无刷电机之无感方案控制难点解

直流无刷电机无位置传感器控制方法摘要：在直流无刷电机的使用过程中，不能很准确的接收换相信号，因此，就导致该电机无法实现对换相良好的控制，为了解决这类问题的出现，本篇文章将对直流无刷电机中无位置传感器进行研究与分析，并且找到有效的控制方法。

具体的方法是利用电机内部的各种装置之间的联系，来建立出一个直观的电机模型，之后通过电机内部反电势力的不断变化来研究反电势对于换相位置的影响，在经过一定的计算从而能够保证换相信号的准确性，最终实现对其良好的控制。

本篇文章通过具体的试验与测试来对控制的方法进行验证，最终得出，通过上述的方法，能够实现对其换相的控制。

关键词：直流无刷电机；传感器；换相位置；控制效果前言随着经济与技术的共同发展，使得各种工业也得到了快速的发展，由于直流无刷电机在使用的过程中效率非常高且其的构成比较简单，使得直流无刷电机在各个领域中都被广泛地应用，其中包括航天、汽车、家电、工具等等。

与以往的有刷的电机来说，直流无刷电机的组成部分少了电刷这一部分，但是直流无刷电机的作用原理却比有刷的更为复杂。

在直流无刷电机的使用过程中，可以适当地将电机的电路进行调整，从而更好地实现对于换相信号的收集，实现对其的控制，并能够有效地缩小该电机的体积。

一、直流无刷电机的主要构造在直流无刷电机的使用过程中，主要是通过内部的传感器来对换相位置进行检测。

传感器的种类非常多样，最常见的一般为电磁式传感器、光电式传感器以及霍尔式传感器这三种类型，根据需求的不同来选择合适的传感器类型。

与其他的传感器相比，霍尔式传感器的使用成本比较低，且具有较强的性能条件，因此，该类型的传感器被使用得更加广泛。

为了保证直流无刷电机使用的效率，需要对其进行有效地控制，从而提高对于换相信号搜集的准确性。

二、背景介绍随着经济与技术的共同发展，使得人们对于电机的需求越来越大，随之对电机也有了更高的标准。

过去，大多数使用的是直流有刷电机，但这种电机存在诸多缺陷，无法满足需求。

无位置传感器直流无刷电机控制关键技术研究无位置传感器直流无刷电机控制关键技术研究随着电子科技的迅猛发展，越来越多的电力电子技术被应用在日常生活中，无位置传感器直流无刷电机控制技术是其中之一。

该技术能够使电机受到更好的控制，在某些应用中具有巨大的优势。

本篇文章将探讨无位置传感器直流无刷电机控制技术的研究现状以及未来的发展方向，旨在为该技术的研究和应用提供帮助。

一、无位置传感器直流无刷电机控制技术背景及概述直流无刷电机（BLDC）是一种具有潜力的驱动器，拥有高效、低噪声等优点，并且越来越多地应用于工业、农业、医疗、家用电器、交通等领域。

传统的直流电机控制系统需要使用位置传感器来确定转子位置，获得可控的旋转方向和速度。

但是，位置传感器通常是昂贵的，且在操作过程中容易出现故障，同时会产生误差，这些因素均会影响电机的运行稳定性和可靠性。

为此，研究人员逐渐转向寻找无位置传感器控制技术，以减少成本和提高可靠性。

无位置传感器控制技术可以消除电机的位置传感器，因此在电机控制系统中的总成本和故障风险都会降低。

然而，由于无位置传感器的电机控制系统无法达到传感器控制系统的高速度、低噪声、较好的控制精度等优点，在实际应用中无位置传感器的电机控制技术面临着许多挑战和难题。

为了解决这些问题，人们开始研究各种直流无刷电机无位置传感器控制技术。

二、无位置传感器直流无刷电机控制技术研究现状及挑战目前，实现无位置传感器直流无刷电机控制技术的主要方法有Hall 传感器、反电动势（back EMF）、计算力矩等多种技术。

这些方法的基本原理是利用反电动势在旋转过程中产生的特征来确定旋转速度和位置。

具体来讲，Hall 传感器依赖于固定的磁场，可以直接检测到旋转方向和位置；反电动势则是利用电机的反电动势信号来估算旋转方向和位置信息；计算力矩则是利用机械特性和电特性的反馈信息，来估算输出速度和位置。

尽管无位置传感器直流无刷电机控制技术的研究在过去十年中逐渐成熟，但是目前仍然面临着许多挑战。

无刷直流电机无位置传感器控制方法综述所谓的无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械的位置传感器控制。

在电机运转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。

所以，目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。

1.反电势过零点法（端电压法）：基于反电动势过零点的转子位置检测方法是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下。

通过检测断开相反电动势过零点。

依次得到转子的六个关键位置信号。

但是存在如下缺点：反电动势正比于转速，低速时不能通过检测端电压来获得换相信息故这种方法严重影响了电机的调速范围。

使电机起动困难；续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号。

尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能使得反电动势法无法检测。

反电势过零检测法的改进策略：针对以上缺点,利用神经网络的非线性任意逼近特性, 提出一种基于神经元网络的电机相位补偿控制。

首先由硬件电路获得有效的反电动势信息, 再利用BP 神经网络进行正确相位补偿, 实现无刷直流电机的无位置传感器控制, 获得了较好的效果[1]。

还有一种采用人工神经元网络的永磁无刷直流电机反电势预测新方法, 采用神经元网络方法对永磁无刷直流电动机反电势波形准确预测的结果进一步用于电机动、静态特性的仿真或预测, 这将比假设电机反电势波形为理想正弦波或梯形波所进行的仿真更接近电机的实际运行结果。

