基于无刷直流电机的无位置传感器控制*

任志斌, 周运逸, 朱 杰, 刘荣昌

(江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000)

0 引 言

无刷直流电机以其转矩大、效率高、噪音小、调速范围宽和电磁污染小等优点，广泛应用于工业设备、家用电器以及电动车等领域[1～3]。通常采用位置传感器来检测无刷直流电机的转子位置，实现换相。受安装位置的准确性和外界湿度等不可控因素影响，电机位置传感器可靠性有可能降低，同时增加了电机的体积和成本[4]。因此，无刷直流电机无位置传感器控制方法成为近年来的研究热点之一，常采用的控制方法有反电动势法、磁链函数法、续流二极管法和电感法等[5～8]。本文着重分析无刷直流电机非导通相端电压与母线电压之间的关系得到反电动势过零点信息，省去了重构电机中性点的硬件电路，并且不需要滤波，避免了换相信号延迟，具有换相准确、计算量小、实时性好，启动

迅速等优点。

1 控制原理分析

1.1 无刷直流电机数学模型

图1所示为三相全桥式无刷直流电机的拓扑图，采用H_PWM-L_ON的二二导通三相六状态工作方式。为简化分析，假设电机绕组为星形接法，不考虑齿槽效应和磁路饱和，忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响。

图1 无刷直流电机拓扑图

无刷直流电机的端电压表达式关系式

式中uA，uB，uC分别为电机的三相定子绕组各相电压，iA，iB，iC分别为电机的三相定子相电流；L=Ls-Lm(Ls定子相绕组自感，Lm定子相绕组互感)，eA,eB,eC为电机三相绕组反电动势；uN为电机中性点电压。

1.2 反电动势过零点分析

系统的控制方式采用H_PWM-L_ON的模式，以AB相导通为例，即此时逆变桥A相上桥臂处于PWM调制工作状态电流从A相上桥臂流入，B相下桥臂处于恒通状态电流从B相下桥臂流出，此时C相为非导通相，即iC=0，该工作状态用A to B来表示。那么此刻的三相端电压为

且三相相电流关系为

iA+iB+iC=0

(3)

A to B时相电流和反电动势的关系如下

iA=-iB

(4)

eA=-eB

(5)

由式(2)、式(4)、式(5)得到电机中性点电压为

uN=(uA+uB)/2

(6)

将式(6)代入式(2)得

uC=eC+(uA+uB)/2

(7)

因为系统的控制模式为H_PWM-L_ON，则在A相上桥臂PWM导通期间，由图1分析得

uA=udc,uB=0

(8)

将(8)式代入式(7)可得在上桥臂PWM导通期间非导通相C相端电压

图2为三相端电压与反电动势波形分析图，当电机工作状态为A to B时，C相为非导通相，此时C相反电动势有零点。结合式(9)可知，在上桥臂PWM导通期间，当C相端电压为此刻端电压峰值的50 %时，C相反电动势过零点。由此可得出结论，C相端电压与udc/2相比较可以得到反电动势过零点信息。同理电机在H_PWM-L_ON模式下上桥臂PWM导通期间，工作在另外5种开关管导通状态分析与此相同，即通过检测非导通相端电压与此刻的母线电压的50 %相比较得出此时反电动势过零点信息，再延迟30°电角度得到换相点。

图2 三相端电压与反电动势波形

为了准确地得到端电压与母线电压波形，设计了如图3的端电压与母线电压采样电路，将端电压与母线电压通过电阻分压后连接至比较器；如图4，C相端电压与1/2母线电压比较产生高低电平，从而得到反电动势过零点。

图3 端电压与母线电压采样电路

图4 C相端电压与母线电压比较电路

1.3 电机启动分析

电机启动分析图如图5所示，假设此时电机转子N极位置位于图5(a)上半阴影部分位置，此刻控制开关管的状态为B to C，对应的合成磁动势为Fs，这样就会迫使转子顺时针转动，当转子转过虚线位置时，A相会感应出一个由正变负反电动势的变化，再延时30°电角度进行换相，电机启动完成。

当转子N极位置位于图5(b)下半部分阴影位置时，如果此时依然通状态为B to C的合成磁动势Fs，转子会转到S3N3的位置，在此过程中A相无法检测出反电动势过零点，会导致无法启动；如图5(c)，则可检测B相反电动势变化情况，通与Fs相差120°电角度开关管状态为C to A的合成磁动势Fs1，在Fs1的作用下下转子顺时针转动越过虚线，此时B相绕组可感应出反电动势过零点，再延时30°电角度进行换相，电机启动由此完成。

图5 电机启动分析

综上可知，无论电机转子初始位置在哪个区域，最多通两个状态的相差120°电角度的合成磁动势，就可以找到非导通相反电动势过零点信息，从而使电机快速启动。

2 控制方法的实现

2.1 控制系统设计

图6是无刷直流电机无位置传感器控制框图，电机启动采用上述快速启动方式启动电机，设计了速度环和电流环组成的双环控制系统，以实现更好的动态性能。电机启动后，在H_PWM-L_ON模式下上桥臂导通期间采样非导通相端电压与此刻的母线电压进行比较得电动势过零点信号，经换相分析后，计算出的转速与转速给定的差值输入到速度调节器，速度调节器的输出与电流检测采样值的差值作为电流调节器的输入，再根据换相分析控制六路PWM输出。

图6 无刷直流电机无位置传感器控制框图

2.2 实验平台的搭建

搭建的实验平台如图7所示，采用STM32F103C8T6型号的单片机；开关管选择NCE80H11型号的N沟道MOS管；比较器型号为LM339，其响应时间为1.3 μs，使得检测更加精准；无刷直流电机的极对数为2，额定电压为24 V，额定功率31 W，额定转速3 000 r/min。

图7 实验平台

3 实验结果与分析

图8是转速为1 600 r/min时C相端电压波形在H_PWM-L_ON模式PWM导通期间检测到比较器输出高低电平波形。可以看出反电动势过零点之后30°电角度正是霍尔传感器跳变点，可认为该方法检测出的反电动势过零点再延时30°电角度得到的信号与霍尔传感器产生的信号是一致的，证明此无刷直流电机无位置传感器控制方法的可行性。

图8 比较器输出与霍尔信号波形

图9为无刷直流电机在有霍尔传感器和无位置传感器控制策略两种控制方式下检测的速度波形，速度给定均是1 600 r/min。有霍尔传感器的速度波形在上升阶段比较平稳，约0.5 s后达到速度给定值，略有超调，经电流环和速度环调节，在1.2 s时刻转速保持稳定；而采用上述无位置传感器控制方式的无刷直流电机速度波形在速度上升阶段反应较快，约0.2 s达到给定转速，并有少许超调，0.5 s后转速达到稳定。两者到达稳定阶段转速均趋于平稳，效果几乎一致。实验证明该方法可以达到和有霍尔传感器控制相同的性能，具有一定是实用价值。

图9 二种控制方式下的速度波形

4 结 论

本文采用通过采样非导通相端电压和母线电压中点相比较的方式，得到反电动势过零点信息，再延时30°电角度得到换相点。方法省去了重构电机中性点的硬件电路，避免了滤波电路所造成的的相位延迟，检测电路采用精密电阻分压采样，无需额外供电，同时设计了新的启动方式，相比于三段式启动用时更短。实验证明：本文方法可以达到与有霍尔传感器几乎相同的控制效果，具有一定的实用性。