無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢(shì)的永磁同步電機(jī)稱為直流無(wú)刷電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號(hào)，使用位置傳感器是直流無(wú)刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用帶來(lái)很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器根本無(wú)法使用；最后，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是近30年來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）研究的一個(gè)重要方向。論述了國(guó)內(nèi)外BLDCM無(wú)位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對(duì)它們作了綜合分析和比較。無(wú)位置傳感器控制就是在沒(méi)有機(jī)械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時(shí)，作為逆變器開(kāi)關(guān)換向?qū)〞r(shí)序信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是必不可少的，只不過(guò)不再由位置傳感器來(lái)提供，而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測(cè)措施來(lái)代替，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來(lái)降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

　　目前，BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究的核心是構(gòu)架轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，在眾多的位置信號(hào)檢測(cè)方法中，應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法和狀態(tài)觀測(cè)器法等。

　　1基于反電勢(shì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案

　　無(wú)刷直流電機(jī)（BushlessDCMotor，BLDCM）具有無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來(lái)控制轉(zhuǎn)子位置，這給其應(yīng)用帶來(lái)了很多不利的影響。BLDCM的無(wú)位置傳感器控制在近30年中一直是國(guó)內(nèi)外較為熱門(mén)的研究課題［1］。目前，對(duì)于BLDCM的無(wú)位置傳感器控制，針對(duì)不同的性能要求和應(yīng)用場(chǎng)合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法、狀態(tài)觀測(cè)器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾類方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　當(dāng)電機(jī)速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內(nèi)某相反電勢(shì)為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1所示通過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)反電勢(shì)的斜率來(lái)區(qū)分這些位置，每一段對(duì)應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)

　　在任一時(shí)刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2所示為W相用于反電勢(shì)檢測(cè)時(shí)的情況。當(dāng)U相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流），V相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時(shí)，對(duì)應(yīng)圖1中區(qū)間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設(shè)通電相的兩端總是對(duì)稱地分別連接到DC電源地兩個(gè)端點(diǎn)上，則星型連接中心點(diǎn)的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個(gè)通電相繞組上的電壓極性無(wú)關(guān)。

　　上述方法很容易通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)分壓電路對(duì)三相的端電壓和VDC分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻即為1/2VDC的時(shí)刻。使用一個(gè)可用的定某相反電勢(shì)經(jīng)過(guò)時(shí)器測(cè)量60°（即兩次反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)之間）的時(shí)間。