较之传统的路和场的计算方法, 达到了快速性和准确性的统一, 且由于神经元网络的自学习神经元网络成功训练后, 就可以用以预测所研究类型的永磁无刷直流电机的反电势波形[2]。

直接检测法，通过比较逆变器直流环中点电压和电机断开相绕组端电压的关系, 直接检测到断开相绕组反电动势的过零点, 再将该过零点延迟30°电角度即可获得无刷直流电机绕组换相所必须的转子位置信号。

无感无刷电机控制电路知识点
无感无刷电机控制电路是一种常见的电机控制方案，其特点是具有高效、低噪音和可靠性强等优点。

下面将从控制原理、电路设计和应用场景三个方面进行介绍。

一、控制原理
无感无刷电机控制电路的核心是通过传感器检测电机转子位置，然后按照一定的算法控制电流进行驱动。

与传统的有刷电机相比，无感无刷电机不需要刷子与转子直接接触，大大减少了摩擦和磨损，提高了电机的寿命和稳定性。

二、电路设计
无感无刷电机控制电路通常由功率电路和控制电路两部分组成。

功率电路主要包括电机驱动芯片、功率管和滤波电路等，用于将控制信号转化为电机驱动所需的高电流和高电压。

控制电路主要由微控制器或数字信号处理器组成，负责接收传感器反馈信号、计算电机的转子位置和速度，并实时调整电流输出，控制电机的运行状态。

三、应用场景
无感无刷电机控制电路在众多领域有着广泛的应用。

在家电领域，它常用于空调、洗衣机和冰箱等产品中，可实现高效、节能的运行。

在工业自动化领域，无感无刷电机控制电路广泛应用于机器人、传送带和自动化生产线等设备中，提高了生产效率和精度。

此外，无感无刷电机控制电路还被应用于电动车、无人机等交通工具中，以
提供高效、稳定的动力输出。

总结：无感无刷电机控制电路是一种高效、低噪音、可靠性强的电机控制方案。

通过传感器检测电机转子位置，控制电路实时调整电流输出，实现对电机的精确控制。

该技术在家电、工业自动化和交通工具等领域具有广泛的应用前景。

无刷直流电动机无传感器低成本控制方法关键词：无刷直流电动机无位置传感器控制可编程逻辑器件1引言无刷直流电机的无传感器控制是近年来电机驱动领域关注的一项技术。

无位置传感器控制的关键在于获得可靠的转子位置信号，即从软、硬件两个方面间接获得可靠的转子位置信号来代替传统的位置传感器［1~3］。

采用无传感器控制技术的无刷电机具有结构简单、体积小、可靠性高和可维护性强等优点，使其在多个领域内得到了充分的利用［4］。

目前对于无传感器无刷电机的控制多采用单纯依靠DSP软件控制的方法［5］，但是由于控制算法计算量大，执行速度较慢，且DSP成本较高，不利于以后向市场推广。

同时也出现了应用于无传感器BLDCM控制的一些专用的集成电路［6］，但由于这些芯片可扩展性和通用性较低，而且价格昂贵，只适用于低压、小功率领域。

为了扩展无传感器BLDCM应用领域，降低其控制系统的成本，扩充控制系统的功能，增加控制系统的灵活性，本文以MCU+PLD方式组成控制系统的核心，利用PLD数字逻辑功能，分担MCU 的逻辑运算压力，使MCU和PLD的功能都得到了最大程度的发挥。

对于无位置传感器BLDCM控制系统，本文着重分析了换相控制策略和闭环调速，最后通过仿真和实验，验证了控制系统的合理性和可行性。

2系统的总体硬件设计本文中所设计系统是以8位PIC单片机和PLD构成的硬件平台，硬件结构框图如图1所示。

功率逆变电路采用三相全桥逆变结构，电机定子绕组为Y接法，电机工作模式为三相6状态方式。

在本文无传感器控制方式中采用反电动势过零位置检测方法，位置检测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入PIC单片机进行软件移相后得到3路换相信号，由可编程逻辑器件进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极信号，通过驱动芯片IR2233产生驱动信号以控制各开关管的导通与关断。

该系统采用速度单闭环方式，通过改变PWM的占空比以达到调速的目的。

本文中选用Microchip 公司的单片机PIC16F874作为控制核心，它内部有8K的FLASH 程序存储器，368字节的数据存储器（RAM），256字节的EEPROM数据存储器，14个中断源，8级深度的硬件堆栈，3个定时/计数器，两个捕捉/比较/PWM （CCP）模块，10位多通道A/D转换器等外围电路和硬件资源⑹。

电机高频注入原理_STM32TALK无感FOC方案原理机器控制难点分析一、电机高频注入原理电机高频注入是一种通过在电机中注入高频信号来实现无传感器场定位的方法。

在传统的电机控制中，需要使用传感器来获取电机的位置信息，从而实现闭环控制。

而在无感FOC方案中，通过在电机中注入高频信号，可以通过对电机响应的观测来推测电机的位置，从而实现闭环控制。

具体实现时，需要在电机的定子绕组中注入高频信号，这个高频信号被称为注入信号。

注入信号的频率需要远高于电机运行的频率，通常是几十倍甚至几百倍。

注入信号的功率一般很小，通常是电机运行时功率的几千分之一、通过在电机中注入高频信号，可以在电机响应中观察到一系列的谐波成分，这些谐波成分与电机的位置息息相关，通过对这些谐波成分的观测和分析，就可以推测出电机的位置。

