无位置传感器无刷直流电机启动系统研究

王哲　闫学文　梁亮

摘 要：无位置传感器无刷直流电机具有启动时间长，传统的电机启动方法容易使得电机失步，带负载启动能力弱等特点。根据无刷直流电机定子铁心的饱和效应，这里采用三段式中的初始位置预定位法进行转子预定位和两步短时脉冲法进行转子加速。该方法能够快速得到转子的位置，并且在不失步的情况下得到初步速度，建立较低的反电动势，进而切换至反电动势控制方式运行。

关键词：无刷直流电机；转子预定位；两步短时脉冲定位加速法

中图分类号：TM332 文献标识码：A

1 前 言

无刷直流电机因其调速特性好、无换向火花、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点得到了广泛的应用[1]。无刷直流电机的类型很多，从有无位置传感器可以分为无位置传感器的无刷直流电机和有位置传感器的无刷直流电机。有位置传感器的无刷直流电机在其启动时无需特殊注意。但是因为无位置传感器的无刷直流电机在体积和生产成本上与有位置传感器的无刷直流电机有着无可比拟的优势，所以无位置无刷直流电机在生产和生活中的应用越来越得到人们的重视，而其如何启动也就顺理成章的成为了人们的研究对象[2]。

在对于无位置传感器无刷直流电机常用的启动方法包括三段式启动法，升频升压同步启动法。其中三段式启动法简单，但是实验调试特别的复杂，要依靠大量的经验施加电压矢量，而且还容易受到负载条件的影响，很容易使得启动失败，甚至发生倒转，存在严重的安全隐患[3]。升频升压发启动比较可靠，但是没有严格的换向信号作为指导，虽然可以携带一定的负载进行启动，但是附加的启动电路增加了电机的尺寸，降低了系统的可靠性，也不是这类电机启动的最佳选择[4]。

本文提出了一种基于结合传统三段式法的转子预定位法和两步短时脉冲加速法，两步即可使得电机顺利启动，最后根据反电动势建立完整的控制系统，整个过程简单易行，大大降低了电机启动失败的概率。

2 短时脉动法的理论基础

本文所研究的无刷直流电机的结构如图1所示，无刷直流电机电机的转子位于整个电机的中心，是由永磁体组成的，而定子则是由缠绕于铁心的线圈而成，结构如图所示。

转子即永磁体有N和S不同的极性，而在外部缠绕在铁芯上的线圈在外部电路的控制作用下产生不同的磁场，两个磁场相互作用，使得转子转动[5]。

计算技术与自动化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：无位置传感器无刷直流电机启动系统研究

这里线圈缠绕在铁心上形成定子，当外加磁场作用于线圈时，电感L的值会随着磁场的大小和方向的变化不断的变化。当线圈中通过的电流和转子的磁场保持一致时，电感L减小，当处于垂直状态时，电感L的值最大[6]，如图2所示。电压电流和电感的关系如式2，这就是短脉冲检测的原理。

无刷直流电机的通电线圈处于电机的外侧，即电机的定子，电流通过线圈，线圈存在电感，而作为电机的转子的永磁体对于线圈的电感有着增磁和去磁作用，永磁体（即转子）的N极靠近线圈时，线圈的电感值减小，所以当线圈中存在电流并且转子的N极靠近线圈时，电流会因为线圈电感值的减小而增大。

图3电机的控制原理图，经过简化以后可以得到下图所示：

这样我们能够根据电路中电流的大小判断出转子的位置，也能够根据电流的大小得到换向点。

3 转子定位及加速

3.1 转子预定位法

对于无传感器的无刷直流电机而言，在电机启动之前，转子的初始位置是随即的，也就是未知的，所以得到转子的确切的初始位置对于这类无传感器无刷直流电机的启动是至关重要的。为了简单而准确的定位到转子的初始位置，这里我们采用转子预定位的方法是借鉴三段式启动法的转子预定位法，在电机通电伊始，给电机的任意两项通电一段时间，使定子能够产生一个固定的磁场，如下图a所示。

在磁场力F的作用下，电机转子转动到如图a的位置，但是若电机初始位置正好与F相差180度，如b，这时在理论上产生的电磁转矩为零，所以要进行电机的第二次定位，也就是按电机的旋转方向导通下一次绕组电流，使其产生与原来F相差90度的F方向的磁场力，这样，不论转子的初始位置是在a的位置上还是在b所指的位置上，转子都将转动到F所指的位置[7]。

其实，在实际实验中，我们发现，转子大部分时候是不需要二次定位的。但是我们这里为了防止意外情况的出现，还是采用了更为保守的二次定位。这样谁稍稍延长预定位的时间，但是杜绝了意外的发生。

等到电机的转子到达指定位置后，将在指定位置处左右摆动，处在一个不稳定的状态，最后在摩擦力和磁滞涡流的作用下停止。很多时候为了让转子有足够的时间反应调整位置，所以我们要对电机的通电时间稍微长一点[8]，但是电压不要过大，因为在这个阶段，我们通常不使用PWM来调节电压。

3.2 转子加速

电机的加速过程采用的导通方式为二二导通方式。如下图所示，经过转子预定位，转子到达指定的位置，给电机的绕组依次通电，就可以保证电机转动。但是如何找到电机的换向点，是加速过程的一个关键，过早和过完的换向都会引起电机的失步，严重的可能会导致电机启动失败，造成重大的事故。这里我们采用短脉冲加速法，通过比较电流阈值检测换向点，该方法简单易行，准确度高，且不需要知道电机的准确参数就能够保证电机的正常启动。

