無位置傳感器的直流無刷電機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

引言

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機。直流無刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來實現(xiàn)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刷電機的應用帶來很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，即便是現(xiàn)在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；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(guī)的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　無位置傳感器控制技術是近30年來無刷直流電機（BLDCM）研究的一個重要方向。論述了國內(nèi)外BLDCM無位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實現(xiàn)途徑、應用場合以及優(yōu)缺點等，并對它們作了綜合分析和比較。無位置傳感器控制就是在沒有機械式位置傳感器的情況下進行的控制。此時，作為逆變器開關換向導通時序信號的轉子位置信號仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應該由新的位置信號檢測措施來代替，即以提高電路和控制的復雜性來降低電機結構的復雜性。

　　目前，BLDCM無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、速度無關位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀測器法等。

　　1基于反電勢的轉子位置檢測方案

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

　　當電機速度大于零時，每個電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1所示通過過零點時反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對應電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進行補償。

圖1反電勢過零點

　　在任一時刻只有兩相通電，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的情況。當U相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V相內(nèi)流經(jīng)負相電流時，對應圖1中區(qū)間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關。

　　上述方法很容易通過硬件實現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC分別進行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經(jīng)過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。