二、STM32TALK无感FOC方案原理STM32TALK是一种基于STM32微控制器的无感FOC方案，该方案通过在电机中注入高频信号，实现无传感器的场定位。

具体实现时，STM32TALK方案使用了一种称为“注入信号模型”的方法来推测电机的位置。

注入信号模型是通过将电机的注入信号与电流进行数学运算，得到一个与电机位置相关的信号，通过对这个信号的观测和分析，就可以推测出电机的位置。

具体实现时，STM32TALK方案使用了一种称为“注入信号模型”的方法来推测电机的位置。

在注入信号模型中，注入信号与电流的乘积被称为“注入信号模型值”，这个值与电机的位置相关。

通过对注入信号模型值的观测和分析，就可以推测出电机的位置。

为了实现这个推测，STM32TALK方案使用了一种叫做“模型匹配”的方法，即将注入信号模型值与一系列预先计算好的模型值进行匹配，通过寻找最佳匹配，就可以得到电机的位置。

在实际的机器控制中，无感FOC方案面临着一些难点和挑战。

1.高频信号注入：高频信号注入需要在电机中注入高频信号，这对于电机和电机驱动器的设计和实现提出了一定要求。

无刷直流电动机无传感器低成本控制方法关键词：无刷直流电动机无位置传感器控制可编程逻辑器件1 引言无刷直流电机的无传感器控制是近年来电机驱动领域关注的一项技术。

无位置传感器控制的关键在于获得可靠的转子位置信号，即从软、硬件两个方面间接获得可靠的转子位置信号来代替传统的位置传感器[1~3]。

采用无传感器控制技术的无刷电机具有结构简单、体积小、可靠性高和可维护性强等优点，使其在多个领域内得到了充分的利用[4]。

目前对于无传感器无刷电机的控制多采用单纯依靠DSP软件控制的方法[5]，但是由于控制算法计算量大，执行速度较慢，且DSP 成本较高，不利于以后向市场推广。

同时也出现了应用于无传感器BLDCM控制的一些专用的集成电路[6]，但由于这些芯片可扩展性和通用性较低，而且价格昂贵，只适用于低压、小功率领域。

为了扩展无传感器BLDCM应用领域，降低其控制系统的成本，扩充控制系统的功能，增加控制系统的灵活性，本文以MCU+PLD方式组成控制系统的核心，利用PLD数字逻辑功能，分担MCU 的逻辑运算压力，使MCU和PLD的功能都得到了最大程度的发挥。

对于无位置传感器BLDCM 控制系统，本文着重分析了换相控制策略和闭环调速，最后通过仿真和实验，验证了控制系统的合理性和可行性。

2 系统的总体硬件设计本文中所设计系统是以8位PIC单片机和PLD构成的硬件平台，硬件结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构硬件框图功率逆变电路采用三相全桥逆变结构，电机定子绕组为Y接法，电机工作模式为三相6状态方式。

在本文无传感器控制方式中采用反电动势过零位置检测方法，位置检测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入PIC单片机进行软件移相后得到3路换相信号，由可编程逻辑器件进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极信号，通过驱动芯片IR2233产生驱动信号以控制各开关管的导通与关断。

该系统采用速度单闭环方式，通过改变PWM的占空比以达到调速的目的。

无位置传感器控制技术是无刷直流电机研究的热点之一，国内外相关研究已经取得阶段性成果。

在无刷直流电机工作过程中，各相绕组轮流交替导通，绕组表现为断续通电。

在绕组不通电时，由于绕组线圈的蓄能释放，会产生感应电动势，该感应电动势的波形在绕组两端有可能被检测出来。

利用感应电动势的一些特点，可有取代转子上的位置传感器功能，来得到需要的换相信息。

由此，就出现了无位置传感器的无刷直流电动机。

尽管无位置传感器控制方式使得转子位置检测的精确度有所降低，但由于取消了位置传感器，电机的结构更加简单，安装更加方便，成本降低，可靠性进一步提高，在对体积和可靠性有要求的领域以及不适合安装位置传感器的场合，无位置传感器无刷直流电机应用广泛。

无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。

无位置传感器技术是从控制的硬件和软件两方面着手，以增加控制的复杂性换取电机结构复杂性的降低。

以采用120o电角度两两导通换相方式的三相桥式Y接无刷直流电机为例，讨论基于现代控制理论和智能算法的无刷直流电机无位置传感器控制方法。

转子位置间接检测法目前无刷直流电机中主要采用电磁式、光电式、磁敏式等多种形式的位置传感器，但位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合的应用，主要体现在：1、位置传感器可使电机系统的体积增大；2、位置传感器使电机与控制系统之间导线增多，使系统易受外界干扰影响；3、位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，系统运行可靠性降低4、位置传感器对安装精度要求较高，机械安装偏差引起的换相不准确直接影响电机的运行性能。

无位置传感器控制技术越来越受到重视，并得到了迅速发展。

依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括反电势法、磁链法、电感法及人工智能法等。

反电势法反电势法（感应电动势过零点检测法）目前是技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。

直流无刷电机无传感器启动方法讨论【摘要】本文详细分析了三种反电动势法检测转子位置启动的方法及其缺陷，在此基础上，提出一种可以获得精确估计的转子位置和准确换相的拟合计算，并用实验加以论证，旨在为直流无刷电机无传感器的启动提供技术参考。

【关键词】无刷直流电机；无传感器；反电动势一、反电动势法检测转子位置启动的方法及其缺陷1.三段式启动法通电后，电机开始加速，当产生明确的反电动势时，电机停止加速并进行强制换向，切换至自同步状态。

上述过程可以分解为：自定位、强制加速和切换至自同步，因此，被命名为三段式启动法。

由于三段式启动的阶段区分过于明显、过渡的不好，在切换时刻，电机往往运行的不平稳，所以三段式启动法适用于电机所带负载较轻的情况，它的通用性不强[1]。

2.升频升压法如图1所示，启动电路通电后，电容C两端的电压逐渐上升，一方面这一电压信号经过压控振荡器和分配器的处理后变为时钟信号，然后再经过环形分配器的处理变为换相信号，通过控制换相信号进一步控制电机绕组的闭合和导通。

