反电势法检测无刷直流电机转子位置技术
研究
彭业辉
作者简介：彭业辉，（1986-），男，系统工程师，马达驱动＆霍尔IC 。E-mail: plane-1986@https://www.doczj.com/doc/7814056820.html,
（上海交通大学微电子学院，上海 200241）
5 摘要：无位置传感器无刷直流电机应用中，利用反电动势检测电机转子位置是目前最流行的应用方法。本文首先基于传统有位置传感器控制方法介绍了无刷直流电机的工作原理。然后对反电动势和零交越点检测电路做了详细的分析。根据这些分析，无位置传感器无刷直流电机控制技术更加容易理解。但无刷直流电机在转子静止或低速时反电动势为零或很小，无法用检测反电动势来判断转子位置，电机不能正常启动，基于反电动势的控制方法都需要特殊10 的启动技术。本文最后基于一款三相无位置传感器无刷直流电机驱动IC 研究了三段式启动技术并分析了它的优缺点，并用实验的方法加以验证。
关键词：无刷直流电机；无位置传感器控制；反电动势；零交越点；起动
中图分类号：TM381
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Study on The Method of BLDC Motor Using Back EMF
Monitor Rotor Dectection
PENG Yehui
(School of Microelectronics, Shanghai JiaoTong University, ShangHai 200241) Abstract: Using Back-EMF method to monitor the rotor detection is one of the most popular trend
20 in BLDC Motor application. In this paper, the principle how BLDC Motor works was firstly introduced based on the traditional senor control method. And then, Back-EMF and zero-crossing point detecting circuit are described and analyzed in detail. According these studies, it is easy to realize senorless control for BLDC Motor. But when the motor is at standstill or at a low speed, it is impossible or very difficult to get the position information from Back-EMF. Therefore a 25 particular method to start up the motor from standstill is needed in sensorless control method system based on Back-EMF detection. In the end of this paper, 3-step start technique and its advantages and disadvantages were studied based on a three phase sensorless BLDC Motor driver IC. Some experimental results are also presented to verify the analyses.
Keywords: BLDC Motor; sensorless control; Back-EMF; zero-crossing point; start
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0 引言
近年来，随着电力电子与控制技术的发展，无刷直流电机(BLDCM)在工业控制和家用电器等领域中的应用越来越广泛。而其中传统的带位置传感器的无刷直流电机控制呈现出越来越多的局限性，如增加电机体积，位置传感器传输线多引入干扰，恶劣工作环境降低传感
35 器可靠性，传感器安装精度影响电机性能等。无刷直流电机的无位置传感器控制已成为无刷电机控制的主要趋势。
无位置传感器控制最简单和实用的是利用反电动势的控制方法：通过测出各相反电动势的过零点，获得三相电机所需的转子6个关键位置信号。但由于无刷直流电机的绕组反电动势与电机转速成正比，所以在低速的时刻反电动势非常小，并且起动之前，绕组中不存在反
