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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作者：李娜苏永新来源：《数字技术与应用》2013年第06期摘要：本文结合实际工程项目需求介绍了无位置传感器无刷直流电机控制方法。
首先介绍了无刷直流电机的组成及工作原理，其次介绍了转子位置检测及换相方法，最后介绍了电机启动控制的实现。
实践证明该控制系统具有启动速度快、运行稳定、调速范围广、位置检测精确性高等优点，起到了很好的控制效果，具有广泛的应用价值。
关键词：无位置传感器无刷直流电机反电动势过零比较三段式启动中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0017-03传统直流电机具有控制简单、调速范围广及运行效率高等优点，但是由于机械电刷及换向器的存在带来了火花、噪声、电磁干扰等弱点导致直流有刷电机运行可靠性差、维护麻烦从而限制了其应用范围。
直流无刷电机（BLDCM）是在有刷直流电机基础上发展起来的，取消了传统有刷电机利用电刷和机械换向器，利用电子开关逆变线路通过检测转子位置进行换向，具有结构简单、价格低廉、控制方便等优点得到了广泛的应用。
1 直流无刷电机的组成2 直流无刷电机的工作原理3 转子位置检测4 电机的启动控制无位置传感器无刷直流电机的启动是电机控制的难点，在电机空间气隙磁场确定的情况下，无刷直流电机在运行过程中产生的感应反电动式幅值与转子转速成正比。
由于电机在静止及转速较低情况下产生的感应电动势幅值为零或幅值较低，不足以被位置检测电路捕获到反电动式过零点，无法进行自动换向操作。
为了保证无刷直流电机的正常启动需要在启动过程中采取相应措施，目前无刷直流电机最常用的启动方法为“三段式”启动，如图8所示。
由于电机转子位置预定位后转子相对定子绕组仍处于静止状态，在电机绕组中感应电动势为零。
为了使电机转子旋转，需要按一定顺序给各相绕组施加一个切换频率由低到高、绕组内流通电流强度不断增强的他控同步加速信号。
在机壳内部气隙间产生交变的旋转磁场，在该磁场牵引下带动转子跟随旋转。
无位置传感器BLDCM起动控制仿真研究孟光伟;向东;吴强;熊浩【摘要】针对无位置传感器的三相永磁无刷直流电机的控制,分析了120°导通三相逆变器的SVPWM控制,提出了具有SVPWM控制和电流调节控制的无位置传感器BLDCM的起动控制,其中电流调节控制采用两点式比较器控制.该起动控制方法不但能有效控制起动电流大小,而且能改善BLDCM开环起动性能.在Matlab/Simlink环境下,以模块化方式,综合运用Matlab中的S-函数以及Matlab/Simlink/SimPowerSystems元件库中的电气元件模型,建立三相永磁BLDCM起动控制系统的仿真模型.仿真结果表明,基于SVPWM和电流调节控制的起动控制,不但优于升频起动控制,而且在保持对二二导通BLDCM电流调节控制的基础上,使得BLDCM的开环起动性能更好.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2014(049)006【总页数】6页(P18-23)【关键词】无刷直流电机;电压空间矢量;起动控制【作者】孟光伟;向东;吴强;熊浩【作者单位】海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033;海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033;海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033;海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TM301.20 引言对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器永磁无刷直流电机(BLDCM)的起动来说，由于静止以及低速时很难检测到反电动势信号，从而使得电机怎样顺利起动成了重要问题。
目前一般采用的方法是先他控同步式起动，使电机加速到反电势可以被检测到的速度，然后再利用反电动势检测法切换到自控同步方式。
文献［1-3］采用三段式起动方法，即首先给任意的两相定子绕组通电一定时间，转子将被定位在相应的位置上，然后给出频率逐渐增高的换相信号，电机将被加速，当电机到达一定转速后切换至自同步运行。
微 处 理 机M I CROPROCESS ORS基于PI C16F877的无位置传感器直流无刷电机控制系统岳 鹏,孙佩石(合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心能源研究所,合肥230009) 摘 要:本文介绍了基于单片机P I C16F877的直流无刷电动机控制系统。
主要分析了反电动势感应方法,并阐述了虚拟中点法和三段式起动技术。