另一方面电容C两端的电压信号被调制成占空比可控的PWM信号，电机绕组的电压会随着PWM信号占空比的变化而变化。

加在绕组上的电压与频率随着电容C两端的电压逐渐上升而逐渐变大，电机开始加速运行。

此外，将电容C两端的电压信号和比较器设置的阈值相比较，小于阈值时，电机加速，等于阈值时，电机立刻停止加速，切换到自同步运行状态。

采用升频升压法启动无传感器的无刷电机的成功率较大，但是这种方法占用的PCB板面积很大，不适用于微型应用的场合，并且所需的控制电路比较复杂，所使用的元器件很多，大大降低了电机的可靠性[2]。

图1电路结构框图3.预定位启动法对电机的绕组通电可以形成磁场，这一磁场定位了电机的位置，由于磁场的作用，电机的转子会向着磁场的轴线方向进行旋转,直到转子的磁极和磁场的轴线方向重合。

电机绕组的通电时间要控制好，确保转子的磁极有足够的时间和磁场的轴线方向重合，实现定位。

微型无刷直流电机的无位置传感器控制0 引言在一些应用场合要求使用的电机体积小、效率高、转速高，微型永磁无刷直流电机能够较好地满足要求。

因为电机体积较小，安装位置传感器困难，所以微型无刷直流电机的无位置传感器控制就显得尤为必要。

无刷直流电机的无位置传感器控制的难点在于转子位置信号的检测，目前国内外研究人员提出了诸多方法，其中反电动势法最为简单、可靠，应用范围最广泛。

普遍采用的控制方案为基于DSP 的控制和基于专用集成电路的控制等，但是其价格高、体积大，不利于用在微型电机控制器中。

本文介绍基于C8051F330 单片机、检测反电动势法的无位置传感器无刷直流电机的控制器，系统结构简单，体积超小型，价格低廉，运行性能良好。

1 无传感器无刷直流电机的控制方式实现无刷直流电机电子换相及PWM 控制的逆变器主电路如图1a 所示。

采用两两通电方式，即每一个瞬间有两个功率管导通，每隔60°电角度换相1 次，每一功率管导通120°电角度。

功率管的导通顺序是：V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5V5V6。

在方波无刷直流电机中，定子绕组的反电动势波形(即气隙磁通波形)为正负对称的梯形波，如图1b 所示。

从图中可以看出当检测到不通电相绕组的反电动势为零时，以此作为起点滞后30°电角度，即为最佳换相时刻。

因此只要测出各相反电动势的过零点就可获得三相电机所需的6 个关键位置信号，进而实现定子绕组的正确换流。

电动机绕组中性点0 一般未引出，直接测定绕组反电动势相值比较困难，而便于测量的是三相定子绕组对地的端电压。

端电压过中点(直流电源电压的一半)与反电动势过零点在时间上是重合的，所以寻找。

无刷直流BLDC电机控制解决方案无刷直流(BLDC)电机正迅速成为要求高可靠性，高效率和高功率体积比的应用的自然选择。

这些电机在很宽的速度范围内提供大量的扭矩，并且与有刷电机具有相似的扭矩和速度性能曲线特性(尽管有刷电机可提供更大的静止扭矩)。

BLDC电机由于消除了传统直流电机换向时使用的电刷而具有显着的可靠性。

刷子磨损，降低了电机的性能，最终必须更换。

相反，在额定参数范围内运行时，BLDC 电机的预期寿命可超过10，000小时或更长。

与传统装置相比，这种寿命以及随后的维护和备件成本的降低可以抵消电机的较高初始成本。

BLDC电机正在进入最具成本意识的应用领域。

例如，在汽车领域，BLDC电机的使用正在飙升。

汽车制造商尤其被电机在机械工作中转换电能的效率所吸引，这有助于降低对车辆电力系统的需求(图1)。

根据分析师IMS的研究，到2018年，6亿只BLDC电机将用于内燃机驱动的轻型车辆，而2011年则为2亿只。

(BLDC电机的大型版本在电动和混合动力汽车中已经很常见。

)图1：BLDC电机，如用于水泵的这种装置，正在取代汽车应用中的传统电机(Melexis提供)。

BLDC电机的这种兴趣促使芯片供应商为该单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。

