趙一衡，顧偉康，陳亞彬，曹 翔

(1.新疆電力工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 838000； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測方法綜述*

趙一衡1，顧偉康2，陳亞彬2，曹 翔2

(1.新疆電力工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 838000； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

由于受到傳統(tǒng)開關(guān)器件的限制，大電流開關(guān)電源存在功率小、效率低等問題，因此在對PWM軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析后，利用AT89C52單片機的中斷方式輸出頻率和占空比可調(diào)的PWM脈沖，控制大功率開關(guān)管GT40T101的通斷，從而實現(xiàn)以模擬繼電器的方式控制電路的通斷。通過搭建電路驗證了PWM軟開關(guān)在控制大功率電源方面的優(yōu)越性，對于實際的電氣工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

單片機；IGBT；模擬繼電器；人機交互系統(tǒng)

0 引 言

無刷直流電機因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高、使用壽命長等優(yōu)點在醫(yī)療、航空、家電、軍用等各個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的無刷直流電機采用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，這不僅增加了成本和電機的體積和復(fù)雜程度，對安裝工藝也提出了很高的要求，而且在一些特殊場合如高溫高壓環(huán)境中，有位置傳感器會大大降低系統(tǒng)的可靠性。因此，無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法成為近年來研究的熱點。

筆者分類總結(jié)了無刷直流電機無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置的檢測方法，詳細(xì)分析了各種有效的檢測手段，這對研究新方法和實踐應(yīng)用都具有指導(dǎo)意義。

1 反電勢法

反電勢法是目前最常用的一種轉(zhuǎn)子位置檢測方法。通過檢測電機旋轉(zhuǎn)時非導(dǎo)通相的反電動勢，并對其做適當(dāng)?shù)奶幚砭涂梢垣@得轉(zhuǎn)子位置信息。按照對反電動勢處理方法的不同，反電勢法可以分為反電勢過零檢測法、反電勢積分法、反電勢三次諧波法和續(xù)流二極管法。

1.1 反電勢過零檢測法

無刷直流電機工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作模式下時，反電勢波形和電流波形如圖1所示。

圖1 BLDCM正常工作時反電勢和電流相位圖

由圖1可以看出，只要檢測各相反電勢的過零點，再延遲30°電角度即對應(yīng)換相時刻，這就是反電勢過零檢測法的原理。目前研究的重點在與如何獲得反電勢過零點和如何保持相移角度不變。由于電機中性點一般不引出，因此反電動勢過零點需要通過方法間接得到。

文獻(xiàn)[1]率先提出了反電勢過零檢測的方法。文中首先用電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了虛擬中性點獲得相電壓，通過RC濾波電路產(chǎn)生30°的相移，再送到比較器產(chǎn)生換相信號。由于濾波電路所產(chǎn)生的相移與轉(zhuǎn)速有關(guān)，在整個調(diào)速范圍內(nèi)會產(chǎn)生換相誤差。文獻(xiàn)[2]利用開關(guān)電容濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾波器，實現(xiàn)了不依賴轉(zhuǎn)速的固定延遲。文獻(xiàn)[3]采用超前90°換相方法，能對相位誤差實時修正，同時避免了計算機相位修正的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[4]提出了一種端電壓檢測方法，通過在上橋臂關(guān)斷時讀取非導(dǎo)通相的端電壓，然后和“0”比較來獲得換相點。這種方法不需要構(gòu)建虛擬中性點和濾波電路，但只適用于上橋臂調(diào)制，下橋臂恒通的方式，并且在占空比高時不能實現(xiàn)可靠的過零點檢測。文獻(xiàn)[5]針對這個問題提出了一種解決方案，當(dāng)占空比低時，在PWM關(guān)斷期間檢測反電勢過零點，比較器參考電壓為0V，當(dāng)占空比高時，則在PWM開通期間檢測反電勢過零點，比較器參考電壓為Vdc/2。這種方法可以實現(xiàn)滿占空比運行，拓寬了電機的調(diào)速范圍，但控制顯然更為復(fù)雜。

反電勢過零檢測法師目前最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種無位置檢測方法。但這種方法也存在以下缺點：

