無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機控制系統設計與實(shí)現

引言

　　傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱(chēng)為直流無(wú)刷電機。直流無(wú)刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來(lái)實(shí)現有效的定子電流控制。而且，對于轉速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無(wú)刷電機矢量控制的基礎，但是，位置傳感器的存在也給直流無(wú)刷電機的應用帶來(lái)很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會(huì )增加電機的體積和成本；其次，連線(xiàn)眾多的位置傳感器會(huì )降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規的位置傳感器根本無(wú)法使用；最后，傳感器的安裝精度還會(huì )影響電機的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是近30年來(lái)無(wú)刷直流電機（BLDCM）研究的一個(gè)重要方向。論述了國內外BLDCM無(wú)位置傳感器控制的研究現狀。著(zhù)重介紹了目前應用和研究較多的幾種常規方法的基本原理、實(shí)現途徑、應用場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對它們作了綜合分析和比較。無(wú)位置傳感器控制就是在沒(méi)有機械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時(shí)，作為逆變器開(kāi)關(guān)換向導通時(shí)序信號的轉子位置信號仍然是必不可少的，只不過(guò)不再由位置傳感器來(lái)提供，而應該由新的位置信號檢測措施來(lái)代替，即以提高電路和控制的復雜性來(lái)降低電機結構的復雜性。

　　目前，BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究的核心是構架轉子位置信號檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉子位置信號，從而觸發(fā)導通相應的功率器件，驅動(dòng)電機運轉。到目前為止，在眾多的位置信號檢測方法中，應用和研究較多的主要有定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀(guān)測器法等。

　　1基于反電勢的轉子位置檢測方案

　　無(wú)刷直流電機（BushlessDCMotor，BLDCM）具有無(wú)換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場(chǎng)合得到了廣泛應用。但是傳統的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來(lái)控制轉子位置，這給其應用帶來(lái)了很多不利的影響。BLDCM的無(wú)位置傳感器控制在近30年中一直是國內外較為熱門(mén)的研究課題［1］。目前，對于BLDCM的無(wú)位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應用場(chǎng)合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現方法，例如定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀(guān)測器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究現狀的基礎上，詳細介紹了目前應用和研究較多的幾類(lèi)方法的基本原理、實(shí)現途徑、應用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　當電機速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內某相反電勢為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1所示通過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)反電勢的斜率來(lái)區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過(guò)零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補償。

圖1反電勢過(guò)零點(diǎn)

　　在任一時(shí)刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2所示為W相用于反電勢檢測時(shí)的情況。當U相內流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流），V相內流經(jīng)負相電流時(shí)，對應圖1中區間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設通電相的兩端總是對稱(chēng)地分別連接到DC電源地兩個(gè)端點(diǎn)上，則星型連接中心點(diǎn)的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個(gè)通電相繞組上的電壓極性無(wú)關(guān)。

　　上述方法很容易通過(guò)硬件實(shí)現，即通過(guò)分壓電路對三相的端電壓和VDC分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻即為1/2VDC的時(shí)刻。使用一個(gè)可用的定某相反電勢經(jīng)過(guò)時(shí)器測量60°（即兩次反電勢過(guò)零點(diǎn)之間）的時(shí)間。