本文将详细介绍BLDC 电机控制芯片- 用于驱动逆变桥的设备，最终激活电机线圈并控制速度和方向等参数。

减少霍尔传感器故障飞兆半导体公司拥有BLDC电机控制的悠久历史，最近推出的FCM8201芯片仍在继续。

该器件专为感应BLDC 电机控制而设计。

(传感电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以辅助电子换向序列)。

FCM8201的关键技术进步是它可以选择脉冲宽度调制(PWM)模式。

有两种PWM模式可供选择：正弦波模式和方波模式。

方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技术，可提高电机驱动效率。

Fairchild解释说，该器件还内置霍尔信号调节电路，可为每个传感器信号输入产生3至6μs的“去抖”时间。

无传感器BLDC控制与应用技巧无传感器无刷直流电机（BLDC）控制是现代控制领域中的一项重要技术。

传统的BLDC控制方法需要安装霍尔传感器以检测转子位置，然后采用相应的控制算法来控制电机运行。

然而，安装传感器增加了成本和复杂性，并且有时传感器可能会出错。

1.简化的控制算法：传统的BLDC控制算法有时很复杂，需要对传感器信号进行处理和校准。

无传感器BLDC控制算法可以通过简化反电势测量和位置估算来减少计算负担。

例如，可以使用反电势过零点来确定转子位置，并使用插补方法计算转子角度。

2.直接电流测量：传统的BLDC控制方法使用传感器测量电流，然后进行反电势测量和位置估计。

无传感器BLDC控制可以通过直接测量电流来省略传感器。

这可以通过在电机驱动器中添加简单的电流传感器来实现。

3.传感器故障检测和补偿：无传感器BLDC控制可以通过监测反电势和电流的变化来检测传感器故障。

当检测到传感器故障时，可以采取相应的补偿措施，如使用位置估计算法替代传感器信号。

4.自适应控制策略：无传感器BLDC控制可以通过采用自适应控制策略来提高系统性能。

自适应控制可以根据电机特性和负载要求自动调整控制参数，以实现更好的控制性能。

1.异步电机驱动：无传感器BLDC控制可以用于驱动异步电机，以实现高效的电机控制。

传统的异步电机控制通常需要复杂的硬件电路和控制算法，而无传感器BLDC控制可以提供更简单和有效的解决方案。

2.电动汽车：无传感器BLDC控制在电动汽车中得到了广泛应用。

电动汽车需要高效和精确的电机控制，以提供良好的动力性能和节能性能。

无传感器BLDC控制可以通过减少传感器的使用来降低成本和复杂性，同时提高系统可靠性。

3.空调压缩机：无传感器BLDC控制可以用于控制空调压缩机的转速。

空调压缩机通常需要根据负载需求来调整转速，以提供适当的冷却效果。

无传感器BLDC控制可以根据负载要求自动调整控制参数，以实现高效的压缩机控制。

总之，无传感器BLDC控制是一项重要的技术，可以提供简化的控制算法、直接电流测量、传感器故障检测和补偿等优势。

•无刷电机之无感方案控制难点解析无刷无感控制在实际应用中极为广泛，人们对它的研究也尤为以久，它的控制难点主要有两点：第一，电机的启动；第二，转子位置的检测。

对于高压无感方案来讲，除了软件上的难点之外，硬件设计也不容忽视，如硬件设计稍有不当，会导致整个控制板的干扰很大，从而加大了整个方案成功的难度。

以下我们主要针对低压的无感方案进行讨论，对于低压的无感方案来讲，市面上的硬件设计都大同小异，检测转子的位置的方式也都几乎都采用反电动势检测法。

1、为什么无感方案电机的启动如此困难？对于无刷电机来讲，电机的运转是靠电子开关控制换相，那么想要电机正常高效的运转，就必须要知道转子的位置之后，才能正常换相，问题来了，电机没有传感器，也没有转起来，所以转子的位置就不得而知了，所以无感的启动就要自转启动，先让电机以一定的速率自转，在电机自动的过程中，我们通过检测反电动势来得知转子的位置，从而得到正确的换相的相位。

电机的自启动说起来简单做起来难，本人在调试众多无感方案的过程中，总结出以下几点经验供参考：（1）、首先是自转，自转一定要让电机运转顺畅，不能打抖，同时也不能造成大电流。

