无位置传感器无刷直流电机位置检测技术

电机刀枚剑盛用２００又３４（７）综述ＥＭｃＡ

无位置传感器无刷直流电机位置检测技术 周艳青，，尹华杰，，叶长青２（１．华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０；２．惠州出入境检验检疫局综合技术中心，广东惠州５１６００６）

摘要：无位置传感器控制技术是近３０年来无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）研究的一个重要方向。论述了国内外ＢＬＤｃＭ无位置传感器控制的研究现状。着重介绍了目前应用和研究较多的几种常规方法的基本原理、实现途径、应用场合以及优缺点等，并对它们作了综合分析和比较。 关键词：无刷直流电机；无位置传感器控制；位置检测 中图分类号：ＴＭ３０１．２：ＴＭ３３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３一５４０（２００７）０７．朋０１一５

ＰｏｓｉｔｉｏｎＤｅｔｅＣｔｉ０ｎｆｏｒＰ０ＳｉｔｉｏｎＳｅｎＳ０ｒｌｅＳＳＢｒｕｓｈＩｅＳｓＤＣＭ０ｔ０ｒ ＺＨ口ＵＹａｎ一娜ｎｇ，刀刃Ｈｕａ协。，ＹＥＣｈａｎｇ一娜ｎｇ（１．ＴｈｅＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ群，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕｓｌ０６４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｉｚｈｏｕＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＱｕａｒａｎｔｉｎｅＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏ群Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｕｉｚｈｏｕ５１６００６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｌａｓｔｔｈｒｅｅｄｅｃａｄｅｓ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＢＬＤＣｍｏｔｏｒｉｓａｇｅｎｅｒａｌｔｅｎｄｅｎｃｙ・ ＴｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｓｎｏｗｏｆｔｅｎｉｎ叩ｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｗｅｒｅｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ・ａｎｄａｌｌｔｈｏｓｅｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｓｂｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；Ｐ械Ｕｏｎｓｅｎｓｏｒｉｅｓｓｃｏｎｔｒｅｌ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ０引言 无刷直流电机（ＢｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ，ＢＬＤｃＭ）具有无换向火花、运行可靠、维护方便、结构简单等优点，因而在很多场合得到了广泛应用。但是传统的ＢＬＤＣＭ需要一个附加的位置传感器来控制转子位置，这给其应用带来了很多不利的影响。ＢＬＤＣＭ的无位置传感器控制在近３０年中一直是国内外较为热门的研究课题〔‘〕。目前，对于ＢＬＤ－ＣＭ的无位置传感器控制，针对不同的性能要求和应用场合，人们已经提出了多种不同的控制理论和实现方法，例如定子电感法、速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法、状态观测器法等。本文在简要论述ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制研究现状的基础上，详细介绍了目前应用和研究较多的几类方法的基本原理、实现途径、应用场合及优缺点。

１研究现状 无位置传感器控制就是在没有机械式位置传感器的情况下进行的控制。此时，作为逆变器开关换向导通时序信号的转子位置信号仍然是必不可少的，只不过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结构的复杂性。 目前，ＢＬＤＣＭ无位置传感器控制研究的核心是构架转子位置信号检测电路，从软硬件两方面间接获得可靠的转子位置信号，从而触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。到目前为止，在众多的位置信号检测方法中，应用和研究较多的主要有定子电感法、速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法和状态观测器法等。１．１定子电感法 定子电感法基于定子铁心的非线性磁化特性，即靠近转子永磁极的定子铁心能被强烈磁化〔’４１。由于定子存在铁心磁饱和现象，所以靠近转子永磁极的定子绕组，顺磁方向时的电流变化率大于逆磁方向时的变化率。转子不同位置时，采用ＰＷＭ变换技术，在固定的时间内给定子绕 —１—

