直流无刷电机的换相过零检测研究

高晓峰 刘丹 黄润宇

摘要：直流无刷电机已经进入到航天航空、自动化、工业工控、工具制造与汽车制造等领域中，可满足定位应用、可变负载应用与持续负载应用需求。本文主要针对直流无刷电机的控制需求，针对换相与零点时刻，研究过零检测电路，以此来满足无位置传感器条件下的电机控制需求。

关键词：直流无刷电机;换相过零检测;技术方法

直流无刷电机在民用与工业领域中都得到良好的影响，其优势包括节能高效、性能稳定可靠以及结构简单等。对这种电机进行控制时，需要通过明确转子的位置来对换相时刻加以确定。现主要从换相过零检测的角度对直流无刷电机的应用与控制展开研究。

1直流无刷电机应用原理

1.1原理

无刷直流电机属于机电一体化的设备，其组成部分包括驱动器与电动机主体，转子上粘设的永磁体已经完成充磁，在对转子极性进行检测时，需要通过位置传感器来实现。集成电路与功率电子器件共同组成驱动器，该装置负责获取电机的制动、停止与启动信号，从而使电机切换制动、停止与启动几种不同的状态;同时还要负责获取位置传感器发送的信号以及正反转信号，实现对功率管的控制，变换通断状态，不断形成转矩;除此之外，还需对速度反馈信号和速度指令进行接收，以此调整与控制转速，功能还包括显示与保护等。

采用三相绕组形式的直流无刷电机在运行时，主要借助6种状态实现导通。电流会依照相应的顺序经过电机三相绕组之后，形成旋转磁场，转子上设置的永磁铁和旋转磁场间将出现相互作用，电机依照预设方向开展循环转动。电机在完成单个周期运行时，往往存在6种状态，因此必须对转子所处的6个不同的特殊位置实施检测，并展开6次换相。控制单位电流内的电机达到输出有效转矩的最大值时，所有换相都应是确定时刻。可给电机选择星形连接方式，按照换相时刻，控制器连续地对功率管进行开閉动作，电机不间断地按照一致的方向进行转动动作，处于电路下方区域的场效采取PWM控制系统，确保满足电机转矩与转速方面的要求。

1.2特点

直流无刷电机能够对减速机+异步电机调速系统、变频电机与变频器调速与直流电机调速进行体改，既保持传统型直流电机设备的优势，又将滑环结构与碳刷结构取消;可保持大功率低速的运行状态，以此节省减速机进行直接驱动活动而产生的过大负载;其出力大、重量轻且体积比较小，过载能力强化，具有相对较广的调速范围，能够实现无极调速;这种电机本身具有良好的制动特性，可软停软启，因此不需要使用电磁制动装置或者机械制动装置;电机符合节能要求，具有较高的运行效率，运行电机时并不会产生碳刷损耗或者励磁损耗，节电率在20%到60%之间;直流无刷电机不仅适应性比较强，其保养与检修都容易实现，由于运转更加平滑，震动幅度小，噪音强度低，所以可用时间更长;不会产生火花，安全隐患少，可在爆炸性场所中应用防爆型电机。

2反电动势过零检测方法与原理

无刷直流电机的组成部分包括转子铁心、支板、铆钉，定子绕组与铁心、定子相、槽绝缘材料以及永磁体共同构成，其中空调压缩机设备的外壳与定子铁心采用热装工艺，通过过盈配合的技术被设置到压缩机中，热装工艺还被用到转子内控上，同样选择过盈配合方法处于泵体曲轴上。

针对直流无刷电机设备实施控制时，关键问题为换相时刻的正确确定，以此才能确保各个时刻绕组维持良好的通电状态，如果在控制系统上增加位置传感器，系统整体建设成本随之增高，同时系统结构也会变得更加复杂，系统整体抵抗干扰的能力由此变差，传感器需要连接的线路数量多，构成复杂，电机的可靠性在传感器的影响下会降低，一些电机所处的运行条件较为恶劣，存在高压、高温等隐患因素，冷冻机油与制冷剂还会造成腐蚀性问题，提高了传感器的使用难度，电机本身的运行特性与传感器设备的安装精度也有联系，如果传感器出现故障，电机整机寿命将随之缩短。所以在研发升级这种电机的控制系统时，需要设立不使用位置传感器的条件，常见的方法包括磁链法、以续流二极管为基础的导通检测法以及过零检测法（反电动势），使用率较高的方法为过零点检测技术，其主要测量电机中性点上的电压和断开相绕组端上的电压之间存在的关系。