这是启动成功的非常关键的一步。

具体如何达到这个效果，就要各位在调试的过程中调节PWM占空比以及换相时间的长短了。

（2）、启动步数不能太少，也不要过多，一般十来步就够了，等电机运行十来步后开始检测反电动势，当检测到正确的反电动势后这时候电机就正常运转起来了。

2、如何检测反电动势检测反电动势的方法有两种，第一是用单片机内部AD采样反电动势信号来进行比较，第二是用比较器直接比较。

这两种方法思路都是一样，但依个人的经验来看，用比较器的方案更可靠，性能更好，特别是电机转速要求非常高时，用AD采样方法几乎是行不通的。

虽然用比较器方案更有优势，可为何在市面上用AD采样的方式也非常常见？这个主要是因为产品成本的问题。

用比较器方案做，要不在外部加一个比较器IC，不仅增加成本，同时也增大PCB的布板空间，其二就是找一个内部带AD的单片机，而这种单片机相对来讲通常价格偏高一些。

直流无刷电机控制器常见故障及排除方法直流无刷电机控制器是一种用于控制无刷直流电机的电子设备。

它主要负责接收来自控制信号源的输入信号，并通过电流和电压的控制来驱动无刷电机。

然而，由于长时间的运行和各种外部因素的影响，直流无刷电机控制器常常会发生故障。

以下是一些常见的故障以及相应的排除方法：1.电源故障：控制器无法正常工作或无法提供足够的电压和电流给无刷电机。

排除方法包括检查电源输入电压是否正常，更换电源或修复电源故障。

2.控制信号故障：无刷电机无法按照预期的方式运转或接收到错误的控制信号。

排除方法包括检查控制信号源和控制器之间的连接是否良好，检查控制信号源是否设置正确，如电压和频率等。

3.过载保护：当无刷电机负载过大时，控制器会自动停止工作以避免过热。

排除方法包括检查负载是否合理，如减少负载或使用更大功率的控制器。

4.电机启动困难：无刷电机无法启动或启动缓慢。

排除方法包括检查电机是否有损坏或卡住，检查控制器的启动设定是否正确。

5.温度过高：控制器温度过高可能是由于长时间运行、环境温度过高或风扇故障等原因导致的。

排除方法包括检查风扇是否正常运转，提高散热效果，如增加散热片或使用外部散热装置。

6.电流异常：无刷电机的电流超过额定值。

排除方法包括检查电流传感器是否正常工作，检查电机是否有短路或断路现象。

7.通信错误：控制器可能无法与其他设备正常通信，如无法接收或发送信号。

排除方法包括检查通信线路、信号源和控制器之间的连接是否良好，检查通信协议和参数设置是否正确。

总之，针对直流无刷电机控制器常见的故障，我们应该仔细检查和排除可能的问题，包括电源故障、控制信号故障、过载保护、电机启动困难、温度过高、电流异常和通信错误等。

通过有效的排除方法，我们可以及时解决这些问题，确保直流无刷电机控制器的正常工作。

第42卷 第5期2008年5月 西 安 交 通 大 学 学 报JOU RNAL OF XI AN JIAOTONG U NIV ERSITYVol.42 5May2008电动车用无刷直流电机无位置传感器控制研究曹建波,曹秉刚,王斌,许鹏(西安交通大学电动车研究开发中心,710049,西安)摘要:通过分析电动车用无刷直流电机换相原理及间接位置检测原理,设计了一种基于反电动势法的无位置传感器电动车控制系统,为消除电机中性点电压和阻容滤波对反电动势检测电路的影响,该系统对传统反电动势法进行了改进,将采样电路的参考点与电池负极断开,并通过软件设计进行了反电动势相移补偿.实验结果表明,改进后的无位置传感器控制系统消除了电机中性点电压对反电动势检测电路的影响,不论电机运行在低速还是高速状态,都可准确地检测反电动势的过0点,在进行了相移补偿之后,可成功实现无位置换相控制,从而提高了电动车控制系统的可靠性和稳定性.关键词:电动车;无刷直流电机;无位置传感器;反电动势法中图分类号:TP301 文献标志码:A 文章编号:0253-987X(2008)05-0597-05Position-Sensorless Control for Brushless DC Motor of Electric VehicleCAO Jianbo,CAO Bingg ang,WANG Bin,XU Peng(Research an d Development Cen ter of Electric Veh icle,Xi an Jiaoton g Un iversity,Xi an710049,China)Abstract:By analy zing the principle o f position-sensorless co ntro l fo r brushless DC motor(BLD-CM),a co ntro l sy stem by means o f back-electr omotive force(back-EMF)metho d is designed fo r electric v ehicle(EV).T o elim inate the influence on back-EMF detection circuit fr om motor neu-tral po int and RC filter,the reference point of detectio n circuit is disco nnected from battery cath-o de,and the phase shifting of back-EM F is compensated by softw ar e schem e.T he experimental results show that the control system of position-sensorless EV enables to eliminate the influence fro m mo to r neutr al point to r ealize zero-cro ssing detection accurately w henev er BLDCM r uns at hig h or low speed.The phase shifting once is co mpensated,the position-senso rless com mutation control is com pleted to ensure the system reliability and stability.Keywords:electr ic vehicle;brushless DC mo tor;po sition senso rless;back-electr omotive fo rce method由于电动车具有节能无污染以及方便快捷的特点,因此已经逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具.电动车主要包括车体、电机、电池、充电器和控制系统5大部分,电机作为电动车的动力部分,其性能直接决定了电动车的整车运行性能[1].永磁无刷直流电机(BLDCM)既具有交流电机的结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点,又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好、启动转矩较大等特点,在电动车领域被广泛应用[2].有位置传感器的BLDCM的缺点[3]为: 位置传感器难于安装,限制了电机的小型化,增加了电机的成本; 位置传感器比较容易损坏,难于维修,影响电机的寿命; 霍尔元件温度特性不好,导致了电机稳定性下降.