变频空调用直流无刷电机转子位置检测技术研究

黄润宇 李 庆 高晓峰

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519110）

引言

目前行业内，无刷直流电机由控制器驱动，控制方式有两种，一种为有位置传感控制驱动，另外一种为无位置传感控制驱动。无位置传感控制驱动，比有位置传感控制驱动减少了几个关键的元器件，能节省电机成本，从而提高市场竞争优势。

无位置传感控制驱动是通过检测反电势过零点的方式检测转子位置。在降低成本的前提下，无位置传感控制驱动存在一些问题，例如，无位置传感控制驱动检测转子位置是通过算法来计算得出，算法计算出来的转子位置存在偏差，与实际转子位置可能存在角度差。这些细微的角度差，可能会导致电机转矩脉动大，进而导致电机效率偏低，存在噪音等可靠性问题。

本文针对提高无刷直流电机无位置传感控制驱动的转子检测进行研究。

1 无位置传感控制驱动工作原理

1.1 无刷直流电机工作原理（图1）

电动机和电子驱动电路两部分形成了无刷直流电机。电动机部分与传统的交流永磁同步电机基本相似。根据驱动需求，无刷直流电机还需要位置传感器[1]。

1.2 无位置传感控制驱动

无刷直流电机的无位置传感控制驱动的关键在于：利用间接的检测转子位置的方法来取代位置传感器检测转子位置的方法。通过软件和硬件，来实现检测电机磁场的变换。

无位置传感控制驱动检测转子位置有：反电势过零点法、反电势积分及参考电压比较法、续流二极管等。

1.3 反电势过零点法

无刷直流电机是根据三相六状态，120 °通电方式驱动的[2]，以这种方式运行的直流无刷电机，在运行的时候，电机绕组只有两相通电工作，另外一相绕组不通电，称之为悬空相。反电势过零点法就是通过电机旋转，会使悬空相产生较多的由电枢反应产生的反电势，检测其过零点的时刻来检测转子位置。

2 位置检测矫正

根据无刷直流电机绕组反电势反馈实时转子位置，利用这个原理，在其中一槽或多槽的绕组上，另绕n圈检测绕组（后面称之为检测线圈），假设该电机反电势为E0V，每相绕组有N匝绕组，则检测线圈上的反电势E1有：

由于槽满率和转矩脉动等影响，检测线圈不宜过多，在一些电机匝数比较高的情况下，检测绕组产生的反电势小，对于检测线圈反电势可能会出现检测精度过小、检测误差等问题。对此，只需要将检测线圈两端接到运算放大器上，调节运算放大比例，可以调节MCU所检测到的检测线圈反电势的峰峰值，增加检测的精度。检测绕组反电势放大电路图如图3所示。

图1 无刷直流电机工作原理

图2 反电势过零点

图3 检测绕组反电势放大电路图

3 基于Maxwell电磁仿真

基于上述理论，根据maxwell具有瞬态电磁仿真，以及能进行空、负载仿真。利用maxwell来进行电机的负载仿真以及带载能力的推算[3]。

3.1 检测线圈反电势

以12槽8极的电机为仿真模型，同时在U相绕组上，放置U相的检测绕组。

图5、图6中以x轴正方向穿过的齿部为U相的第一槽，接着以逆时针摆布UVW三相绕组。检测线圈位于U相的第一槽。

根据图6和图7可得，U相绕组的反电势与检测线圈U的反电势相位一致无偏差。

3.2 相位偏差导致的转矩偏低

基于图4的仿真模型，对每相绕组添加负载电流

式中：

a—负载相电流峰值；

T—反电势的周期；

β—相位角度差。

以U相为0，V相为-120°，W相+120°。g为相位角度偏移。可得负载转矩如图8。

相位偏差导致的转矩变化及转矩脉动见表1。

图4 仿真模型

图5 仿真模型中的检测线圈

图6 U相反电势

图7 检测线圈U反电势

图8 负载转矩仿真结果

通过仿真结果可得，负载电流相位角度的偏差，会导致电机的扭矩变化，当负载电流相位角与转子相位角一致时，转矩最大，电机在拖动同一个负载时的效率能达到最优化。同时转矩脉动也处于比较低的值。

4 实际验证

4.1 反电势测试

基于上述理论以及上述模拟负载，将一款量产电机的U相的第一槽上缠上一组检测线圈，同时将电机的U相的端电压和中心点引出。启动电机，利用示波器测试U相的电压和检测线圈的反电势。

由图9可得，电机通电相位与检测线圈存在着偏差，偏差角度为6.2 °，检测线圈的反电势不和电机通电相位一一重合。装配负载后测试出来的得到的消耗功率为50 W。

4.2 相位角度改善

针对不同电机调节不同的电角度可得2格数据。

图9 U相和检测线圈的相位差

表1 相位偏差导致的转矩变化及转矩脉动

表2 相位调整后的消耗功率

由表2可得，更正相位能够改善电机的消耗功率。

5 总结

据上述分析，实际中无位置传感驱动算法计算出来的转子位置和实际电机转子位置存在一定的相位偏差，这种偏差会导致电机消耗功率大，转矩脉动增大。通过检测线圈检测转子实际位置，然后调节导通的相位角度，使电机绕组导通相位与实际电机转子位置一致时，能使得电机消耗功率最低，电机转矩脉动减小。本文针对辅助无位置传感驱动的转子位置检测进行了研究，研究了检测线圈与实际线反电势的偏差、相位角度偏差对效率的影响，针对性的给出了研究技术方案，为无位置传感驱动转子检测提供了一种可行性的技术方案。