无刷直流电机转子位置检测方法综述*

赵一衡，顾伟康，陈亚彬，曹 翔

(1.新疆电力工程监理有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 838000； 2.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

无刷直流电机转子位置检测方法综述*

赵一衡1，顾伟康2，陈亚彬2，曹 翔2

(1.新疆电力工程监理有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 838000； 2.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

由于受到传统开关器件的限制，大电流开关电源存在功率小、效率低等问题，因此在对PWM软开关技术进行分析后，利用AT89C52单片机的中断方式输出频率和占空比可调的PWM脉冲，控制大功率开关管GT40T101的通断，从而实现以模拟继电器的方式控制电路的通断。通过搭建电路验证了PWM软开关在控制大功率电源方面的优越性，对于实际的电气工程应用具有一定的参考价值。

单片机；IGBT；模拟继电器；人机交互系统

0 引 言

无刷直流电机因其结构简单、运行可靠、效率高、使用寿命长等优点在医疗、航空、家电、军用等各个领域得到了越来越广泛的应用。传统的无刷直流电机采用位置传感器检测转子位置，这不仅增加了成本和电机的体积和复杂程度，对安装工艺也提出了很高的要求，而且在一些特殊场合如高温高压环境中，有位置传感器会大大降低系统的可靠性。因此，无位置传感器的转子位置检测方法成为近年来研究的热点。

笔者分类总结了无刷直流电机无位置传感器转子位置的检测方法，详细分析了各种有效的检测手段，这对研究新方法和实践应用都具有指导意义。

1 反电势法

反电势法是目前最常用的一种转子位置检测方法。通过检测电机旋转时非导通相的反电动势，并对其做适当的处理就可以获得转子位置信息。按照对反电动势处理方法的不同，反电势法可以分为反电势过零检测法、反电势积分法、反电势三次谐波法和续流二极管法。

1.1 反电势过零检测法

无刷直流电机工作在两相导通星形三相六状态工作模式下时，反电势波形和电流波形如图1所示。

图1 BLDCM正常工作时反电势和电流相位图

由图1可以看出，只要检测各相反电势的过零点，再延迟30°电角度即对应换相时刻，这就是反电势过零检测法的原理。目前研究的重点在与如何获得反电势过零点和如何保持相移角度不变。由于电机中性点一般不引出，因此反电动势过零点需要通过方法间接得到。

文献[1]率先提出了反电势过零检测的方法。文中首先用电阻网络构建了虚拟中性点获得相电压，通过RC滤波电路产生30°的相移，再送到比较器产生换相信号。由于滤波电路所产生的相移与转速有关，在整个调速范围内会产生换相误差。文献[2]利用开关电容滤波器代替传统的滤波器，实现了不依赖转速的固定延迟。文献[3]采用超前90°换相方法，能对相位误差实时修正，同时避免了计算机相位修正的复杂性。文献[4]提出了一种端电压检测方法，通过在上桥臂关断时读取非导通相的端电压，然后和“0”比较来获得换相点。这种方法不需要构建虚拟中性点和滤波电路，但只适用于上桥臂调制，下桥臂恒通的方式，并且在占空比高时不能实现可靠的过零点检测。文献[5]针对这个问题提出了一种解决方案，当占空比低时，在PWM关断期间检测反电势过零点，比较器参考电压为0V，当占空比高时，则在PWM开通期间检测反电势过零点，比较器参考电压为Vdc/2。这种方法可以实现满占空比运行，拓宽了电机的调速范围，但控制显然更为复杂。

反电势过零检测法师目前最成熟，应用最广泛的一种无位置检测方法。但这种方法也存在以下缺点：

(1) 反电动势与转速成正比，在转速很低甚至为零时不能通过检测反电势来得到过零点信号，故这种方法限制了电机的调速范围，起动困难。

(2) 续流二极管续流时产生的电压脉冲可能会淹没反电势信号，尤其在高速、重载情况下更为严重，可能使得反电势法无法检测。

1.2 反电势积分法

反电势积分法是在过零时刻开始对非导通相反电势进行积分，并与设定的阈值进行比较，从而确定换相时刻的方法。反电势积分结果与反电势波形有关而与电机的转速无关，通过调整阈值大小可以实现超前或滞后换相。但该方法也有以下缺点。

