无刷直流电机无位置传感器控制技术

周沙　袁琛

摘 要 无刷直流電机换相是通过检测出转子的具体位置来获取换相信号，从而控制电机转子按照预先设置好的方向旋转。与传统的带位置传感器控制方法相比，无位置传感器控制方法具有简单、准确、高效等特点，因此具有很大的发展前景。

关键词 无刷直流电机 位置传感器

中图分类号：TM35 文献标识码：A

在无刷直流电机领域中，在设备上装有位置传感器的无刷直流电机被称为带位置传感器的无刷直流电机。目前常用的位置传感器一般有电磁式、光电式和磁敏式等几种类型。位置传感器的引入，虽然能有效检测出转子位置，但也带来了许多不便，比如增大了电机体积。因此，人们开始将眼光聚集到无位置传感器控制技术上来。该技术的核心是先测量电机运行时可获取的电机的相电压和相电流等信息，然后分析这些信息与电机转子位置之间的关系，得出一定的数学关系式或者换相逻辑，进而控制电机运行，减少了位置传感器，电机的性能和应用范围大大提高。目前常用的无位置传感器控制方法有以下几种：

1反电势法

反电势法检测转子位置的原理主要是利用电机反电势波形和电机换相点之间的关系得出来的。假设无刷直流电机采用两两导通、三相六状态控制方式。那么以电机A相为例，其反电势和电流波形如图1所示。图中实线为A相反电势波形，虚线为A相相电流波形，Q1和Q2分别为电机的换相点，对比反电势波形和换相点可以看出，A相反电势每次过零点之后，在经过30€暗缃嵌龋缌骺蓟幌唷0凑照庵止叵担匏⒅绷鞯缁谠诵泄讨校绻看味寄茏既返玫降缁吹缡乒愕愕氖笨蹋缓笤诖耸笨躺涎邮？0€暗缃嵌龋湍苤赖缁幕幌嗍笨蹋佣既房刂频缁幌嗪驮诵小7吹缡品ㄒ泊嬖诓蛔悖缁仓棺刺狈吹缡拼笮∥悖谄舳彼俣裙停吹缡乒愕悴蝗菀准觳庾既罚虼诵枰浜系缁舳际酰缁俣忍嵘揭欢ㄊ岛蟛徘谢恢练吹缡品刂啤？

图1：反电势与电流波形关系

2电感法

反电势法检测转子位置方法的缺点是无法实现电机的自启动，但通过电感法来检测电机静止时的位置不存在此问题。电机低速时，反电势太小无法被检测出，但电流幅值容易被检测出来，电机转子旋转时，铁心线圈电感大小受电机磁路饱和影响，无刷直流电机定子绕组电感和相电流、转子位置具有一定的函数关系，电感法就是基于以上原理提出来的。具体实现方法是在电机静止时，给电机绕组施加高频电压脉冲，检测绕组中的电流幅值大小，如果每次给电机注入的电流脉冲信号大小和方向不一样的话，电感也不一样，若能在恰当的时间间隔内对正、反方向的相电流进行检测，得到电感差异后，再利用转子位置与电机电感之间的关系，就能获取转子位置信息。该方法能弥补反电势法在电机静止和低速时存在的不足，但需要频繁的检测电流幅值，依赖于高精度的电流检测，实时性要求比较高，实现起来比较复杂。

3状态观测器法

电机运行过程中，能实时测量的物理量只有电机的相电压和相电流信号，但若以电机的数学模型为基础理论，一些未知的量，如反电势可以通过数学关系式表示出来，如果能通过电机数学模型建立一些状态观测函数，然后以电机电压和相电流信号的测量值作为状态变量，估计出所需要信号的观测值，并将此观测值进行反馈控制，状态观测器法就是运用以上原理。该方法以电机电压、电流可测量得到的参数作为状态变量，根据无刷直流电机的反电势与相电压、相电流之间的关系建立状态观测器，得到反电势的估计值，再通过反电势的过零点与换相点之间的关系，制定换相逻辑，就可以控制电机换相。在电机重载或者高速情况下，利用反电势或者电感法难以对电机进行准确控制，而状态观测器具有自适应能力和抗干扰能力强等特点，能解决上述的问题。但状态观测器控制一般都相对复杂，需要进行大量的数学计算。而计算机技术的不断发展和一些具有强大计算能力的DSP控制芯片出现，为该方法提供了技术的支持。

总之，无位置传感器控制方法已经逐步取代了带位置传感器法在电机中的地位和应用，不断完善和改进无位置传感器控制方法，对无刷直流电机领域来说具有重要的实际意义，这也必将使无位置传感器无刷直流电机的应用领域进一步扩大。

参考文献

[1] 陈华锋，宋辉，王占强.一种改进的无刷直流电机控制方法[J].电机与控制应用， 2015，（1）：28-35.

[2] 闫伟伟.无刷直流电机无位置传感器控制系统的研究与实现[D].湖南大学， 2014.endprint