根据短脉冲理论，我们可以大致描绘出其脉冲的波形图，进而得到电流波形，大致如下图所示。

在PWM的低电平期间，给出相应的检测脉冲矢量，在短脉冲结束时检测母线电流的大小，根据两次电流值的大小可以确定是否为换向点。通过电机运行电压矢量图可以得到理论上的换向值，当两次取得的电流值大小相等时为最佳换向点。

短脉冲加速法采取的是给一个短时间的短脉冲，这个短脉冲的持续时间既不可过长，因为时间过长会引起电机的转动，亦不宜过短，因为如果短脉冲的时间过短，不容易检测到电流值，很可能会发生检测到的电流值大小相等的情况，使得控制器误以为到了换相时间进行错误的换相。这个短脉冲的持续时间建议值为当前电路的时间常数，但是经实验证明，取值为等效时间常数的短脉冲电压引起电机转动时，应当稍微减小脉冲持续的时间以保证转子不转动。

下面我们以初定位的位置在V1为例，进行分析说明，短脉冲加速法是如何进行重复检测-加速运行的。

若转子经过预定位后的位置为V1，为了取得最大的转矩，所以取呈现90度导通，所以导通的电压矢量应为V32，转子进入I和II区，而此时的检测电压矢量应为V1和V3，相应的检测到电流为I1和I3，这时I1>I3，当转子转到V2的位置时，I1=I3，这时就到达了换向点，可以进行换向操作到V34。但在实际定位加速过程中，加速脉冲过宽可能会淹没最佳换相时刻，造成换相失败，在实际操作中，我们也发现了这一点，每次都很难能检测到最佳换相时刻。为了加速的稳定性，把换相条件设定为I3≥I1，即最佳或滞后换相，这提高了短脉冲加速法的负载适应性，防止检测失误错过换向时间。转子继续在V34的作用下转动，转子处在III和IV区，这时检测电压矢量为V2和V4，相应的检测电流为I2和I4，当转子位于III和IV区时，I2>I4，当转子转动到V3的位置时，I2=I4，相应的，我们也取当I4≥I2时换向到V54，转子进入V和VI象限，依照上述的方法，这样在不同电压矢量的作用下，转子加速到指定的速度。下表给出了短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表：

对照着上表电机进行重复检测-加速运行，加速结束时，电机已经具备较低的转速与反电动势，这是可以根据转子的当前位置切换到反电动势运行。

图8即母线检测到的电流波形图将电流波形局部放大如图9可以看到矢量控制产生的电流和短脉冲产生的电流，通过比较检测脉冲的大小可以得知换向点。

在这里我们首先仅仅使用本文介绍的启动方式对电机进行启动，为了表现明显，我们这里单独使用短脉冲对电机的控制，为的是展示此方法的可行性。因为在实际控制中，启动的过程很短暂，不容易观察到，所以这里我们暂时不切换到反电动势进行控制。

下图为速度波形，可以观察到有电机初定位到切换到短脉冲加速时的位置，因为短脉冲加速会产生震荡，所以单独用这种方法进行电机的控制会速度会产生震荡，这也正是短脉冲加速的局限性所在。

4 实验

这里我们采用的是南京研旭电气生产的57BL52-230，其性能稳定，额定电压为24V，线电阻0.6欧，线电感为0.75Mh。

这里采用基于相电压的反电动势检测电路，为了避免复杂的运算，我们将得到的反电动势延迟90-a。

图11 控制电路

其得到的速度波形图如下图所示，因为转子定位和加速至可以检测到反电动势的过程非常短暂，这里很快就使得转子进入了指定的速度。

5 实验结果分析及说明

经过理论和实验的分析，我们可以看出，转子的二次定位可以方便快捷的得到转子的初始位置，而短脉冲加速过程，可以得到使得转子在不失步的情况下使得转子的转速到达可以检测到反电动势的速度，从理论和实验两方面证明了，采用短脉冲加速技术大大降低了转子的失步的概率，减少了事故的发生。

该方法不仅适用于方波的无刷直流电机 ， 还适用于正弦波的无刷直流电机，即永磁同步电机，并且不必要知道这些电机确切参数。只需要大致的计算检测脉冲所持续的时间再进行调节即可。

参考文献

[1] 卢秀和，杜东礼，郭志伟，等. 基于脉冲注入法的无刷直流电动机转子位置检测[J] .微电机，2008，41：70-75.

[2] 刘红平，崔儒飞，高慧敏. 无刷直流电机无位置传感器的启动研究[J]. 装备制造技术，2014，（9）：104-109.

[3] KIM T，LEE H W， EHSANI M. Position sensorless brushless DC motor/generator drives： review and future trends [J]. IET Electric Power Applications， 2007， 1（7）： 557-564.

[4] 林明耀，刘文勇. 无位置传感器无刷直流电机短时脉冲定位加速方法[J].电工技术学报，2011. 24（11）： 26-32.

[5] 朱俊杰. 无位置传感器无刷直流电机关键控制技术研究[D].长沙：中南大学，2014.

[6] 汤长波. 无位置传感器无刷直流电机启动方法研究[J]. 浙江理工大学学报，2011.11：49-54.

[7] 陈程，无位置传感器无刷直流电机启动技术的研究[D].长沙：中南林业科技大学，2012.

[8] 张磊，瞿文龙，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，2006.21（10） ： 26-30.