无位置传感器无刷直流电机的换相方式研究

刘筠

[摘  要]本文重点围绕无刷直流电动机的转子位置检测来进行讨论，着重介绍了目前应用和研究较多的几种常规方法的基本原理、实现途径、应用场合以及优缺点等，并对它们作了综合分析和比较。

[关键词]无刷直流电动机;无位置传感器;转子位置

中图分类号：TM33 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）24-0304-01

0 引言

传统的位置检测方法是采用电子或机电式的位置传感器来获得所需的转子位置信号。如磁敏式的霍尔位置传感器、光电编码器、旋转变压器等。由于传感器的引入，增加了电气连接线数目，使得整个系统的可靠性降低，也增加了电机制造的工艺要求和成本。所以用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势，如何对电势或电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的逻辑运行，都是目前课题的研究任务。

1 反电势法

1.1 直接反电势过零法

由于定子绕组的反电动势随转子位置的改变而变化，利用在定子绕组中感应出的反电动势，可以得到转子的位置。这种方法一般需要在电机的三相端电压进行检测或者计算出反电动势，从而得到转子的位置信号。该方法在120°运行的方波直流电动机中最为常用，因为在这种类型的无刷直流电动机中，任何瞬间3个绕组中只有2个导通，未导通相绕组的端电压即为反电动势信号。针对这一特点，可以利用未导通相的端电压来检测转子的位置。其中一种方法是将检测到的反电动势信号的过零点直接移相30°，对逆变器的6个功率管进行控制，称为直接反电动势法。

此种方法虽然比较简单，但有两个主要缺点：1）反电势幅值与转速有关，所以在低速和电机启动时，反电势幅值很低或者为零，很难通过检测反电势幅值额得到正确的换相信号，所以仅在稳定运行时准确度较高。2）由于此方法在原理上做了近似处理，忽略了无刷直流电机的电枢反应，而实际反电势的过零点与合成的气隙磁场产生的感应电势的过零点并不重合，所以得到的换相信号存在一定误差。

1.2  改进型反电势法

针对上述直接反电势检测法的缺陷，在很多文献中都提出了一种改进方法。他们都是将直流电压分压为的二分之一，而不是三项端电压合成电压（中性点电压） 作为参考电压，所以不需要进行滤波，也没有相位滞后。同时提出的电路并不是对每个换相信号进行采样比较，而是对三路信号进行采样，三个信号进行60°强制换相交替进行，简化了控制方法，也增加了可靠性，能够在一定程度上避免因为换相信号不准确而造成的电机失步。

1.3  反电势积分法

与反电势过零检测相比，也有很多研究提出了另一种检测方法，反电势积分法。这种方法的基本思想是：在传统的反电势法中，反电势过零点滞后30°为电机的换相点，而无刷直流电机每隔60°换相一次，此法在反电势过零点再经过90°后开始换相，而积分电路恰恰能够满足电流超前电压90°的关系，所以采用积分电路来实现转子磁极位置的检测，由积分器的输出与参考电压进行比较，从而得到换向信号，原理如图3所示。

与传统的反电势法相比，反电势积分法因为换向延迟角度与积分电路延迟角度恰好相等，不像反电势法延迟角度过大而容易造成电机失步。所以这种方法的控制性能更好，电机的运行特性也更稳定。在低转速或者启动时可以采用倍频倍压的方法使得反电势易于检测。

2 新型位置检测技术

2.1 定子电压三次谐波法

定子电势三次谐波检测方法也是一种新颖的检测转子位置的方法，把每相反电势通过傅里叶分解，最后把三相相电压相加，结果为三次谐波与高次谐波（9次，15次……）之和。其中三次谐波占整个基波幅值的66%，通过滤波器滤除高次谐波即可得到三次谐波信号。把提取的三次谐波信号进行积分可得到转子磁通三次谐波信号。

与反电势法相比，定子三次谐波法反电势三次谐波频率是基波三倍，因此在低速是更容易检测，扩大了电机的运行范围，特别是改善了电机低速时的运行特性;三次谐波信号高次谐波的含量少，幅值小，容易滤除，所以滤波器简单，容易实现。所存在的问题是：这种方法必须要有中心点电压来获得三次谐波信号，在中性点电压不便引出得情况下不方便使用此方法。

2.2 电流变化率法

方法通过取2个电流传感器检测电机绕组两相的实际电流的绝对值，得到实际母线电流的幅值，再和母线参考电流进行比较。该方法源于电机导通阶段内电流幅值并不是突变，而是逐渐上升这一原理，检测电流变化的斜率，根据斜率变化中包含的信息计算功率管的6个换向时刻。通过检测电流变化率的斜率来检测电势变化位置从而获得位置信号，在每一个相反电势变化率为零的时候即为换向位置。

电流法的实现主要依赖于传感器的精度，一般情况下，传感器能够较好地获得电流大小（即平均值）的信号，而对电流相位和波形的细小变化则很难能够检测到，而且开关频率以及控制器运算速度也对电流法制约较大，因此应用较少。

2.3 续流二极管法

续流二极管法的基本原理是通过检测监视三相逆变器里的电流通路来获得转子位置信号。通常研究的无刷直流电机采用星形连接三相两两导通方式，三相绕组中总有一相处于断开状态，于是判断六个续流二极管的导通就可获得六个功率晶闸管的开关顺序，其本质还是反电势法，在每个功率器件导通的120°内前60°实行PWM斩波控制。

这种方法存在如下几个比较突出的缺点：1）它要求逆变器必须工作在上下功率器件轮流处于PWM斩波方式，控制难度加大;2）它必须从软件、硬件两方面去除二极管续流导的无效信号和因毛刺干扰而产生的无导通信号;3）未检测二极管导通情况必须提供六路独立电源，增加了电路复杂程度然而并没有改善工作性能。

2.4 卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波器法的思想是从一组有限的对物体位置的包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度。状态观测器法是现代控制理论发展应用于无刷直流电机上的一种新型的控制方法，它的基本原理是：打破了传统方法中电压电流与转子位置的关系，从无刷直流电机的基本方程经过离散变换得到以输入转矩，系统噪声为参数的关于转速与位置角度的状态方程，然后根据卡尔曼滤波公式和无刷直流电机模型，确定经变换后的各个参数的维数，带入卡尔曼递推公式就可以得到经过卡尔曼滤波之后关于转速和角度的预测方程。

这种方法由于在算法上的理论支持，所以能够较好的滤除掉系统产生的干扰信号，对转子位置的预测也比较准确。但是其应用并不是很广泛，因为算法复杂导致软件编写困难以及对控制器运算速度的要求较高，增大了开发成本。

3 结语

本章论述了永磁无刷直流电机无位置传感器控制的研究现状，着重分析了目前应用和讨论较多的几种转子位置信号检测方法：以反电势法为基础的直接反电势法、改进反电势法与反电势积分法，以及三次谐波法、电流变化律法、续流二极管法、卡尔曼滤波法等具有代表性的新型位置检测技术。介绍了上述方法的基本原理和优缺点，并对它们作了综合分析和比较。