因此,本文电动车采用无位置传感器的无刷直流电机.目前,国内外文献已对多种无位置传感器控制收稿日期:2007-09-12. 作者简介:曹建波(1980-),男,博士生;曹秉刚(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:陕西省中小企业创新基金资助项目(06C262100555).策略进行了研究.文献[4-9]中提出了很多方法,如反电动势法、相电流法、续流二极管法、磁链位置估计法、模型参考位置估计法、卡尔曼滤波器估计法和检测电机相电感变化的位置估计法等.这些方法多数均建立在电机参数精确预知的前提下,而在实际环境中许多电机参数并不确定,且有些参数随环境变化而变化,因此在实际运行过程中很难达到预期效果.反电动势法由于控制较简单可靠,稳定性好,因此是无位置传感器无刷直流电机中最常用的一种控制方法.本文针对电动车工况复杂的特点,决定采用该方法,并对反电动势位置采样电路和相移补偿进行了改进,设计了一种新型的电动车用无位置传感器控制器,实验结果表明,该控制器可成功进行换相控制,具有较高的精度.1 电动车控制系统的设计本文设计的无位置传感器电动车控制系统的框架如图1所示,控制系统的工作过程为:控制芯片收到调速信号和电机的反电动势位置信号后,将相应的脉宽调制(PWM)信号和6路驱动逻辑信号输送给场效应晶体管(M OSFET )驱动芯片IR2103,IR2103进行逻辑变换后调制6个M OSFET 驱动电机,通过速度计算和电流检测来反馈控制结果,在控制芯片中对反馈结果进行处理后再输出,形成闭环控制.与此同时,控制芯片还通过串行通信接口将相关的信息传输到显示面板,显示当前的工作状态.图1 无位置传感器电动车控制系统框图2 无位置传感器控制2 1 BLDC M 换相原理本文电动车应用的是具有梯形反电动势的无刷直流电机,采用三相桥式Y 形联接,120 两两导通的方式,无刷直流电机等效主电路的原理见图2.在允许的范围内做如下假设: 忽略齿槽效应,U s :电池电压;T 1~T6:场效应晶体管;u a 、u b 、u c :电机的三相端电压;r a 、r b 、r c :定子的三相内阻;L a 、L b 、L c :定子的三相电感;e a 、e b 、e c :定子的三相反电动势;i a 、i b 、i c :电机的三相相电流;u 0:电机定子绕组中性点的对地电压;A 、B 、C:电机的3个相图2 无刷直流电机等效主电路图绕组均匀分布于光滑定子的内表面; 忽略磁路饱和,不计涡流和磁滞损耗; 转子上没有阻尼绕组,永磁体不起阻尼作用.定子三相绕组的端电压方程[7]可表示为u a u b u c=r a 000r b 00r ci a i b i c+dd tL a000L b 000L ci a i b i c+e a e b e c+u 0u 0u 0(1)在允许的范围内,设r a =r b =r c =r m ,L a =L b =L c =L m ,则式(1)可简化为u a u b u c=r m 000r m 00r mi a i b i c +dd t L m 000L m 00L mi a i b i c+e a e b e c+u 0u 0u 0(2)电机的换相过程为:控制芯片根据转子位置信号判断相应导通的两相,通过对逆变器的T 1~T 6进行控制供电,形成旋转磁场,带动转子磁钢转动.电机三相的反电动势理想波形如图3所示.2 2 反电动势过0点检测原理及其采样电路设计由图3可知,无刷直流电机的反电动势波形是很好的检测电机转子磁极位置的信号,它能严格地反映转子磁极的位置.但是,在实际应用中电机反电动势不能被直接检测,因此必须利用间接方法来检测反电动势的波形.由于本文研究的对象是用于调速系统,而非伺服系统,所以只要检测到反电动势波形的过0点以保证电机准确换相即可,即利用未导通相的端电压来检测该相反电动势的过0点.598西 安 交 通 大 学 学 报 第42卷m 1~m 6:反电动势的过0点;n 1~n 6:电机换相点图3 反电动势的理想波形图现假设电机A 相和B 相导通,此时A 、B 两相电流和反电动势的大小相等,方向相反,C 相电流为0,即i a =-i b ,e a =-e b ,i c =0.将上面的条件代入式(2)可得中性点的电压和C 相反电动势过0点的检测方程[8]u 0=12(u a +u b )(3)e c =u c -u 0=u c -12(u a +u b )(4)同理,可得A 相和B 相的反电动势过0点检测方程e a =u a -12(u b +u c )(5)e b =u b -12(u a +u c )(6)从式(4)至式(6)中可以看出,反电动势的计算不包含中性点电压,可直接由端电压获取.计算得到反电动势过0点后再延迟30 ,即为电机换相点,其理想的换相逻辑如图3所示.MOSFET 导通顺序如表1所示.表1 MOSFET 导通顺序表过0点延迟角度/( )换相点M OSF ET 开关状态m 130n 1T 1、T 6导通,其余关闭m 230n 2T 3、T 6导通,其余关闭m 330n 3T 3、T 2导通,其余关闭m 430n 4T 5、T 2导通,其余关闭m 530n 5T 5、T 4导通,其余关闭m 630n 6T 1、T 4导通,其余关闭本文设计的电机反电动势采样电路如图4所示,为了消除u 0对反电动势检测电路的影响,将检测电路的N 点与电池负极断开,并将其与控制器的地相连,得到基于端电压的反电动势检测电路.由于消除了u 0对反电动势检测电路的影响,不论电机运行在低速还是高速,反电动势过0点的位置检测信号都不会产生波动,因此提高了控制系统的可靠性和稳定性.电机的端电压经过阻容分压滤波后得到电压u a1、u b1、u c1,再与参考电压u r 相比较,得到三相反电动势过0点的电压信号u a2、u b 2、u c2,并送到控制芯片中进行换相控制(见图5).2 3 反电动势的相移补偿由于反电动势的采样电路采用了阻容网络滤波,不可避免地就会使得反电动势的过0点产生相移,使位置检测不准确,应用中必须进行适当的相位修正.下面以A 相为例进行分析.由图4可得u a1相对于u a 的传递函数[9]u a1u a=R 2R 1+R 2+R 1R 2C 1s (7)根据式(7),可计算得到u a1相对于u a 的相位延迟角度=ar ctan2 R 1R 2C 1f R 1+R 2(8)式中:f 为反电动势频率,是与速度成正比的变量.如图6a 所示,当0 30 时,如果不考虑 的影响,真实换相点将由n 点偏移至n 1点,所以相位调整角 =30 - ,即检测到反电动势过0点后,延迟 换相.在这里也可以延迟 =90 - 后,在下一个换相点n 2点换相.如图6b 所示,当30 < 60 时, =90 - .由于 过大,而与之对应的换相点n 已经丢失,因此求得的是与m 1对应的下一个换相点n 2.总之,无论0 30 ,还是30 < 60 ,都可以将相位调整角统一描述为 =90 - ,从而避免了在编程实现时的分段操作,简化了编程,使实用性和可靠性更好.R 1~R 15:电阻;C 1~C 3:电容图4 反电动势采样电路图2 4 启动技术研究0启动问题是无刷直流电机无位置传感器控制599第5期 曹建波,等:电动车用无刷直流电机无位置传感器控制研究图5 u a2、u b2、u c2的换相逻辑图(a)0 30(b)30 < 60图6 反电动势的相移原理图的难点之一,电机在静止或转速较低时,由于反电动势为0或较小,无法通过检测反电动势的过0点来判断转子的位置,因此需要采用一定的启动方法使电机运转到可以稳定获得反电动势过0点的速度.