万方数据综述ＩＥＭ以电机方摧制盛闭２００７，３４（７）组施加恒定的电压矢量，则流过定子绕组的电流值不同。通过比较其大小可以确定转子磁极的位置。定子绕组电感法检测转子位置分为两步：一是位置的初步估计；二是位置的精确估计。 将主电路中的３对桥臂分别看成开关函数，并利用矢量的概念把主电路对应的８种通断状态用矢量表示，如图１所示。建立ｄ一ｑ坐标平面，其中ｄ轴是转子的Ｎ极。图１是ｄ轴与定子ａ相绕组轴线一致时刻的情况，此时定子ａ相绕组电感值最小。电机起动时，在双的采样时间里，先后将一对大小相同、方向相反的电压矢量施加在定子绕组上，并通过对主电路直流环的电流值进行采样、保存、比较，然后输出结果。玛（０，１脸（０，１，１）０，０）ｄ抢（０，０，１）子转动影响位置检测。确定Ｔｓ的原则是：在确保转子停转的前提下，尽可能增大电压矢量对电流的差值。 定子电感法由国外最先提出，并在空调压缩机控制上有所应用，调速范围大概能达到５００－７５００ｒ／ｍｉｎ。这种检测方法的精度高、误差小，但实现难度也较大，需要对绕组电感进行不断的实时检测。１．２速度无关位置函数法 速度无关位置函数法是从一个全新的物理概念提出的转子位置检测方法［４巧」。这个物理概念是基于速度独立位置函数形成的。它能在转子转速近似为零一直到高速时都能对转子位置进行检测，并给出换相时刻。 为了便于说明，对电机作如下假设： （１）电机运行于额定条件，因而可以忽略绕组电流的磁饱和现象； （２）因为漏感很小，可以忽略不计； （３）忽略铁耗。 ＢＬＤＣＭ的电压方程如下：

图ｌｄ一ｑ坐标轴以及开关函数矢量图 在位置估计的第二阶段，在双内，把ｄ轴所在的右半坐标平面的一对电压矢量依次施加在定子绕组上；然后对直流环的电流值进行采样、保存，并与前面获得的电流采样比较，根据电流值的大小不同，可以进一步确定转子的位置。以图１为例，就是将电压矢量矶与凡在Ｔｓ内依次加在定子绕组上，并在导通时期的最后时刻对直流环电流人与几采样。把１，和几的值同几和几进行比较，假设１１值是最大的，由此可以判断转子ｄ轴位于图１中１或Ｖｌ区域内。这样可以把转子的位置确定在１２０“的范围区域内，然后再利用位于ｑ轴处的定子绕组电感值最大的事实，进一步确定转子位置。如果１２大于１６，则说明转子位置在图１的１区域内，否则在ｖｉ区域内。这样就可以把转子位置确定在６０“范围内。从而就可以确定换向时刻，并驱动相应的相绕组。定子电感法确定转子位置时，电压矢量加在对应相绕组上的最优导通时间Ｔｓ是一个至关重要的参数。它一方面影响定子绕组电流值，另一方面它可能使转 一２一

录（乙二‘ａ景（乙ｂ・‘’景（‘二‘ａ

＋Ｌ二１、＋Ｌａ。ｉｃ）＋

＋Ｌｂ、ｉｂ＋ＬｂＣｉｃ）＋＋Ｌ。ｈｉｂ＋Ｌｃｃｉ。）＋

录＊。ｒ（。）景入ｂｒ（。）景人ｃｒ（。）

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式中，：。、ｉａ压、相电流＼Ｒ。、Ｌａ二、Ｌａｈ、０、人。ｒ分别表示ａ