根据直流无刷电机电路驱动图，同时导通场效应管VT2和VT3，其余的场效应管均为关闭状态，永磁电阻维持旋转状态，经过绕组，其磁通因此而出现变化，反电动势保持正负交变，只有在一个时刻中，反动电势数值是零，即检测时其过零点。当反相输入端接入的电压低于同相输入端连接的电压，系统中使用的电压比较器将高电平的信号输出;而当情况相反时，电压比较器提供的信号是低电平。考虑到运放给共模信号提出的要求，反向端与同向端能够输入的电压达到比较器设备电源电压的二分之一。

3试验与结果

试验中选择的直流无刷电机拥有9对磁极，针对其中一个绕组反电动势过零点的情况实施检测。

电阻运放出的所有输出信号中，有数个过零时刻，将过零时刻对应的信号发出。当电阻放出的信号处于过时刻前端区域时，存在数个呈现不规整状态的三角脉冲，同时脉冲的下降沿与上升沿均存在延迟，之所以出现三角脉冲，主要是因为运放本身以及阻容耦合形成影响，导致输出信号产生延迟的情况。分析输出信号时，系统的软件可以对过零时刻实施判断，确定其无法通过查询方式与中断方式进行检测，当居于过零时刻，输出信号进行高低平转换前期，可能有多个呈现出不规整特点的三角脉冲。控制器在受到干扰信号的影响后，获取的过零时刻信号存在错误的情况，控制器通过中断方式对零点开展检测时，应当增设比较电路，具体位置为过零检测电路系统后方，二级比较器设备的反向端增设电阻电压，数量为2，设置Uf为参考电压，如果参考电压高于一级比较器设备提供的信号电压，另外的二级运放将电平信号输出并保持前一种状态，当信号电压大于参考电压，即可确定达到高电平与低电平相互转换的时刻，即输出信号过零。

借助二级运放对三角脉冲进行滤除，以此消除这种存在不规整问题的脉冲的影响，提供的脉冲过零信号为矩形，且具有较高的标准化水平。通过CPU对零点进行检测时，为了避开三角脉冲，需要在PWM运行周期之内的低电平期间对过零信号开展查询工作，运放与阻容耦合造成的信号延迟现象也会产生影响，所以应当在低电平出现小段延时之后再查询，查询高低电平转换发生的瞬间，成功实现对过零时刻的有效检验。对比这种方式与中断方式，前者具有更为简单的结构，但是查询过程中会出现大量占用CPU的问题。

4直流无刷电机的控制系统

直流无刷电机大多使用转速、电流双环控制系统，内环是电流环，功能单元包括电流调节、电流保护与电流检测，该系统单位功能是在起动活动中与限流保护过程中，维持系统的转矩加速最大值;速度环为外环，功能单元有转速调节、转速计算与转子位置检测等，作用为对单机调速控制与恒定转速进行保证。

系统进行检测活动，掌握母线电流发生的变化，向电流保护电路以及电流调节器传送检测信息，并实施分析处理。如果电机系统进入升速运行状态或者恒转矩调速状态，电流调节器装置即可按照电流检测数据，给PWM波的控制与发生环节提供控制电流的相关信息，进而发挥电流控制作用。在速度控制环节中，转速调节器可结合PWM调制信号的具体发生情况，开展转速开环控制活动，在闭环控制功能中，主要借助转速计算数据与转子位置的具体检测结构完成对转速控制输出的调整。本文研究的这种建立在无位置传感器条件下的运行方式为进行一定时间的延时后，参考各相绕组之间的导通关系，对后续的导通逻辑进行确定，延时时间多为逆变周期范围内30度电角度。利用电阻分压即可完成反电动势采样，再把采样电压传动到过零比较器中进行过零检测，实际检测过程中，考虑到噪声可能影响到检测结果，同时过零检测系统对于噪声也有相对较高的敏感度，所以应当将低通滤波环节添加到过零比较器装置的前端。

5结论

直流无刷电机需要在没有位置传感器的前提下正常运行，这就导致系统控制难度提高，检测位置信号时，可选择电感法、续流二极管法以及反电动势法等。本文运用反电动势法，重点研究过零检测电路的相关问题，运用软件对过零信号进行精准识别，选择中断方式时，需要加设比较电路，实现对三角脉冲的过滤;也可选择CPU查询的方法完成检测任务，需在PWM处于低电平阶段完成查询。

参考文献

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