目前,启动方法主要有三段式启动、预定位启动和升频升压同步启动法,以及短时检测脉冲转子的定位启动法等[10].结合电动车的工作特点,本文采用升频升压的软件启动方式.该方式无需附加任何启动控制电路,把无刷直流电机作为永磁同步电机来实现变频启动,由控制芯片产生PWM波形控制逆变器,使逆变器的换相频率从小到大慢慢地增加、电机定子的电压开始很小并逐步增加.与此同时,将PWM波形的参数送入比较器进行比较,当PWM的占空比达到一定数值时,也就是电压足够大、电机转速达到一定速度以后,就可以获得足够大的反电动势,此时就可以适时地将电机切换到利用反电动势检测信号控制换相的运行状态.3 实验研究本文设计的控制器以TI公司的数字信号处理器(DSP)TM S320LF2407A为控制芯片,以西安交通大学博源电动车公司的微型电动车作为实验平台,对反电动势采样电路、软件相移补偿、无位置传感器换相控制进行了实验测试.电动车所用电机为上海21所研制的安乃达无刷直流电机,额定电压为48V,额定功率为500W,电角度为120 .实验中使用Tex tr onix TDS1002型示波器对电机的电压信号和位置信号进行测试和记录.3 1 不同参考点对反电动势采样波形的影响如图7所示,图7b由于消除了电机中性点电压u0对反电动势检测电路的影响,不论电机运行在低速还是高速,反电动势过0点位置的检测信号都不会产生波动,因此提高了控制系统的可靠性和稳定性.(a)参考点为电池负极(b)参考点为N点图7 不同参考点的采样波形比较图3 2 反电动势相移补偿实验为了验证反电动势相移补偿的效果,通过软件设计输出了补偿后得到的位置波形u a2,并与实际的霍尔位置波形H a进行比较,结果如图8所示.未经补偿的反电动势采样波形不能直接用于驱动电机,因为它不是实际的换相点,和实际的换相点相比有个时间差,而补偿后的换相点与实际换相点基本吻合,达到了预期的效果,所以可以用来作为电机的换相信号.(a)未补偿波形(b)补偿后波形图8 反电动势的相移补偿对比实验3 3 无位置传感器换相控制实验通过采用升频升压的软件启动方式,电动车在600西 安 交 通 大 学 学 报 第42卷不同负载的情况下,都可成功启动,不会有错位和失步的现象.电动车正常运行时的换相波形如图9所示,从图9中可以看出,电机换相准确、平稳,达到了设计的目的.电动车在行驶过程中,与改进前的控制系统相比,其噪音和振动感明显降低,运行也更加可靠平稳.(a )u a 与u b 的波形图 (b )u a 与u a2的波形图图9 电机的换相控制波形图4 结 论本文在建立无位置传感器电动车控制系统主回路结构的基础上,进行了无刷直流电机无位置传感器控制的对比实验,得出的结论如下.(1)本文设计的基于反电动势法的无刷直流电机无位置传感器控制系统,将检测参考点与电池负极断开,消除了电机中性点电压对反电动势检测电路的影响,不论电机运行在低速还是高速状态,反电动势过0点的位置检测信号都不会产生波动,可很好地实现反电动势过0点的检测,因此提高了电动车控制系统的可靠性和稳定性.(2)通过软件设计进行相应的反电动势相移补偿之后,解决了由相移所带来的换相不准确的问题.控制系统在不同负载的情况下都可成功启动,并能准确平稳地实现无位置传感器的换相控制,因此具有更好的鲁棒性,使电动车驾驶更加平稳安全舒适.参考文献:[1] 曹秉刚,张传伟,白志峰,等.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报,2004,38(1):1-5.CA O Bing g ang ,ZH A NG Chuanw ei,BA I Zhifeng,et al.T echno lo gy pr og ress and trends o f electr ic vehicles [J].Jour nal of X i an Jiaotong U niver sity,2004,38(1):1-5.[2] 廖连莹,王仲范,邓亚东,等.电动汽车永磁无刷直流电机键合图建模与仿真[J].武汉理工大学学报,2003,25(6):192-195.LI AO Liany ing,W A NG Zhong fan,D EN G Y adong ,et al.Simulatio n of a per manent magnet brushless DC motor for electric vehicle using the bo nd gr aph method [J].Jo ur na l of W U T ,2003,25(6):192-195.[3] 王永. 反电势法 无刷直流电机控制系统研究[D ].南京:东南大学电气工程学院,2004.[4] CH EN Wei,XIA Changliang.Senso rless co nt rol o fBL DCM based on fuzzy lo gic [C] P ro ceedings o f the 6th Wo rld Cong ress o n I ntelligent Co ntro l and A uto -mation.Piscataw ay,NJ,U SA :IEEE P ress,2006:6298-6302.[5] 肖本贤,郭福权,娄天玲,等.基于模糊神经网络预测转角的无传感器无刷直流电动机换相控制研究[J].系统仿真学报,2003,15(8):1120-1135.XIA O Benx ian,G U O Fuquan,L OU T ianling,et al.T he co mmutat ion co ntr ol r esear ch of BL DCM based -on fuzzy neura l netw or k fo r est imating the rot or position [J].Jo ur nal of Sy stem Simulation,2003,15(8):1120-1135.[6] LA I Y S,SH YU F,T SENG S S.N ew init ial positiondetectio n technique fo r t hr ee -phase brushless DC mo tor wit ho ut position and curr ent sensor s [J].IEEE T r ans -actio ns o n Industr y A pplications,2003,39(2):485-491.[7] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M ].第2版.北京:机械工业出版社,2006.[8] 张相军.无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究[D].上海:上海大学电机与控制工程研究所,2001.[9] 杨华.电动自行车用无位置传感器无刷直流电机控制器研究[D ].西安:西安交通大学机械工程学院,2007.[10]吴筱辉,程小华,刘杰.反电势法检测转子位置的直流无刷电机系统起动方法[J].中小型电机,2005,32(5):60-63.WU Xiao hui,CH ENG X iaohua,L IU Jie.St arting metho ds of br ushless DC moto r using back EM F to monitor ro tor po sition [J].S&M Electr ic M achines,2005,32(5):60-63.(编辑 管咏梅)601第5期 曹建波,等:电动车用无刷直流电机无位置传感器控制研究。