40 电动势。这两种情况下，无法直接利用反电动势法判断转子的位置以提供正确的换相控制信号。因此，无刷电机的起动就变得非常重要，如果起动方法不当，就很难获取较好的反电动势信号，容易导致电机失步，堵转甚至反转，造成起动失败。目前最为常用和最容易实现的
起动方法是三段式起动技术，即转子定位，升速运行和状态切换三个阶段[1]。
1六步方波切换
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六步方波切换为三相直流无刷电机最基本的驱动方式，其通过六个不同的三相电桥开关切换方式，使定子上的线圈产生旋转磁场，以带动由永久磁铁所构成的转子，达到电机驱动的目的。
下面以霍尔元件作为转子位置的感测元件的三相直流无刷电机为例，用以说明六步方波50
的工作原理。霍尔元件的摆放位置与电机的切换方式有关，以120°导通的Y型连接电机为例，霍尔组件须放置于定子的槽沟中央，如图1所示。在转子转动一圈的过程中，依据三个霍尔组件所感应到的转子极性，可排列出六种不同的霍尔信号，而不同的霍尔信号可对应到六步方波的六个step，如此便可以依据对应转子位置做适当的电机换相。图2所示即为以霍尔元件信号进行六步方波切换的示意图。
55
图1 有霍尔位置感应元件无刷电机
Fig. 1 BLDCM with hall sensor
图2 霍尔元件控制六步方波切换
60
Fig. 2 6 step square waveform transform by hall sensor control
2 反电动势检测
2.1 反电动势 反电动势为电机线圈切割磁场时所产生的电压，其电动势方向可由弗莱明右手定则来判断。如图3所示，大姆指表示导线的运动方向，食指为磁力线方向，中指则为电流方向，而
65 其彼此之间的关系可由下面公式来说明
BLv e =
其中：e 为电动势电压；B 为磁通密度；L 为导线长度；v 为导线移动速度。
图3 弗莱明右手定则示意图
70 Fig. 3 Fleming's right-hand rule
弗来明右手定则套用在无刷电机中还需要考虑定子线圈的匝数与转子尺寸等等，其可通过下式表示。
ωNlrB E = 75 其中E 为反电动势电压；N 为每相绕组的匝数；l ；为转子的长度； r 为转子的内径；
B 为磁通密度；ω为电机的角速度。
上面公式可简化成下式
ωE K E =
E K 称为反电动势常数，而此常数除了可通过公式求得之外，最直接的方式是通过外力
80 带动电机，根据电机的所产生的反电动势电压除以其角速度，便可以实际量测出电机的反电动势常数。
直流无刷电机为同步机的一种，而两者间会有不同的命名方式主要是因其反电动势的波形所造成，同步电机其反电动势为正弦波，而直流无刷电机则为梯形波，如图4所示，这是因为转子磁场分布的差异所造成。
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0o60o120o180o240o300o360o
U
V
W
图4 三相无刷电机反电动势波形图
Fig. 4 Back EMF waveform of three phase BLDCM
2.2反电动势检测法
90
直流无刷电机无传感器驱动中最常见的即为反电动势检测法，基本原理是通过开路相的端电压（即为反电动势）与中性点电位进行比较可取得零交越点（zero crossing）如图5所示。
参照图6由端电压(BEMF)与中性点(COM)直接透过比较器可得到零交越点信号(ZC)，95
而此零交越点信号与正确的换向时间相差了30°的电气角，因此只需将此信号进行相位延迟，便可取代霍尔组件提供驱动器所需的转子位置信号。在一个电周期内，每一相反电动势产生两次过零点，则三相共产生 6 个换相点，从而实现无刷直流电机的无位置传感器控制的六步方波切换[2]。图7画出了将零交越点信号延迟30°的电气角后得到的三相无刷电机理想的反电动势和电流波形[3]。
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图5 反电动势检测电路
Fig. 5 Back EMF detection circuit
0o
60o 120o 180o 240o 300o 360o
COM
BEMF
ZC
图6 零交越点检测波形
105 U V W /(o)
/(o)
/(o)
图7 理想的反电动势和电流波形
Fig. 7 Ideal Back-EMF and current waveforms
3 三段式起动技术
110 3.1 三段式起动机理
由于无刷直流电机在静止时反电动势为零或很小，无法用来判断转子位置，因此反电势需要采用特殊的起动技术。通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电机运行状态。这个过程称为三段式起动技术，包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段[4]。下面以日本Sanyo 公司的一款三相电机驱动芯片LV8800