、电阻、自感、互感、转子位置相的相电

，以及转子磁通在ａ相产生的磁链。在稳定系统下有Ｒ：＝Ｒｂ二Ｒ。＝Ｒ：，Ｌａ。二瓦。＝Ｌｃ。＝Ｌｓ，可得：

・：奈・录＊ａｒ（。）＝

・：奈十少斋四・：鲁・录人、ｒ（。）＝・：杂沙斋四・：奈・景人。ｒ（。）＝・：瓮沙令业

万方数据奄机刀枚制应用２０（）７，３４（７）综述食ＥＭＣＡ

实际中表示为ＢＬＤＣＭ的中性点不引出，所以用线电压

Ｕ、＝Ｒ；（１。一ｉｈ ＿ｄ（１＿一１二））＋Ｌ一＋

ｋｅ田ｄ「ｆａ＊（０）」 ｄ０式中，令Ｌ＝Ｌ，一Ｌ。，Ａａｒ（０）表示反电势常数ｋ。与位置关联的磁链函数ｆａｔ（０）的乘积。 定义一个新的位置函数

万（０）。、＝旦丛！１‘（旦翅 ｄ口则Ｈ（０玩可表示为：

Ｈ（“，一六〔（Ｖａ一矶，一Ｒ・（‘一‘ｂ，

ｄｉ。ｄｉｂｄｔｄｔ此时，Ｈ（０）。ｂ中还是含有与速度有关的。。为了消除Ｈ（０）。ｂ中的。，将两个Ｈ（０）相除，可得到一个新的函数：

Ｇ（０）。、ｂｃＨ（０）曲Ｈ（０）、ｃ ＿ｄｉ＿ｄｉ二、＿Ｌ（ｆ一Ｆｂ）一Ｒ‘（‘一‘ｂ）一乙（丽一苗）」

［（玖一Ｖｃ）一Ｒ・（ｉｈ一１。）一Ｌ（ｄｉｈｄｉ。ｄ七ｄｔ利用此新函数，可得到最佳的位置信号，该信号在每个换向点具有高灵敏性，且与转速无关。在每个换向间隔中，对函数Ｈ（０）。ｂ和Ｈ（０）、进行连续合并，就可以产生函数Ｃ（０）。、ｂ。。它与速度无关且包含连续的位置信号。由于在任何转速下该函数的表达式形式都是一样的，且与速度无关，所以在稳态或暂态下都能得到换向脉冲。 从转子转速近似为零一直到高速时，该方法都可以对转子位置进行检测。但其理论推导是基于对电机所做的三个假设，而实际情况同假设有很大出人，因此误差在所难免；另外，该方法需要大量计算，对微处理的要求也特别高。１．３反电势法

反电势法是迄今为止最成熟、最有效，也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置信号检测方法［ｅ］。该方法的基本原理是：在忽略ＢＬＤＣＭ电枢反应影响的前提下，通过检测断开相的反电势过零点，依次得到转子的６个关键位置信号；并以

此作为参考依据，轮流触发导通６个功率管，驱动电机运转。在应用上反电势法又可分为４种具体的方法：直接反电势过零法，反电势积分及参考电压比较法，反电势积分及锁相环法，以及续流二极管法。１．３．１直接反电势过零法 直接反电势过零法〔’」是最常用的一种无传感器控制方法，其基本原理是：在任意时刻，电机三相绕组只有二相导通，每相绕组正反向分别导通１２０“电角度；通过测量三相绕组端子及中比点相对于直流母线负端或正端的电位，当某端电位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电势过零；再过３０“电角度就必须对功率器件进行换相；据此可以设计一过零检测及移相电路，从而得到全桥驱动６个功率器件的开关顺序。 此方法非常简单，但缺点是：电机在转速较低或者静止时不适用；滤波器的实际延时角度随电机转速而变，在低速时超前换流，高速时反而接近正常换流，这与实际要求恰恰相反。１．３．２反电势积分及参考电压比较法 反电势积分及参考电压比较法〔‘〕是在相电势过零点处开始对其进行积分，然后将积分结果与参考电压Ｕｒｅｆ进行比较，以此确定换流时刻。具体原理是：假定单位电角度下相电势关于转子位置。的波形系数可用函数ｆ（０）表示，且在电势过零点时０＝０，则积分结果可表示为：：＝丁；。。・ｆ（ｏ）ｄ。＝ｊ言’０ｆ（０）ｄｏ＝丁：０ｆ（０）ｄｏ

所以，积分结果与反电势波形有关，但与电机速度无关。假定需要在００位置换流，那么只要将Ｕｒｅｆ设定为：丁ｅ０ｆ（“）ｄ０即可。

这种方法的优点是可以实现必要的超前换流，但超前角必须在３０“以内；缺点是电压比较器对毛刺、干扰很敏感。由于比较器的输出用于触发一个环形分配器，因此一旦干扰信号造成一次误触发，随后的触发顺序就都是错误的且不可恢复。１．３．３反电势积分及锁相环法 反电势积分及锁相环法首先也是对反电势积分，但不是将积分结果和参考电压比较，而是采用锁相环技术仁’一１０）。其基本原理是：积分器对非导通相的相电势积分，积分时间对应６００电角度。—３一