关键词:无刷直流电动机;反电动势;无位置传感器;P I C16F87X中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1002-2279(2005)04-0070-03The Co n tr o l S ys tem o f S en so rl e s s and BLDC Mo t o r B a sed o n P I C16F877Y UE Peng,S UN Pei-shi(Heifei U niversity of Technology,Hefei230009,China) Abstract:This paper p resent a sens orless and BLDC mot or contr ol syste m based on P I C16F877.The technique of back E MF inducti on in BLDC mot or is analyzed,the“virtual neutral point”method and the technique of“3-step”start are intr oduced.Key words:BLDC mot or;Back-E MF;Sens orless contr ol;P I C16F87X1 前 言直流无刷电机由于没有电刷,具有可靠性高,容易维护等一系列优点,在实际中得到了广泛的应用。
它通过电子方式来实现换相,由于需要知道转子的位置,所以要增加位置检测装置。
但位置传感器的存在带来诸多不利影响,因此,近年来国内外对直流无刷电动机的无传感器控制做了不少研究,提出了不少方法。
年第期无位置传感器无刷直流电机起动方法在煤矿机车上的应用宁永威1李韧2于鹏2（1神华集团神东煤炭分公司，陕西榆林719315；2辽宁工程技术大学，辽宁葫芦岛125105）摘要给出了以数字信号处理器TMS320LF2407A为控制核心的系统结构，并对常用的起动方法进行比较分析，对永磁无位置传感器无刷直流电机的转子位置检测及起动进行了研究，并采用了新的定位－切换方法，说明了该方法的正确性和有效性。
关键词：无刷直流电机；无位置传感器；位置检测；起动A Starting Method of the Permanent-Magnet BLDC Motor s without PositionSensor for Mine Motorcycle ApplicationNing Y ongwei1Li Ren2Y u Peng2(1.China Shenhua Shendong Coal Branch,Y ulin,Shanxi719315;2.Liaoning Technical University,Huludao,Liaoning125105)Abstr act System based on TMS320LF2407A is given.From the analysis of the commonly used starting method，the rotor position detection and starting of permanent-magnet brushless DC motor (BLDCM)without position sensor are studied.adopted a new location-switching method for experiment. The test shows the correctness and effectiveness of the method.Key words：brushless DC motor；without position sensor；position detection；starting1引言传统的牵引电机都是采用有刷电机驱动，由于电机碳刷换向器的问题，造成保养维护的麻烦和困难，有刷直流电机无法做成密闭型结构，因此不适合应用在不良的环境；永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor,BLDCM）没有碳刷和换向器，因此电机可以设计成适用各种环境的密闭结构，无刷直流电机结构简单、运行可靠、性能优良，已广泛应用于航空航天、机器人、交通、煤矿自动化和工业自动化等领域。
基于STM32无位置传感器无刷直流电机控制器设计一、本文概述本文主要探讨了基于STM32无位置传感器无刷直流电机控制器的设计。
随着现代科技的不断进步，电机控制技术也在日益成熟。
无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）作为一种高效、低噪音的电机类型，被广泛应用于各种工业和消费电子产品中。
然而，传统的无刷直流电机控制器通常需要位置传感器来监测电机的运行状态，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能因为传感器的故障或误差影响电机的控制效果。
针对这一问题，本文提出了一种基于STM32的无位置传感器无刷直流电机控制器设计方案。
该方案利用STM32微控制器强大的处理能力和灵活的编程接口，结合先进的电机控制算法，实现了对无刷直流电机的无位置传感器控制。
文章首先介绍了无刷直流电机的基本原理和控制方法，然后详细阐述了基于STM32的无位置传感器控制器的硬件和软件设计，包括电机驱动电路、电流采样电路、控制算法等关键部分。
通过实验验证了所设计的无位置传感器无刷直流电机控制器的有效性和可靠性，为无刷直流电机的无位置传感器控制提供了一种新的解决方案。
本文的研究不仅有助于推动无刷直流电机控制技术的发展，还可为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和借鉴。
通过深入研究和不断优化无位置传感器无刷直流电机控制器的设计，有望进一步提高电机的控制精度和效率，降低系统成本和维护难度，推动无刷直流电机在更多领域的应用。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（Brushless Direct Current，简称BLDC）是一种采用电子换向器替代传统机械换向器的直流电机。
