无位置传感器技术在BLDCM控制系统设计中的应用

镇江市高等专科学校 电子信息系 薛 锋

无位置传感器无刷直流电动机（BLDCM）不直接检测转子磁极位置，与有刷电机相比，既减少了位置传感器，又简化了电动机本体结构。本文，笔者以某BLDCM控制系统设计为例，对无位置传感器技术在该系统中的应用进行了分析，以期对同行有所参考。

一、无位置传感器无刷直流电动机工作原理

无刷直流电动机特别适用于小型和轻载电气设备的启动，被广泛应用于空调、洗衣机等电器设备中。无位置无刷直流电机通过在无刷直流电机上安装霍尔元件、光电码盘等装置，直接检测电机转子的位置；或者通过检测电机的磁链、电流和电压等物理量，间接地获得电机的转子位置。由于不是直接检测电机转子的位置，因此被称为无位置传感器无刷直流电动机。

二、某BLDCM控制系统总体设计

系统采用单片机做主控芯片，无位置传感器位置检测电路模块将检测到的转子位置信号处理后送入控制器，单片机根据静止转子的具体位置产生相应的PWM波，进而驱动三相逆变器电路工作，最终实现无刷直流电机的平稳启动，其中电流闭环用于辅助调节电机参数。系统总体设计如图1所示。

三、无位置传感器转子位置检测方法

常见的位置检测方法有状态观测器法、反电动势法、锁相环技术法、第二相导通法、电感法、电流法和磁链估计法等，本文，笔者采用结构简单、可靠性高的反电动势过零检测法。在无刷直流电动机中，绕组的反电动势呈正负交替变化，反电动势的大小取决于转子直线是否与该相绕组轴线重合，因此只要精确检测到各相反电动势的过零点就可以判断出转子位置，从而控制电子换向开关的动作，实现无位置传感器对BLDCM的控制。对于反电动势为梯形波的无刷直流电动机来说，由于在任意时刻只有两相导通，而另一相悬空，因此，可以检测出悬空相的反电动势，而悬空相反电动势的过零点再延时 30°即为换流的关键时刻。无刷直流电动机定子绕组采用星形接法，其电枢绕组的反电动势波形为梯形，为保证每个时刻有一相断路，系统采用两两导通、三相六状态 PWM调制方式，每个时刻有2个功率管导通，每相绕组正反向分别导通 120°电角度。

四、系统主要硬件模块电路设计

1.无传感器位置检测电路设计。三相逆变电路及过零检测电路结构如图2所示。

该电路结构可以忽略无刷直流电动机电枢反应的影响，这样通过检测未导通相的反电动势过零点就可以获取转子的位置信号，并将此信号作为逆变桥功率器件的触发信号，轮流触发实现电机换相，驱动电机运转。

2.PWM控制模块电路设计。PWM控制模块主要有AVR单片机及A/D转换电路组成。无位置传感器检测电路输出的信号，通过A/D转换进入AVR单片机I/O口，由单片机反馈产生相应的PWM波形，作用于三相逆变电路。

3.软件设计。系统软件设计主流程图如图3示。

系统上电时，单片机判断用户是否要启动电机，如果不启动则整个系统处于待命状态；如果启动，首先初始化单片机硬件资源及外围电路，判断此时转子位置，进而调整功率管的启动顺序，使电机平衡启动，然后不断查询用户的给定信号，进入调速状态。如果有停止命令则关闭驱动电路。

在无刷直流电机调速系统中，转子位置的检测十分重要，由于测速装置安装位置、转速和频率的限制，传统位置检测电路已经不能满足要求。实践证明，本文，笔者给出的无位置传感器无刷直流控制系统设计方案，结构简单，性能可靠，经济实用，具有一定的市场推广价值。