反电势检测方法在无刷直流电动机中的应用

兰州理工大学（甘肃兰州730050） 王兴贵 黄志勇 孙宗宇

1 引言

在梯形波磁通分布的无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称BLDCM）中，任意时刻总是两相导通，另一相可做传感器使用，因此适合进行无位置传感器控制。而常用的位置检测方法有：反电势法、扩展卡尔曼滤波法、磁链估计法等。其中，反电势检测法具有算法简单、易实现、可靠性高等优点而被广泛的采用[1]。该方法是利用电机旋转时各相绕组中反电势过零点信号来控制电机换相。本文着重研究反电势法在无位置传感器BLDCM中的应用。

2 反电势过零检测法

2.1 反电势检测原理

电机运行时，由于定子绕组切割转子磁场，在定子绕组中产生反电势e。e的大小正比于电机的转速和气隙磁密，并随转子极性的改变而改变。当e的正方向确定后，e随转子极性的改变而出现正负变化。在两相导通三相六状态全桥驱动电路中，假设导通相流过的电流为矩形波，则在定子三相绕组中将产生梯形波反电势 e，如图 1所示。从图中可以看出，理想状态下e的过零点超前电机换相点30°电角度。因此只需将检测到反电势的过零点延迟 30°电角度，即可作为电机的换相信号。然而实际应用中，直接检测定子绕组反电势e具有检测电路复杂，不易实现的缺点。因此，本文中通过检测BLDCM绕组端电压的方法间接得到反电势的过零点，即端电压法。

2.2 端电压法的等效分析

端电压法即将BLDCM中性点电压作为电压基准，以端电压的过零点作为换相信号。然而，大部分BLDCM都没有中性点引出线，不能直接检测出中性点电压，因此需要重构电动机的中性点。分析BLDCM的等效原理图，如图2所示：

当A、B相导通C相悬空时，电压平衡方程如下[2]：

（Un重构中性点电压）

可知，若以 Un作为重构的电机中性点电压，即基准电压，则端电压 Uc的过零点信号与反电势 ec的过零点信号重合。因此可以通过检测 Uc的过零点信号间接得到 ec的过零点信号。

同理，当A、B相分别悬空时，可得 A、B相的反电势过零点信号，且分别超前C相120°和240°电角度。

2.3 反电动势检测电路

基于上述原理设计检测电路如图3所示。Ua、Ub、Uc分别为采样的电机定子三相绕组端电压，经低通滤波器连接于比较器的同相输入端；并将 Ua、Ub、Uc的平均值作为电机重构的中性点电压，连接于比较器的反相输入端；经比较器比较后输出电机三相换相信号 Sa、Sb、Sc。其中低通滤波环节可以滤除PWM斩波和换相时由于绕组电流引起的电抗电势等干扰信号。换相信号 Sa、Sb、Sc是通过捕获口送入单片机，由捕获单元测得转子刚转过180°电角度所用的时间。然后由单片机根据该时间使换相信号延迟一定角度，使其与电机换相点重合。图4为理想情况下检测电路中 Va、Vb、Vc、UN波形，和输出的转子位置信号 Sa、Sb、Sc。

3 PWM调制方式对换相信号的影响

由上述可知，端电压法是以采样的端电压作为检测电路的输入信号，经检测电路生成换相控制信号。然而，在电机换相时刻，端电压信号中含有关断相续流引起的感应电势，使其波形发生畸变，影响检测电路输出正确的换相信号[3]。本文中分析了常用的三种 PWM调制方式：PWM-ON、 H-PWM-L-ON、H-PWM-L-PWM对端电压

信号的影响，通常也把前两种称为单斩方式，后一种称为双斩方式。下面以B、C相下桥臂换相为例，分析在PWM斩波关断期间（导通期间三种方式续流情况相同）单、双斩方式续流情况，如图5所示，图5（a）电压平衡方程如下[2]：

比较（5）、（6）式，可得两种调制方式下B相续流变化情况如表1所示。

在PWM斩波导通期间，即开关管V1、V2导通时，电动机端电压随Ui变化。由表1可知在B、C相换相期间，双斩调制方式下Ui波动较大，从而电动机端电压波形同样有较大的畸变，不适合应用于反电势检测方法。因此本文采用单斩调制方式控制电动机换相。

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3 电机起动过程

无位置传感器BLDCM静止状态下，转速为零，其定子绕组中没有反电势产生，转子初始位置不能确定。因此，必须采用离线的方法使BLDCM达到一定的转速，当反电势足够大时再切换到自同步运行方式，即无位置传感器控制方式。本文中采用同步起动方法，即首先给任意的两相定子绕组通电，将转子定位到已知的位置，然后由控制器离线给出频率逐渐增加的换相信号，使电机加速[1]。控制器产生的同步信号计算方法如下[4]：

n——为电机转速；

P——电机转子极对数；

Tx——同步信号周期；

起动测试结果表明，电机转速在300r/min到1000r/min之间进行状态切换效果最佳。

5 实验结果分析

为了验证上述对无位置传感器BLDCM反电势检测方法分析的正确性，设计了如图6所示的实验系统。本系统以小型BLDCM作为控制对象（额定参数：24V、30W、3200r/min、P=2）；控制核心采用电机专控单片机；逆变器按传统六开关拓扑结构构建。

图7为实验中检测电路测到的 UN、Va及其输出的换相信号Sa波形。可以看出在 UN和 Va的交点处，Sa出现正负跳变，与分析结论吻合。但由于低通滤波器的存在，Va波形不再是理想的梯形波，而是变的比较平滑。

图8为以上三种调制方式下电动机A相端电压实测波形。（c）图中端电压毛刺明显大于（a）、（b）图，可见双斩调制方式下端电压畸变大于单斩调制方式下端电压畸变，与分析结果吻合。电动机运行结果也表明，当转速相同时，单斩方式下电机运行稳定、噪声小。

在PWM-ON和H-PWM-L-ON两种单斩调制方式下，端电压波动较小。但是从开关损耗和散热角度来看，PWM-ON调制方式下每个开关管轮流导通、常开和关断，可以均匀地散热，因此PWM-ON调制方式比较好。

6 结论

本系统通过采用PWM-ON调制方式，实现了BLDCM的稳定运行和无失步换相的目标。并通过同步起动方式，完成BLDCM静态时的起动。实现反电势检测法在无位置传感器BLDCM中的应用。

[1]张磊,翟文龙,陆海峰,肖伟.一种新颖的无刷直流电机无位置传感器控制系统[J].电工技术学报,2006.

[2]杨燕,焦振宏,王崇武,袁林兴.PWM调制方式对无刷直流电动机反电势的影响[J].微电机,2006.

[3]刘军,李天舒.无刷直流电机的反电势法研究[J].电器技术,2006.

[4]Kenichi Iizuka et al..Microcomputer Control for Sensorless Brushless Motor.IEEE Trans.IND.Appl.,VOL.IA-21,MAY/JUNE 1985.

[5]解恩,刘卫国,杨前,候红胜.无刷直流电动机电流波形分析[J].微特电机,2007.