它利用电子换向技术，实现了电机的高效、低噪音、长寿命运行。
无刷直流电机通常由永磁体、定子、转子和电子控制器四部分组成。
无刷直流电机的基本工作原理是电磁感应和换向控制。
当电机定子上的线圈通电时，会产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场会与转子上的永磁体相互作用，从而使转子产生旋转力矩。
2010年第3期D设计分析esign and analysis无位置传感器无刷直流电动机的起动研究11收稿日期:2009-10-28基金项目:湖南省高校重点实验室(湘教通[2008]246)无位置传感器无刷直流电动机的起动研究李春菊,彭 磊,谢卫才(湖南工程学院,湖南湘潭411101)摘 要:提出一种估计内嵌式永磁无刷直流电动机静止时转子位置的新方法。
该估计方法的原理是基于由于定子磁饱和使得磁轴中无刷直流电动机的电流发生变化,其优点是转子初始位置的最大估算误差为6 ,电动机的起动转矩显著增加。
仿真结果表明了该方法的有效性。
关键词:无刷直流电动机;饱和;无传感器;起动转矩中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)03-0011-02St arti n g Study of a Position Sensor less Brushless DC M otorLI Chun -ju,PE NG L ei ,X I E W ei -cai(H unan I nstit u te of Eng ineeri n g ,X iangtan 411101,Ch i n a)Abstract :A new m ethod was proposed t o esti m ate the ro t o r positi on fo r a bu ilt-in P M brushless DC mo tor at stand stil.l A starting m ethod of the m otor w as i ntroduced .T he pr i nciple o f the esti m a ti on m et hod w as based on the var i ation of the BLDC M current i n the m agne tic ax i s due to t he magneti c satura ti on o f the stator core .T he advantage o f this m ethod is tha t the m ax i m u m esti m ated e rror of the i n iti a l ro tor positi on is 6 .Therefore ,the mo tor starti ng torque is i ncreased sign ifi cantl y .The si m ulati on results con fi r m the e fficti veness o f the m ethod .K ey word s :brush l ess DC m otor ;saturati on ;senso rless ;starti ng torque0引 言目前无传感器无刷直流电动机转子位置检测多采用反电势法[1-2],然而在电机静止或转速很低时,很难通过反电势过零点检测得到正确的位置信号,这就不可能或很难估计转子位置,使电机起动困难,且严重影响了电机的调速范围。
因此,如何克服反电动势法中电机起动困难,以及如何扩大电机调整范围就成为十分重要的课题。
而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电动机中如何更精确地检测转子位置信号。
电机静止时估计转子初始位置的一种比较常用的方法是定子铁心的饱和效应,即在电机转子磁极北极与定子绕组轴对应处,定子绕组电感值最小,通过施加电压矢量作用于电机的定子绕组来确定转子位置,以电感值最小处所对应的电压矢量为d 轴。
文献[3]提出了一种新的方法,该方法转子位置估计的最大误差为 15 。
本文提出的方法使转子位置估计的最大误差为6 ,与文献[3]的方法相比,起动转矩明显增大。
1转子初始位置估计原理转子位置估计是基于定子铁心的非线性磁化特性,即当定子绕组电流产生的磁场与转子磁场反向时,磁路饱和程度下降,磁阻下降,电感加大,定子电流减少;反之,磁阻增大,电感变小,定子电流增大。
图1为电压源逆变器(VSI)在d -q 平面的8个电压空间矢量,通过施加电压空间矢量和测量相应的定子电流,就可以估计出转子位置。
无刷直流电动机在静止时的等效电路如图2所示。
图3为随转子位置 变化的定子电感。
电感在转子d 轴时最小q 轴最大,因此,可使用电机磁饱和所产生的这个现象来估计转子初始位置。
2转子位置估计本文中转子位置估计分两个阶段。
第一阶段,D设计分析esign and analysis2010年第3期无位置传感器无刷直流电动机的起动研究12采用30 分解法估计转子位置,其最大位置估计误差为 15 ,第二阶段是本文所提出的采用一个简单的新方程来估计转子位置。
第一阶段分三个步骤:(1)如图4a 所示,将两个方向相反的电压矢量V 1、V 4相隔时间T s 先后施加到电机上,对应每个电压矢量测量出的直流母线采样电流分别存储为I 1和I 4,如果I 1大于I 4,则表明磁极北极比较靠近电压矢量V 1,这样磁极北极就处在图4a 阴影部分区域,则用180 分解度可估计转子位置。