(1) 反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，在轉(zhuǎn)速很低甚至為零時不能通過檢測反電勢來得到過零點信號，故這種方法限制了電機的調(diào)速范圍，起動困難。

(2) 續(xù)流二極管續(xù)流時產(chǎn)生的電壓脈沖可能會淹沒反電勢信號，尤其在高速、重載情況下更為嚴(yán)重，可能使得反電勢法無法檢測。

1.2 反電勢積分法

反電勢積分法是在過零時刻開始對非導(dǎo)通相反電勢進(jìn)行積分，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而確定換相時刻的方法。反電勢積分結(jié)果與反電勢波形有關(guān)而與電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，通過調(diào)整閾值大小可以實現(xiàn)超前或滯后換相。但該方法也有以下缺點。

(1) 積分引起的累積誤差會影響系統(tǒng)低速時的運行性能。

(2) 不同型號的電機具有的反電勢波形不可能完全一樣，導(dǎo)致閾值的大小不具有通用性。

1.3 反電勢三次諧波法

對于無刷直流電動機，定子繞組反電勢為梯形波。該梯形波經(jīng)Fourier級數(shù)分解后，除基波外還含有大量豐富的高次諧波。其中三次諧波分量占的比例最高，其他高次諧波含量與三次諧波分量相比幅值很小可以忽略。三次諧波分量的一個周期對應(yīng)基波分量的120°電角度，其相鄰兩次過零點間隔60°電角度，正好與電機相鄰兩換相點的時間間隔相等，只是相位相差90°電角度。因此，將反電勢的三次諧波分量移相90°電角度以后，得到的信號就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號，其每個過零點均對應(yīng)著一個換相點,如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁通三次諧波與反電勢基波關(guān)系

反電勢三次諧波的檢測有兩種方法：一是在星形連接的繞組三端并聯(lián)一組星形連接電阻，兩個中性點之間的電壓即為三次諧波[6]。當(dāng)電機沒有引出中性點時，可以采用另一種方法——通過星形連接電阻的中性點和直流側(cè)中點之間電壓來獲得三次諧波[7]。

這種方法與直接反電勢過零檢測法相比有更寬的運行范圍，不需要濾波電路，實現(xiàn)簡單。但是在轉(zhuǎn)速很低時檢測到的三次諧波畸變嚴(yán)重，不能估計轉(zhuǎn)子位置，所以在低速時需要額外起動程序。

1.4 續(xù)流二極管法

續(xù)流二極管法[8]，通過檢測反并聯(lián)在功率管兩端的續(xù)流二極管的導(dǎo)通情況來確定電機的換相時刻。無刷直流電機在二二導(dǎo)通方式下，三相中總有一相是斷開的，通過對逆變器功率管加以特殊時序的斬波控制信號，使電機繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通。當(dāng)斷開相的反電勢過零時，與斷開相功率管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過續(xù)流電流，通過對該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測就可以確定繞組反電勢的過零點，從而得到電機的轉(zhuǎn)子位置信號。

續(xù)流二極管法本質(zhì)上也是檢測繞組的反電動勢，檢測靈敏度相對較高，在一定程度上拓寬了電機運行范圍。但是該方法不僅具有反電勢過零點檢測法的所有缺點，而且還有如下缺點。

(1) 續(xù)流二極管法要求逆變器上下橋臂處于輪流導(dǎo)通的工作模式下，控制難度大。

(2) 需要對每個反并聯(lián)的續(xù)流二極管上加上電流檢測裝置，增加了成本和硬件電流的復(fù)雜度。

2 電感法

無刷直流電機定子繞組電感是轉(zhuǎn)子位置和相電流的函數(shù)。通過對定子繞組施加高頻電壓脈沖，檢測產(chǎn)生的電流幅值大小就可以知道電感的差異，進(jìn)而判斷出轉(zhuǎn)子磁極所處的位置。這種方法在電機靜止或低速時具有較好的檢測效果，隨著轉(zhuǎn)速的增大，檢測誤差也越來越大，甚至?xí)?dǎo)致電機失步。此外，該方法需要頻繁的檢測繞組電感，實時性要求比較高，實現(xiàn)難度大。