(1) 积分引起的累积误差会影响系统低速时的运行性能。

(2) 不同型号的电机具有的反电势波形不可能完全一样，导致阈值的大小不具有通用性。

1.3 反电势三次谐波法

对于无刷直流电动机，定子绕组反电势为梯形波。该梯形波经Fourier级数分解后，除基波外还含有大量丰富的高次谐波。其中三次谐波分量占的比例最高，其他高次谐波含量与三次谐波分量相比幅值很小可以忽略。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的120°电角度，其相邻两次过零点间隔60°电角度，正好与电机相邻两换相点的时间间隔相等，只是相位相差90°电角度。因此，将反电势的三次谐波分量移相90°电角度以后，得到的信号就可以作为转子位置信号，其每个过零点均对应着一个换相点,如图2所示。

图2 转子磁通三次谐波与反电势基波关系

反电势三次谐波的检测有两种方法：一是在星形连接的绕组三端并联一组星形连接电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波[6]。当电机没有引出中性点时，可以采用另一种方法——通过星形连接电阻的中性点和直流侧中点之间电压来获得三次谐波[7]。

这种方法与直接反电势过零检测法相比有更宽的运行范围，不需要滤波电路，实现简单。但是在转速很低时检测到的三次谐波畸变严重，不能估计转子位置，所以在低速时需要额外起动程序。

1.4 续流二极管法

续流二极管法[8]，通过检测反并联在功率管两端的续流二极管的导通情况来确定电机的换相时刻。无刷直流电机在二二导通方式下，三相中总有一相是断开的，通过对逆变器功率管加以特殊时序的斩波控制信号，使电机绕组的续流电流沿着特定的回路流通。当断开相的反电势过零时，与断开相功率管并联的续流二极管中将流过续流电流，通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定绕组反电势的过零点，从而得到电机的转子位置信号。

续流二极管法本质上也是检测绕组的反电动势，检测灵敏度相对较高，在一定程度上拓宽了电机运行范围。但是该方法不仅具有反电势过零点检测法的所有缺点，而且还有如下缺点。

(1) 续流二极管法要求逆变器上下桥臂处于轮流导通的工作模式下，控制难度大。

(2) 需要对每个反并联的续流二极管上加上电流检测装置，增加了成本和硬件电流的复杂度。

2 电感法

无刷直流电机定子绕组电感是转子位置和相电流的函数。通过对定子绕组施加高频电压脉冲，检测产生的电流幅值大小就可以知道电感的差异，进而判断出转子磁极所处的位置。这种方法在电机静止或低速时具有较好的检测效果，随着转速的增大，检测误差也越来越大，甚至会导致电机失步。此外，该方法需要频繁的检测绕组电感，实时性要求比较高，实现难度大。

3 磁链估计法

磁链估计法[9]是通过检测电机电压和电流参数来估算出磁链，再根据磁链与转子位置之间的关系估算出转子位置。文献[10]中利用两个电流环来估算转子位置。其中外环用于位置的预测、估算和校正，内环用最新预测到的转子位置来校正磁链计算。这种方法可以得到连续的转子位置信息，并且转子的位置信息与转速无关，可以从接近零速到高速范围内实现准确换相，大大拓宽了电机运行调速范围，但该仍具有以下缺点。

(1) 这种方法计算磁链时需要知道电机的电感参数，而电感是一个与转子位置相关的参数很难精确测量。

(2) 计算量太大，对电机参数敏感。

4 状态观测器法

状态观察器法是以电机转速、位置角、电压、电流等参数作为状态变量，在此基础上建立数学模型，通过数字滤波得到电机参数的离散值，进而确定转子位置实现对电机的控制。状态观测器法能够比较好的解决无刷直流电机重载、高速等情况下难以控制的问题，同时有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的工作条件。但是状态观测器法需要大量的实时计算，这对微机的性能提出了较高的要求。正因如此，这种方法虽早已提出但应用并不广泛。随着DSP等高性能芯片的推出，这种方法将得以更容易的实现。

5 其他无位置传感器检测方法

除上述几种方法外，许多国内外学者还提出了其他一些无位置传感器无刷直流电机的位置检测方法。如通过改变电机结构实现转子位置检测的涡流法(将非磁性材料铝片贴在转子表面，通过检测因该材料中涡流效应造成的断开相电压变化来估计转子位置的方法)和电流法(根据电流波形决定换相时序的方法)等[11]。这些方法实现难度较大，检测误差比较大，只适用于一些特殊场合。

随着控制理论的不断发展，人工智能控制应用在无位置传感器控制中已经成为一种新的趋势。许多现代控制理论均被用于无刷直流电动机的控制中，如模糊控制、神经网络控制和专家系统控制等。文献[12]使用BP神经网络算法，将测量得到的相电压、相电流数据作为网络输入，将电机转子位置作为网络输出，得到电机转子位置。利用转子位置信号估计磁链，并利用估计磁链和实际磁链的差值修改网络的权重，在此基础上修正转子位置信号。文献[13]采用模糊控制算法来获得电机的转子位置，利用电流观测器来观测电流，并利用实际电流和观测电流的差值通过模糊逻辑函数估计出转子的位置。这些方法在理论上还需要进一步研究，技术上实现还有一定困难。然而，随着微处理器和DSP技术的发展和控制理论的不断成熟，智能控制方法必将进一步推动无刷直流电动机控制技术的发展。

