空相的电压进行采集，得到电机的悬空相电压。
62.实际应用中，结合图3，该悬空相电压采集电路102可以包括：第六电阻r6、第七电阻r7、第三运算放大器amp3、第三可控开关sw3、第四电容c4、第四运算放大器amp4、第四可控开关sw4以及第五电容c5。其中：
63.第六电阻r5的一端与电机中的悬空相(图中的outx)相连；第六电阻r6的另一端分别与第七电阻r7的一端和第四运算放大器amp4的同相输入端 相连。
64.第四运算放大器amp4的输出端分别与其反相输入端-和第三可控开关sw3的一端相连；第三可控开关sw3的控制端接收采样信号(图3中的sample)；第三可控开关sw3的另一端分别与第四电容c4的一端和第四运算放大器amp4的同相输入端 相连。
65.第四运算放大器amp4的输出端分别与其反相输入端-和第四可控开关sw4的一端相；第四可控开关sw4的控制端接收保持信号(图3中的hold)；第四可控开关sw4的另一端与第五电容c5的一端相连，连接点作为悬空相电压采集电路的输出端，输出悬空相电压(图3中的bemf_ramp)。
66.第七电阻r7的另一端、第四电容c4的另一端以及第五电容c5的另一端接地。
67.需要说明的是，电机中的悬空相一般表示三相电机在换相过程中的浮动点，也即，三相绕组中未通电的绕组。
68.假设某个换相时刻，out1等于电源电压、out2接地，对应的悬空相outx为out3；依次类推，若是out1等于电源电压、out3接地，对应的悬空相outx为out2；若是out3等于电源电压、out2接地，对应的悬空相outx为out1。
69.实际应用中，通过第六电阻r6和第七电阻r7的分压检测悬空相电压。由第三运算放大器amp3、第三可控开关sw3、第四电容c4、第四运算放大器amp4、第四可控开关sw4及第五电容c5形成采样保持电路。
70.需要说明的是，第一可控开关sw1的控制端接收到的采样信号和第三可控开关sw3的控制端接收到的采样信号为一致的信号。第二可控开关sw2的控制端接收到保持信号和第四可控开关sw4的控制端接收到的保持信号也为一致的信号。
71.其中，采样信号和保持信号可以是非交叠信号。可以理解的是，采样信号和保持信号不同时为高电平。具体的，若采样信号为低电平，则保持信号为低电平；若采样信号为高电平，则保持信号为低电平。
72.还需要说明的是，第一可控开关sw1和第三可控开关sw3根据控制端接收到的采样信号，对自身的通断进行控制。其中，在采样信号为高电平时，控制自身导通；在采样信号为低电平时，控制自身关断。
73.第二可控开关sw2和第四可控开关sw4根据控制端接收到的保持信号，对自身的通断控制。其中，在保持信号为高电平时，控制自身导通；在保持信号为低电平时，控制自身关断。
74.需要说明的是，在三相电机的应用中，因为中性点电压的平均值既可以等于一半的电源电压，也可以等于零，因此该采样信号可以支持0-100％的开关占空比。
75.还需要说明的是，本技术对可控开关的具体类型不作限定，视具体应用环境和用户需求确定即可，均在本技术的保护范围内。
76.过零点确定电路103用于在中性点电压和悬空相电压满足预设过零点条件时，确定出电机的过零点。其中，预设过零点条件为：在预设采样窗口内，连续得到的两者的比较
输出结果中存在不同。
77.实际应用中，该预设采样窗口的采样次数可以是3，也可以视具体应用环境和用户需求，以其他奇数作为预设采样窗口的采样次数，本技术对采样窗口的采样次数不作具体限定，均属于本技术的保护范围。
78.其中，预设采样窗口的起始采样点可以为比较器输出信号突变点。假设比较器输出的高电平信号为1，低电平信号为0，则在多次采样比较器输出信号序列为：111010，预设采样窗口的起始采样点是该输出序列中首次出现0的点。
79.假设预设采样窗口的采样次数为3，中性点电压和悬空相电压的比较输出结果存在不同，可以是比较得到中性点电压大于悬空相电压的次数超过平均值，或者，是比较得到中性点电压小于悬空相电压的次数超过平均值。
80.其中，若在预设采样窗口内，比较得到中性点电压大于悬空相电压的次数超过平均值，则确定出电机的过零点为向上过零点。
81.若在预设采样窗口内，比较得到中性点电压大于悬空相电压的次数超过平均值，则确定出电机的过零点为向下过零点。
82.还需要说明的是，实际应用中，为了消除悬空相电压采样电路出现的信号干扰，同样请参见图3，该悬空相电压采样电路102还包括：第六电容c3。
83.其中，第六电容c3的一端分别与第六电阻r6的一端、第七电阻r7的一端以及第三运算放大器amp3的同相输入端 相连；第六电容c3的另一端接地。
84.需要说明的是，第六电容c3能够滤除悬空相电压采样电路出现的高频噪声。
85.实际应用中，结合图4，该过零点确定电路103主要包括：比较器cmp1和数字滤波器digtal filter。其中：
86.比较器cmp1的同相输入端 用于接收中性点电压(图中的bemf_ref)，比较器cmp1的反相输入端-用于接收悬空相电压(图中的bemf_ramp)。
87.比较器cmp1的输出端与数字滤波器digtalfilter的输入端相连，数字滤波器digtal filter用于在预设采样窗口内，连续接收到的中性点电压和悬空相电压的比较输出结果中存在不同时，输出过零点信号(图中的cross_zero)，以确定出电机的过零点。