115 对三段式起动机理进行说明，其电路功能框图如图8所示。
电机转子静止时的初始位置决定了逆变器第一次应触发哪两个功率器件。与其用很复杂的方法检测转子的初始位置，不如先把逆变器的某两相导通并控制电机电流，经过一定时间后使转子转到一个预知的位置 [4]。LV8800先让电机线圈电流由U 流至W ，此时转子会因线圈上产生的磁场而转动，当转子旋转时开路相的线圈可以感应到反电动势，而透过开路相
120 的反电动势与中性点(COM)电压进行比较可侦测零交越点，零交越点发生时电机控制逻辑就
会自动切换至下一个step，而当连续侦测到八个零交越点时LV8800就会认定已经完成电机的起动，电机开始从它控式切换到自控式，如图9所示。
125
图8 LV8800三段式起动电路框图
Fig.8 Three step start functional block of LV8800
图9 LV8800起动波形(1)
Fig.9 Start waveform of LV8800(1)
130
由于单纯透过线圈激磁，并无法确保可取得足以侦测零交越点的反电动信号，因此
LV8800加入了强制换相的功能，强制换相是通过OSC pin外挂的电容来控制其换相频率，
以1500pF的OSC电容为例，每一步的强至换相时间约为90msec，当无法在此时间内侦测
到零交越点，LV8800将会直接切换至下一步，然后再尝试侦测零交越点，我们可参照图10，
在前面几个step时LV8800都无法侦测到零交越点，因此都是通过强制换相进行切换，直到135
IC侦测到足以判断零交越点的反电动势信号。
图10 LV8800起动波形(2)
Fig.10 Start waveform of LV8800(2)
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3.2三段式起动问题分析
无刷直流电机在三相流状态120°运行时，每一次换相，电机的定子磁势都根据给定转
向向前跃进60°电角度，经过1/6电周期之后，转子按相同方向旋转60°电角度。理想情况下，
每次换相的初时刻转子磁势与定子磁势相差120°电角度，然而在起动过程中实际转子磁势
145
与理想转子磁势的夹角常有一定的超前或滞后，超前或滞后角记为δ。假定在任一换相的初
始时刻，转子磁势滞后定子磁势(120°-δ)电角度，而在末时刻，转子磁势滞后定子磁势(60°-δ)
电角度，在这段时间内转子磁势平均位置滞后定子磁势(90°-δ)电角度。由于定、转子磁势相
互作用产生的平均电磁转矩是定、转子磁势间夹角θ(θ=90°-δ)的函数，当θ=90°时，平均电
磁转矩最大，所以为了得到最大的平均电磁转矩，必须使δ=0，这就是人们通常所说的“最
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佳换相逻辑”。然而在无刷直流电机无位置传感器控制的起动过程中，由于反电势信号无法
检测，没法准确的获得换相信号，很难实现最佳换相，所以在起动过程中δ是个不确定值，
受电机参数、起动方法等诸多因素的影响。通常，起动过程中，每次换相时，磁势有两种可
能出现状态，即超前或滞后[5]。
关于δ对于起动过程的影响，文献6通过理论分析得出以下结论：
155
当δ<0时，转子位置滞后理想转子位置，电流相位超前，假如电机受到负载扰动，转速
下降，则转子磁势平均位置更加滞后于定子磁势，δ绝对值增大，电磁转矩变小，这样转速
继续减小，δ绝对值继增大，最终将导致失步造成电机起动失败。图10反映出的波形就是
LV8800起动失败的情况。此时可适当降低外施电压和调整OSC Pin电容以使电机能够正常起动。
图11 LV8800起动失败波形
Fig.11 Failure start waveform of LV8800
当δ>0时，转子位置超前理想转子位置，电流相位滞后，假如电机受到负载扰动，转速165
降低，则转子磁势平均位置更加滞后于定子磁势，δ绝对值增大，电磁转矩变大，形成负反馈系统，电机能够稳定运行。所以在起动过程中，必须保证δ>0以使电机平稳、成功起动[6]。
4结论
在分析了无刷直流电机无位置传感器反电动势控制法原理的基础上，提出了一种预定位起动和强制换相起动相结合的方法。当电机预定位起动方法不能正常起动时，电机进入强制换相起动模式。一般情况下，强制换相的方法都能够满足马达顺利起动条件δ>0。如果遇到170
特殊情况，还可以通过调节OSC Pin外挂电容的容值以改变强制换向频率使电机顺利起动。
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