6 结 语

详细介绍了多种无刷直流电机无位置传感器检测方法，并分析比较了它们的优缺点。从目前来看，基于反电势及其各种改进修正方法还是技术最成熟、应用最广泛的检测方法。虽然这种方法在低速时的性能还有待提高，但是由于结构简单，实现方便，对控制器要求低，使得该方法成为无位置检测方法中的主流。各种基于现代控制理论和微电子技术的先进检测算法方案虽然在调速范围和精度上要远远高于传统的反电势法，但是其复杂的控制算法高性能的处理器要求，使得这些方法的成本比较高，只适用于对性能要求很高的场合。

[1] T.endo,F.Tajima.Microcomputer-Controlled Brushless Motor without a Shaft-mounted Position Ssensor[C]. IPEC-Tokyo,1983:1477-1488.

[2] 邹继斌，江善林，张洪亮．一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法[J]．电工技术学报，2009，24(4)：48—53.

[3] 张 扬，卢 旺，孙昌志. 反电动势法无刷直流电动机位置检测误差分析及补偿[J]. 自动化技术与应用，2009,28(5):72-74.

[4] Jianwen Shao. A Novel Microcontroller-based Sensorless Brushless DC(BLDC) Motor Drive for Automotive Fuel Pumps[J].IEEEtrans. on industry application, 2003,39(6):1734-1740

[5] Shao J, Nolan D. Further improvement of Direct Back EMF Detection for Sensorless Brushless DC(BLDC)motor drives[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition, March 2005. APEC 2005.Twentieth Annual IEEE, 2005(2): 933-937.

[6] J.C.Moreira. Indirect Sensing for Rotor Flux Position of Permanent Magnet AC Motors Operating over a Wide Speed Range[J]. IEEE trans. on Industry application, 1996, 32(6)：401-407.

[7] J.X.Shen, Z.Q.Zhu,David Howe. Sensorless F lux-Weakening Control of Permanent Magent Brushless Machines Using Third Harmonic Back EMF[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2004:1629-1636.

[8] Ogasawara S, Akagi H. An Aproach to Psition Snsorless Dive for Bushless DC Mtors[C]. IAS Annual Meeting.1990:443-447.

[9] Tae-Hyung Kim, Mehrdad Ehsani. Sensorless Ctrol of the BLDC Mors from Nr zero to Hgh Seed[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004(19):1635-1645.

[10] N.Ertugrul, P.Acarnley. A Nw Agorithm for Snsorless Oeration of Prmanent Mtors[J].IEEE trans. on Industry Application,1994,30(1):126-133.

[11] 李 强. 无位置传感器无刷直流电动机运行理论和控制系统研究[D].南京: 东南大学, 2005.

[12] F.Huang, D.Tien. A Neural Network Approach to Position Sensorless Control of Brushless DC Motors[C]. Proc. Of the 1996 IEEE IECON 22th Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1996(2):1167-1170.

[13] Byoung-Gun Park, Tae-Sung Kim, Ji-Su Ryu. Fuzzy Back-EMF Observer for Improving Performance of Sensorless Brushless DC Motor Drive[J]. Applied Power Electronics Conference and Exposition,APEC '06.Twenty-First Annual IEEE. 2006: 674-678

Summary on Rotor Position Detection Method for Brushless DC Motors

ZHAO Yi-heng1, GU Wei-kang2, CHEN Ya-bin2, CAO Xiang2

(1.XinjiangElectricalPowerEngineeringSupervisionCo.，Ltd,UrumchiXinjiang838000，China；2.SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096，China)

The brushless DC motor (BLDCM) is an advanced mechanical electronic device. Rotor position detection method is an important part of the BLDCM. Traditional method with position sensor is not suitable the need for the current applications because of its own shortcomings, so the position detection method has been the research hotspot recently. The basic principle and research situation of sensorless detection methods are introduced, and their advantages and disadvantages are compared. It provides a certain theoretical basis for researching on sensorless and has certain value.

brushless DC motor；sensorless；rotor position detection

2014-01-02

赵一衡(1984)，男，陕西榆林人，工程师，主要从事电力工程监理方面的工作。

TP23

A

1007-4414(2014)02-0195-03