3 磁鏈估計法

磁鏈估計法[9]是通過檢測電機電壓和電流參數(shù)來估算出磁鏈，再根據(jù)磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系估算出轉(zhuǎn)子位置。文獻(xiàn)[10]中利用兩個電流環(huán)來估算轉(zhuǎn)子位置。其中外環(huán)用于位置的預(yù)測、估算和校正，內(nèi)環(huán)用最新預(yù)測到的轉(zhuǎn)子位置來校正磁鏈計算。這種方法可以得到連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息，并且轉(zhuǎn)子的位置信息與轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以從接近零速到高速范圍內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)確換相，大大拓寬了電機運行調(diào)速范圍，但該仍具有以下缺點。

(1) 這種方法計算磁鏈時需要知道電機的電感參數(shù)，而電感是一個與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的參數(shù)很難精確測量。

(2) 計算量太大，對電機參數(shù)敏感。

4 狀態(tài)觀測器法

狀態(tài)觀察器法是以電機轉(zhuǎn)速、位置角、電壓、電流等參數(shù)作為狀態(tài)變量，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)字濾波得到電機參數(shù)的離散值，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)對電機的控制。狀態(tài)觀測器法能夠比較好的解決無刷直流電機重載、高速等情況下難以控制的問題，同時有很強的抗干擾能力，能適應(yīng)各種惡劣的工作條件。但是狀態(tài)觀測器法需要大量的實時計算，這對微機的性能提出了較高的要求。正因如此，這種方法雖早已提出但應(yīng)用并不廣泛。隨著DSP等高性能芯片的推出，這種方法將得以更容易的實現(xiàn)。

5 其他無位置傳感器檢測方法

除上述幾種方法外，許多國內(nèi)外學(xué)者還提出了其他一些無位置傳感器無刷直流電機的位置檢測方法。如通過改變電機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測的渦流法(將非磁性材料鋁片貼在轉(zhuǎn)子表面，通過檢測因該材料中渦流效應(yīng)造成的斷開相電壓變化來估計轉(zhuǎn)子位置的方法)和電流法(根據(jù)電流波形決定換相時序的方法)等[11]。這些方法實現(xiàn)難度較大，檢測誤差比較大，只適用于一些特殊場合。

隨著控制理論的不斷發(fā)展，人工智能控制應(yīng)用在無位置傳感器控制中已經(jīng)成為一種新的趨勢。許多現(xiàn)代控制理論均被用于無刷直流電動機的控制中，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)控制等。文獻(xiàn)[12]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將測量得到的相電壓、相電流數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，將電機轉(zhuǎn)子位置作為網(wǎng)絡(luò)輸出，得到電機轉(zhuǎn)子位置。利用轉(zhuǎn)子位置信號估計磁鏈，并利用估計磁鏈和實際磁鏈的差值修改網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上修正轉(zhuǎn)子位置信號。文獻(xiàn)[13]采用模糊控制算法來獲得電機的轉(zhuǎn)子位置，利用電流觀測器來觀測電流，并利用實際電流和觀測電流的差值通過模糊邏輯函數(shù)估計出轉(zhuǎn)子的位置。這些方法在理論上還需要進(jìn)一步研究，技術(shù)上實現(xiàn)還有一定困難。然而，隨著微處理器和DSP技術(shù)的發(fā)展和控制理論的不斷成熟，智能控制方法必將進(jìn)一步推動無刷直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展。

6 結(jié) 語

詳細(xì)介紹了多種無刷直流電機無位置傳感器檢測方法，并分析比較了它們的優(yōu)缺點。從目前來看，基于反電勢及其各種改進(jìn)修正方法還是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的檢測方法。雖然這種方法在低速時的性能還有待提高，但是由于結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，對控制器要求低，使得該方法成為無位置檢測方法中的主流。各種基于現(xiàn)代控制理論和微電子技術(shù)的先進(jìn)檢測算法方案雖然在調(diào)速范圍和精度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的反電勢法，但是其復(fù)雜的控制算法高性能的處理器要求，使得這些方法的成本比較高，只適用于對性能要求很高的場合。

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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

趙一衡(1984)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事電力工程監(jiān)理方面的工作。

TP23

A

1007-4414(2014)02-0195-03