88.需要说明的是，根据比较器cmp1的工作原理，比较器cmp1输出高电平时，其同相输入端 接收到的电压大于反相输入端-接收到的电压；比较器输出cmp1低电平时，其同相输入端 接收到的电压小于反相输入端-接收到的电压。
89.根据数字滤波器digtal filter的工作原理，实际应用中，数字滤波器digtal filter可以以移动平均的方式，判断连续接收到的2n 1个结果中，结果为高电平的个数是否占大多数，或者，结果为低电平的个数是否占大多数的方式，确定出电机的过零点。其中，n为正整数。
90.具体的，假设n＝2，若数字滤波器digtal filter接收到结果为高电平的个数为2、低电平的个数为1，或者，结果低电平的个数为2、高电平的个数为1，则控制自身输出一个过零点信号。
91.换言之，假设高电平表示为1，低电平表示为0。若数字滤波器digtal filter接收到的输入信号由“0”变换到“1”时，通过移动平均的方式，连续采样到的三个输入信号中“1”的个数比“0”的个数多时，输出的过零点信号为向上过零点信号。若数字滤波器
digtalfilter接收到的输入信号由“1”变换到“0”时，通过移动平均的方式，连续采样到的三个输入信号中“0”的个数比“1”的个数多时输出的过零点信号为向下过零点信号。
92.需要说明的是，数字滤波器digtal filter输出过零点信号表示过零事件的发生。实际应用中，由于噪声原因，在电机过零点附近可能产生毛刺，数字滤波器digtal filter的作用是通过一个连续的采样窗口，也即上述的预设采样窗口，连续对比较器cmp1输出的信号进行采样，当发现比较器cmp1输出的结果中，高电平个数比较多时，认为悬空相电压大于中性点电压；反之，当发现比较器cmp1输出的结果中，低电平个数比较多时，认为中性点电压大于悬空相电压。
93.基于上述，本实施例提供的电机的过零点检测芯片能够通过内建中性点电压和采集悬空相电压的方式，在中性点电压和悬空相电压满足预设过零点条件时，确定出电机的过零点，无需使用霍尔传感器，降低了系统板级的器件数量和电路复杂程度，减少了应用成本；同时还能够避免采用霍尔传感器的检测方式对密封性要求高，使用环境存在限制的问题。
94.另外，本技术提供的电机的过零点检测芯片还能够减少芯片接口的数量。
95.结合图1至图4，基于上述实施例提供的电机的过零点检测芯片，本发明具有以下实施过程：
96.1、设置控制第一可控开关sw1和第三可控开关sw3通断的采样信号为高电平，控制第二可控开关sw2和第四可控开关sw4通断的保持信号为低电平，将模拟到中性点电压转移至第一电容c1上，将采样得到的悬空相电压转移至第四电容c4上。
97.2、设置控制第一可控开关sw1和第三可控开关sw3通断的采样信号为低电平，控制第二可控开关sw2和第四可控开关sw4通断的保持信号为高电平，将第一电容c1上的中性点电压转移至第二电容c2，并进行输出；将第四电容c4上的悬空相电压转移至第五电容c5，并进行输出。
98.步骤1和2是每一次采样过程，中性点电压检测电路和悬空相电压采集电路中得到电机的中性点电压和悬空相电压的具体过程。
99.3、比较器cmp1的同相输入端-接收中性点电压；比较器cmp1的反相输入端-接收悬空相电压；比较器cmp1的输出端与数字滤波器digtal filter的输入端相连。数字滤波器digtal filter在比较器cmp1输出的信号突变后，若连续接收到的3个信号中均不为高电平或者均不为低电平，则输出一个脉冲电压，以表示电机出现过零点。
100.具体的，若在比较器cmp1输出的信号突变后，数字滤波器digtalfilter连续接收到的3个信号中的低电平信号的数量大于高电平信号的数量，则确定该过零点为向下过零点，例如，比较器cmp1输出的信号为1110101，突变后连续接收到的3个信号为010。若在比较器cmp1输出的信号突变后，数字滤波器digtal filter连续接收到的3个信号中的高电平信号的数量大于低电平信号的数量，则确定该过零点为向上过零点，例如，比较器cmp输出的信号为000101，突变后连续接收到的3个信号为101。
101.可选地，本技术另一实施例还提供了一种电机，请参见图5，该电机主要包括：电动机本体201、换相驱动电路202以及如上述任一实施例所述的电机的过零点检测芯片203；其中：
102.电机的过零点检测芯片203用于检测电动机本体201的过零点。
103.换相驱动电路202用于根据电机的过零点检测芯片203检测到的过零点，有序控制电动机本体201工作。
104.实际应用中，该电机可以是三相无刷直流电机，可以是其他需要检测过零点的三相电机，本技术对电机的具体类型不作限定，均属于本技术的保护范围。
105.需要说明的是，关于电机的过零点检测芯片203的相关说明，请参见图1至图4对应的实施例，此处不再赘述。
106.还需要说明的是，关于电机中电动机本体201、换相驱动电路202的相关说明，参见现有技术即可，此处不再赘述。
107.本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
108.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
109.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
110.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。