(2)位于图4a 阴影部分区域的另两个电压矢量V 2、V 6在同一时期内交替使用,其对应的直流母线采样电流分别为I 2和I 6,则转子位置或d 轴比较接近直流母线采样电流较大的电压矢量。
例如,如果电流I 1大于I 2和I 6,则转子d 轴位于图4b 阴影部分区域。
(3)如果电流I 2大于I 6,则可断定转子d 轴位于图4c 阴影部分区域,反之,则转子d 轴位于图4d 阴影部分区域。
图4 转子位置估计在第二阶段中,为了精确地估计转子位置,采用第一阶段测量的电流,如果假定转子位置是在图4c 所示的区域,则使用的测量电流为I 1、I 2和I 6,这些电流在0 ~30 转子位置的仿真结果如图5所示。
结果表明,随着转子位置的增加,I 1和I 6减少,而I 2增加,电流差I 1-I 2、I 2-I 6和I 1-I 6对转子位置的仿真结果如图6所示。
假定I 1-I 2、I 2-I 6和I 1-I 6的线性近似值如图7所示,则转子位置 的估计值为:!=I 2-I 6I 1-I 6∀30(1)用式(1)可更精确地估计转子位置。
转子位置 !估计值的仿真结果和估计误差e 分别如图8和图9所示。
图9表明用式(1)可将最大估计误差减小到6 ,程序流程图如图10所示。
3起动方法无刷直流电动机在静止和起动时的电磁转矩可表示为[4]:T e =32p f is s i n ( s - r )(2)式中:p 为磁极对数; f 为永磁铁产生的恒磁通;|i s |为定子电流空间矢量的模; s 为定子电流空间角; r 为转子角;( s - r )为转矩角。
假设由永磁铁产生的磁通是恒定的,故可通过改变转子参照系中的q 轴定子电流i s q 来改变电磁转矩。
为获得恒转矩,i s q 必须恒定。
可断定:如果将转矩角设为90 ,就可得图11 电机的起动过程到最大转矩定子电流比。
因此,应施加沿q 轴的定子电压空间矢量使电磁转矩最大化。
图11为电机的起动过程。
首先,用式(1)估计转子位置,如果估计的转子位置为 !,为获得最大起动转矩,应施加垂直于转子位置 !的电压矢量(q 轴方向),(下转第41页)2010年第3期D设计分析esign andanalysis基于的直线电动机数据采集技术41文本格式、电子表格式等存入计算机,以备以后进行数据计算、处理和分析。
2.2直线感应电动机速度观测的数据采集在速度观测的数据采集中,需采集的样本为直线感应电动机初级端的电压、电流、频率及速度,一共四个模拟量,其相关DAQ ASSI T ANT 及滤波设置与前所述相类似。
其程序框图如图7所示,用户前面板如图8所示。
其中包括采集电压电流处理前后波形、速度处理前后波形,幅值、频率及相位差的计算结果显示等。
在图8中,A i 0、A i1是电机初端的两路电压信号(V),A i 2是其电流信号(A )。
图7 样本采集程序流程图(a)原始信号图形(b)经过滤波的图形图8 速度观测采集前面板3结 语笔者利用图形化软件LabV I E W 7设计的直线电机数据采集系统,系统中使用了DAQ 数据采集卡和高速计时器/定时器两套硬件设备,并通过直线感应电机的参数辨识和速度观测的两个数据采集的试验验证了此套设备用于监控系统中的可行性。
图形化软件LabV I E W 7和N I 的DAQ 采集卡完全能满足各种监控系统的可行性和高精度要求。
参考文献[1] Nati onal Instru m ents Corporati on .Lab V I E W 7Express M easure m e n tsM anual [M ].Nati onal Instrum en ts C orporati on,2003.[2] N ati ona l Ins tru m en ts C orporati bV I EW 7Express UserM anual[M ].Nati onal Instrum en ts C orporati on,2003.[3] Y i n L ,She L,Yang Q .The T echnology Research of 15c m*15c mM agnetic Suspen si on and Balance Syste m (M SBS)[M ].NASA /CP -1999-20910/P T2,M erch ,1999:711-726.[4] N ati ona l Instrum en ts C orporati on.DAQ PC IU serM anu al [M ].Nati onal I n strum ents Corporati on ,2003.[5] 王正光,周忠英,候伯亨,等.数据采集与处理[M ].北京:国防工业出版社,1985.作者简介:周琴(1975-),女,讲师,主要从事计算机检测和网络、智能、高电压技术以及虚拟仪器控制技术的研究。
(上接第12页)图11中,若施加的电压矢量角为(90 + !),则电压矢量V 2、V 3和V 0分别对应于持续时间T 2、T 3和T 0,T 2、T 3和T 0计算如下:T 2=M si n (60 - )T 3=M si n T 0=T s -(T 2+T 3)(3)式中:M 为调制指数;T s 为逆变器的一个开关周期。
4仿真结果电机仿真参数如下:磁极对数p =8,电机槽数为12,直流电压12V ,额定转速7000r /m i n ,每相绕组电阻1.9!,反电动势常数2.2mV /rad #s -1。
